CN115064337A - 一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型，属于高功率微波产生技术领域。在二极管区域轴线上放置‑z或者+z方向轴向磁化的二极管内磁钢，在束流传输区域配合放置+z或者‑z方向轴向磁化的中间外磁钢，在末端配合使用‑r或者+r方向径向磁化的末端外磁钢。其中，二极管内磁钢外半径ri与中间外磁钢内半径rm需满足约束条件为：1.0<rm/ri<3.0。本发明的二极管区域阴极附近的磁力线回到阴极底座上，避免了传统永磁体的零磁区域，有利于抑制回流或者逃逸电子，提升永磁包装二极管效率。二极管区域的内磁钢替代了传统永磁体的大半径磁场，有利于永磁体轻小型化；在束流传输区域，形成均匀的引导磁场，可有效约束相对论电子束稳定传输。

Description

一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型
技术领域
本发明涉及高功率微波产生技术领域，特别是涉及一种适用于相对论 高功率微波器件的永磁体构型。
背景技术
高功率微波是指频率在300MHz到300GHz、峰值功率超过100MW (一般大于1GW)，或者平均功率大于1MW的强电磁辐射。一般情况， 高功率微波由相对论高功率微波器件产生。通常，引导磁体是相对论高功率 微波器件的必要部件，对高功率微波器件的转换效率、寿命等关键参数有重 要影响。目前的引导磁体主要有螺线管磁体或者超导磁体、均匀永磁体以及 周期永磁体。螺线管磁体或者超导磁体通常需要复杂的供电、冷却等附属系 统，而永磁体则不需要额外的耗能，能够使得系统轻小型化。因此，基于永 磁体的相对论高功率微波器件是重要的发展方向。
目前，基于螺线管磁体的HPM器件，转换效率可达30％以上，考虑回 流因素后，器件的转换效率可达到40％(Phys.Plasmas 27,043102,2020； IEEE Trans.ElectronDevices,68(6),3045-3050,2021)；基于螺线管的非均匀 低磁场条件下，器件转换效率达到35％(IEEE Electron Device Lett.,42(6), 935-938,2021)；基于均匀永磁体的HPM器件转换效率一般为25％，GW器 件的永磁体重量为几十到几百kg(IEEE Trans.ElectronDevices,66(10),4408- 4412,2019)；此外，基于PPM的永磁包装器件表现出轻小型化的潜力(Phys. Plasmas 27,083104,2020)。
相比螺线管磁体，基于永磁体的相对论高功率微波器件转换效率较低。 其主要原因之一是基于永磁体的高功率微波器件具有更大的回流，导致二 极管效率偏低，进而导致高功率微波器件的转换效率较低。传统的永磁体使 用二极管外磁钢，如图2所示，无法避免出现零磁区域，无法有效抑制回流(IEEE Trans.Electron Devices,66(10),4408-4412,2019)。也有研究人员基 于螺线管磁体，结合永磁块，开展了一些探索，但是也存在螺线管磁体不利 于轻小型化的弊端，如图3所示。(强激光与粒子束,30(10),103002-1,2018)。
综上，针对基于永磁体的相对论高功率微波器件转换效率较低问题，以 及高功率微波器件轻小型化需求等，还需要对永磁体开展进一步改进，一方 面要提升二极管的效率，另一方面要维持相对论电子束的稳定传输。
发明内容
