CN110189968B - 具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统，包括多个长度为L的永磁聚焦单元，每个永磁聚焦单元从左至右依次包括：第一磁极(1)；第一永磁体(2)，该第一永磁体(2)的N极连接于所述第一磁极(1)；第二磁极(3)，该第二磁极(3)连接所述第一永磁体(2)的S极；以及第二永磁体(4)，该第二永磁体(4)的S极连接于所述第二磁极(3)。本发明提出的一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统，在不缩小周期永磁聚焦系统的周期L的条件下，达到所需的峰值轴向磁场强度B_m，同时利用周期永磁聚焦系统在轴线上的磁场分布的三次空间谐波抑制了电子注半径的波动，达到了维持电子注稳定通过目的。

Description

具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统

技术领域

本发明属于真空电子学领域，具体涉及一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统，能够更为有效地为行波管、返波管和分布作用速调管等真空电子器件维持稳定传输的电子注。

背景技术

行波管、返波管和分布作用速调管等真空电子器件均需要一个或多个能够稳定传输的电子注，电子注的维持系统也称为电子注的聚焦系统或电子注的电子光学系统。在没有电子注维持系统的情况下，电子注内部的电子之间存在库仑排斥力，因此会导致电子注逐渐分散，因而不能稳定传输。电子注维持系统可以在电子注通过的空间区域内施加适当的静电场或静磁场，从而在电子注上施加恰当的电场力或磁场力，以抵消电子之间的库仑排斥力，达到使电子注稳定传输的目的。其中，能够施加静电场的电子注维持系统叫做电聚焦系统，能够施加静磁场的电子注维持系统叫做磁聚焦系统。而在行波管、返波管和分布作用速调管等真空电子器件，多数情况下采用磁聚焦系统。

磁聚焦系统又分为两种：一种利用直流电流产生磁场，所以叫做线包磁聚焦系统；另一种利用永磁体产生磁场，因此称为永磁聚焦系统。其中，永磁聚焦系统又分为非周期永磁聚焦系统和周期永磁聚焦系统两种：非周期永磁聚焦系统在电子注通道中施加一个磁场方向与电子注通道平行，且磁场强度均匀的磁场；周期永磁聚焦系统则在电子注通道中施加一个磁场方向与电子注通道平行，但磁场强度在电子运动方向上周期变化的周期磁场。非周期永磁聚焦系统的特点是电子注半径的波动较小，但其体积较大。而周期永磁聚焦系统的体积较小，但又不可避免地造成了较大的电子注半径的波动。根据现有的公识，当周期永磁聚焦系统在轴线上的磁场强度满足正弦函数分布时，电子注半径的波动最小。这时，周期永磁聚焦系统在轴线上的轴向磁感应强度分布B(z)可由如下公式表示：

B(z)＝B_msin(2πz/L) (1)

其中，L为周期永磁聚焦系统的周期长度；B_m是周期永磁聚焦系统在轴线上的峰值轴向磁感应强度；z为周期永磁聚焦系统在轴线上的坐标。

此时，电子注半径的变化满足马修方程。根据马修方程，电子注半径波动γ与磁屏蔽系数与电子注半径压缩系数之积K和电子注跨越长度与周期磁聚焦系统的周期长度之比μ有关，当μ保持为常数时，γ随着K的增大而增大；当K保持为常数时，γ随着μ的增大而减小。

首先参数K的定义如下：

其中，B_K和B_b分别为阴极处的轴向磁感应强度和布里渊磁场强度；r_K和r₀分别为阴极半径和电子注进入周期永磁聚焦系统后的平均半径。

布里渊磁场强度B_b是一个由电子注参数决定的常数：

其中，V0和I0分别是电子注的电压和电流。

另一个参数μ的定义如下：

其中，λp为电子注的跨越长度，λp数值越大，意味着电子注跨越磁场翻转的能力也越强，也是一个由电子注参数决定了的常数：

其中，r₀是电子注进入周期永磁聚焦系统后的平均半径，通常为常数；P_μ则是电子枪的导流系数(单位为微朴)，是只取决于电子枪结构的常数。从上式可知，r0越大，λp越大；即越大，λp越小。

根据公知知识，为了让周期永磁聚焦系统能够维持电子注，需要将周期永磁聚焦系统在轴线上的峰值磁场强度B_m取为布里渊磁场强度B_b的2倍或更大。而为了使电子注半径波动γ足够小，一般要求μ大于3。

随着行波管、返波管和分布作用速调管的工作频率越来越高，所需要的圆形电子注的半径越来越小。当工作频率达到300GHz时，圆形电子注的半径仅为0.05mm。另一方面，为了使行波管、返波管和分布作用速调管获得足够大的功率，电子注还必须有足够大的电流。比如，当前对300GHz返波管的研制中需要一个注电压为18kV，注电流为50mA的电子注，用(3)计算其布里渊磁场强度B_b为0.322T，因此周期永磁聚焦系统在轴线上的峰值轴向磁感应强度B_m应取为0.644T。另一方面，用(5)计算λp为12.5mm，为保证μ大于3，由(4)可知，周期永磁聚焦系统的周期L必须小于4.2mm。然而，周期永磁聚焦系统的周期L越小，越不容易提高周期永磁聚焦系统在轴线上的峰值轴向磁感应强度B_m。当L＜4.2mm时，B_m要达到0.644T已经几乎不可能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

随着行波管、返波管和分布作用速调管的工作频率越来越高，所需要的圆形电子注的半径越来越小。这就要求周期永磁聚焦系统能够具有更小的周期。然而，周期永磁聚焦系统的周期L越小，越不容易提高周期永磁聚焦系统在轴线上的峰值轴向磁场强度B_m。为了克服这一困难，本发明提出了一种特殊的周期永磁聚焦系统，在不缩小周期永磁聚焦系统的周期L的条件下，达到所需的峰值轴向磁场强度B_m，同时利用周期永磁聚焦系统在轴线上的磁场分布的三次空间谐波抑制了电子注半径的波动，达到了维持电子注稳定通过目的。

(二)技术方案

本发明提供一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统，该系统包括多个长度为L的永磁聚焦单元，该多个永磁聚焦单元采用物理接触的方式首尾连接，每个永磁聚焦单元从左至右依次包括：

第一磁极1；

第一永磁体2，该第一永磁体2的N极连接于所述第一磁极1；

第二磁极3，该第二磁极3连接所述第一永磁体2的S极；以及

第二永磁体4，该第二永磁体4的S极连接于所述第二磁极3；

其中，所述第一永磁体2和第二永磁体4是外半径为r3的空心圆柱形永磁体，该空心圆柱形永磁体中间部分的半径为r2，该空心圆柱形永磁体两侧部分的半径为r1，r1、r2与r3之间满足：1.2r1＜r2＜(r1+r3)/2；所述第一磁极1和所述第二磁极3为空心矮圆柱形平板，其外半径为r5，r5＜r3；空心结构的内半径为r6，r6＜r1；

其中，所述第一磁极1和第二磁极3采用具有高磁导率的软磁材料，该具有高磁导率的软磁材料包括纯铁、铁钴钒合金或铁镍合金；所述第一磁极1和第二磁极3没有磁极咀；

其中，所述第一永磁体2和第二永磁体4的结构中，半径为r1的长度为L1，半径为r2的中间结构的长度为L2，L2/L1取值范围为0.5～1.0；所述第一永磁体2和所述第二永磁体4采用铝镍钴永磁材料或钐钴永磁材料。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统具有以下有益效果：

本发明提供的一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统中，采用了具有内半径呈现两头小而中间大的永磁体，通过调控中间半径与两侧半径比r2/r1以及具有r1半径大小的长度L1和具有r2半径大小的长度L2的比L2/L1，对当三次空间谐波分量B₃进行调控，当B₃取合适的正数时，三次空间谐波分量在维持电子注方面具有正面的作用，能够显著抑制电子注半径的波动，以满足抑制电子注半径的波动的需求。同时，由于三次空间谐波分量的存在使得本发明的周期永磁聚焦系统在轴线上的轴向磁场强度分布在过零点附近具有更大的斜率，意味着在这种周期永磁聚焦系统中，由磁场方向的周期性翻转造成的电子注半径的波动可以得到更好的抑制。

附图说明

图1是传统周期永磁聚焦系统中一个周期的构型示意图；

图2是本发明实施例的轴对称周期永磁聚焦系统中一个周期的构型示意图；

图3是本发明实施例中的结构与传统结构的轴向磁场分布的对比曲线图。

【附图标记说明】

11：第一磁极 12：第一永磁体

13：第二磁极 14：第二永磁体

11a、11b、13a、13b：磁极咀

N：永磁体北极 S：永磁体南极

1：第一磁极 2：第一永磁体

3：第二磁极 4：第二永磁体

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在传统周期永磁聚焦系统中，如图1所示，第一永磁体12与第二永磁体14是一个内半径均匀的简单的空心圆柱体；而其中的第一磁极11与第二磁极13具有磁极咀11a和11b，t为第一磁极11与第二磁极13中，磁极咀的高度；T为第一永磁体12与第二永磁体14的高度。

这种构型的周期永磁聚焦系统的在轴线上的轴向磁感应强度分布B(z)具有显著的三次空间谐波分量，可由如下公式表示：

B(z)＝B₁sin(2πz/L)+B₃sin(6πz/L) (6)

其中，L周期永磁聚焦系统的周期长度；B₁和B₃分别是周期永磁聚焦系统的在轴线上的轴向磁感应强度分布的一次空间谐波分量和三次空间谐波分量的幅度。

理论分析和计算机模拟表明，传统周期永磁系统在其轴线上的轴向磁感应强度分布在一般情况下也具有一定的三次空间谐波分量，只是三次空间谐波分量的幅度B₃较小而已。特别地，当t/T取大约0.33时，B₃接近于0，也就是三次空间谐波分量最小。当t/T小于0.33时，B₃为较小的正数，且当t/T等于0时，B₃达到最大值。当t/T从0.33向0.5变化时，B₃为负数，且其绝对值越来越大，且当t/T等于0.5时，第一永磁体12与第二永磁体14被第一磁极11与第二磁极13完全屏蔽，B₃的绝对值达到与B₁相近的数值，造成轴线上的总的轴向磁感应强度接近于0。传统设计理念认为周期永磁聚焦系统在其轴线上的轴向磁感应强度分布的三次空间谐波分量在维持电子注方面没有正面的作用，因此往往追求让三次空间谐波分量尽可能小，一般将t/T取为0.33。但本发明提出当三次空间谐波分量B₃取合适的正数时，三次空间谐波分量在维持电子注方面具有正面的作用，能够显著抑制电子注半径的波动。

因此，本发明提出了一种轴对称周期永磁聚焦系统，该系统的一个周期构型如图2所示，一个周期的长度为L。该多个永磁聚焦单元采用物理接触的方式首尾连接，每个永磁聚焦单元从左至右依次包括：

第一磁极1；

第一永磁体2，该第一水磁体2的N极连接于所述第一磁极1；

第二磁极3，该第二磁极3连接所述第一永磁体2的S极；以及

第二永磁体4，该第二永磁体4的S极连接于所述第二磁极3；

其中，第一永磁体2和第二永磁体4是外半径为r3的空心圆柱形永磁体，该空心圆柱形永磁体中间部分的半径为r2，该空心圆柱形永磁体两侧部分的半径为r1，r1、r2与r3之间满足：1.2r1＜r2＜(r1+r3)/2；第一磁极1和第二磁极3为空心矮圆柱形平板，其外半径为r5，r5＜r3；空心结构的内半径为r6，r6＜r1；

其中，第一磁极1和第二磁极3采用具有高磁导率的软磁材料，该具有高磁导率的软磁材料包括纯铁、铁钴钒合金或铁镍合金；所述第一磁极1和第二磁极3没有磁极咀；

其中，第一永磁体2和第二永磁体4的结构中，半径为r1的长度为L1，半径为r2的中间结构的长度为L2，L2/L1取值范围为0.5～1.0；第一永磁体2和第二永磁体4采用铝镍钴永磁材料或钐钴永磁材料。

本发明提供轴对称周期永磁聚焦系统中，r2/r1和L2/L1都会影响B₃/B₁，因此可以通过r2/r1和L2/L1，而使B₃/B₁达到所需的数值。一般而言，较大的B₃/B₁对抑制电子注波动的效果更好，但就本发明的构型而言，目前的B₃/B₁的可调节范围在0.05-0.3之间。

第一磁极1、第二磁极3、第一永磁体2和第二永磁体4的分界面为与轴线垂直的圆柱面，且两者在该分界面上的接触是普通的物理接触，并无焊接之类的特殊接触方法。用多个周期的这种结构以物理接触的方法首尾连接起来，就构成了周期永磁聚焦系统，所需的周期数取决于所需维持的电子注的长度，只须周期永磁聚焦系统的总长度大于或等于所需维持的电子注的长度即可。

由于第一永磁体2和第二永磁体4的内半径呈现两头小而中间大的构型，内半径从两头到中间的过渡形式包括任何形式的跳变或渐变，但以一次跳变为最基本形式，这种构型的永磁体能够使在轴线上的轴向磁场分布产生较大的三次空间谐波分量，且三次空间谐波分量的幅度可以通过r1/r2进行调节。这种构型能够在保持较大周期的同时，减小了实现较高峰值磁场强度的难度，并通过三次空间谐波的作用有效抑制电子注半径的波动，在需要维持极细电子注的太赫兹真空电子器件等领域会具有广阔的应用。

为对比说明本发明提出的永磁聚焦系统的优势，计算了传统永磁聚焦系统与本发明周期永磁聚焦系统在轴线上的轴向磁感应强度分布，如图3所示：当B₁和L均为1，B₃为0.3时，其轴线上的轴向磁感应强度分布也如图3中的曲线A所示。用公式(1)可以计算如图2所示的传统周期永磁聚焦系统的在轴线上的轴向磁感应强度分布，当B_m和L均为1时，其轴线上的轴向磁感应强度分布如图3中的曲线B所示。

对比可知，在一个周期内，曲线B在1/4周期和3/4周期处各有一个峰值，而曲线A则在1/8周期、3/8周期、5/8周期和7/8周期处各有一个峰值。另外，曲线A在0点处的斜率比曲线B在0点处的斜率更陡。因此说明，本发明提出的一种轴对称周期永磁聚焦系统由磁场方向的周期性翻转造成的电子注半径的波动可以得到更好的抑制。

在本发明的周期永磁聚焦系统中，如图1中的第一磁极1没有磁极咀，相当于传统周期永磁聚焦系统中的t/T等于0时的情况，因此已经提供了一定的三次空间谐波分量，只是此时三次空间谐波分量的幅度B₃还较小，不足以有决定性地提高维持电子注的能力。为了提高B₃，本发明采用了如图2中的第一永磁体2和第二永磁体4的特殊结构，其的两端部分的内半径r1比中间部分的内半径r2要小。根据现有的公知知识，在柱对称永磁系统中，在永磁体外半径不变的条件下，轴线上的轴向磁感应强度随着永磁体内半径的缩小而增大。因此轴向磁感应强度分布在靠近第一永磁体2、4的两端部分的位置具有较高的数值，而在靠近第一永磁体2、第二永磁体4的中间部分的位置具有较底的数值。也就是说，正是第一永磁体2、第二永磁体4的特殊结构产生了轴线上的轴向磁感应强度分布的三次空间谐波分量，使得轴线上的轴向磁感应强度分布近似地具有可由公式(6)表示的形式。而且，通过调节r1/r2，可以将三次空间谐波分量的幅度B₃调节到合适的数值，以满足抑制电子注半径的波动的需求。

当B₃取较大的合适值时，轴向磁感应强度分布的三次空间谐波分量可以有效抑制电子注半径的波动。其原理可以分两个方面加以阐述：第一个原因在于三次空间谐波分量的周期是L/3，因此用公式(4)计算的参数μ是基波的同一参数的3倍。而随着μ的增大，电子注半径的波动会减小；第二个原因在于，三次空间谐波分量的存在使得本发明的周期永磁聚焦系统在轴线上的轴向磁感应强度分布在过零点附近具有更大的斜率，意味着在这种周期永磁聚焦系统中，由磁场方向的周期性翻转造成的电子注半径的波动可以得到更好的抑制。

对于本领域的专家而言，图2的构型只是本发明的一个具体实施例，其他内半径呈中间大而两头小的任何永磁体构型均属于本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统，该系统包括多个长度为L的永磁聚焦单元，该多个永磁聚焦单元采用物理接触的方式首尾连接，每个永磁聚焦单元从左至右依次包括：

第一磁极(1)；

第一永磁体(2)，该第一永磁体(2)的N极连接于所述第一磁极(1)；

第二磁极(3)，该第二磁极(3)连接所述第一永磁体(2)的S极；以及

第二永磁体(4)，该第二永磁体(4)的S极连接于所述第二磁极(3)；

其中，所述第一永磁体(2)和第二永磁体(4)是外半径为r3的空心圆柱形永磁体，该空心圆柱形永磁体中间部分的内半径为r2，该空心圆柱形永磁体两侧部分的内半径为r1，r1、r2与r3之间满足：1.2r1＜r2＜(r1+r3)/2。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一磁极(1)和所述第二磁极(3)为空心矮圆柱形平板，其外半径为r5，r5＜r3；所述空心矮圆柱形平板的内半径为r6，r6＜r1。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一磁极(1)和第二磁极(3)采用软磁材料，该软磁材料包括纯铁、铁钴钒合金或铁镍合金。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一磁极(1)和第二磁极(3)没有磁极咀。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一永磁体(2)和第二永磁体(4)的结构中，内半径为r1的空心圆柱形永磁体两侧部分均长度为L1，内半径为r2的空心圆柱形永磁体中间部分的长度为L2，L2/L1取值范围为0.5～1.0。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一永磁体(2)和所述第二永磁体(4)采用铝镍钴永磁材料或钐钴永磁材料。

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