针对基于永磁体的相对论高功率微波器件转换效率较低问题，以及高 功率微波器件轻小型化需求，本发明提出适用于相对论高功率微波器件的 新型永磁体构型，本发明可以运用于相对论高功率微波产生器件，达到提升 基于永磁体的高功功率器件转换效率的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种适用于相对论高功率微 波器件的永磁体构型，包括二极管内磁钢1，中间外磁钢3，末端外磁钢5， 在二极管区域轴线上放置-z方向轴向磁化的二极管内磁钢1，在束流传输区 域配合放置+z方向轴向磁化的中间外磁钢3，在末端配合使用-r方向径向 磁化的末端外磁钢5；
或在二极管区域轴线上放置+z方向轴向磁化的二极管内磁钢1，在束 流传输区域配合放置-z方向轴向磁化的中间外磁钢3，在末端配合使用+r方 向径向磁化的末端外磁钢5；
其中，二极管内磁钢1外半径ri与中间外磁钢3内半径rm需满足约束 条件为：1.0<rm/ri<3.0。
进一步的，在实际应用中，所述二极管内磁钢1根据实际情况，设计为 圆柱形、环形或者扇形。
进一步的，在实际应用中，中间外磁钢3设计为环形或者扇形。
进一步的，在实际应用中，末端磁钢5设计为环形或者扇形。
相对于现有技术，本发明的有效收益
1、本发明的一种适用于相对论高功率微波器件的新型永磁体构型，其 二极管区域阴极附近的磁力线回到阴极底座上，避免了传统永磁体的零磁 区域，有利于抑制回流或者逃逸电子，提升永磁包装二极管效率；
2、二极管区域小半径的内磁钢替代传统永磁体的大半径磁场，有利于 永磁体轻小型化；在束流传输区域，形成均匀的引导磁场，可有效约束相对 论电子束稳定传输。
3、本发明适用于一般的相对论高功率微波器件。
附图说明
图1为本发明永磁体构型示意图；
图2永磁体构型(IEEE Trans.Electron Devices,66(10),4408-4412,2019)；
图3传统永磁体构型(强激光与粒子束,30(10),103002-1,2018)；
图4基于本发明的永磁体磁力线及磁场分布示意图；
4(a)为基于本发明的永磁体设计结果和磁力线示意图；
4(b)为基于本发明的一种永磁体磁场分布示意图；
图5有无零次区域的磁力线比较示意图；
5(a)存在零磁区情形示意图；
5(b)本发明无传统观零磁区情形示意图。
其中：1-二极管内磁钢、2-阴极部分、3-中间外磁钢、4-相对论电子束、 5-末端外磁钢、6-螺线管磁体、7-磁力线、8-磁钢
具体实施方案
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种适用于相对论高功率微波器件的新型永磁体构型如图1 所示。与传统和已报道如图2、图3所示的永磁体不同，本发明是在二极管 区域轴线上放置+z方向轴向磁化的二极管内磁钢1，在束流传输区域配合 放置-z方向轴向磁化的中间外磁钢3，在末端配合使用+r方向径向磁化的 末端外磁钢5；如图1(a)所示。将图1(a)的磁化方向反方向亦可，如 图1(b)所示，在二极管区域轴线上放置-z方向轴向磁化的二极管内磁钢 1，在束流传输区域配合放置+z方向轴向磁化的中间外磁钢3，在末端配合 使用-r方向径向磁化的末端外磁钢1；
其中二极管内磁钢1外半径ri与中间外磁钢3内半径rm需满足约束条 件：1.0<rm/ri<3.0。其中，在实际应用中，二极管内磁钢1可根据实际情况， 设计为圆柱形、环形或者扇形；中间外磁钢3和末端磁钢5可设计为环形 或者扇形；
永磁包装高功率微波器件是目前的热点方向；困境是转换效率不高，还 有待进一步轻小型化；主要原因是二极管存在零磁区域，回流抑制困难，束 流利用率不高；轻小型化问题与二极管零磁区域尺寸息息相关。由此本发明 在以下四个方面有很大的改进：
第一、本发明消除了永磁体在二极管区域的零磁区，可以显著提升束流 利用率。
图5给出了有无零次区的磁力线比较。图5(a)是存在零磁区的情形， 可见磁力线很快回到阳极A。如此，在低磁场条件下，由侧发射导致的电流 也将沿着磁力线回到阳极A附近，并不会参与波束互作用产生微波，因此 这部分电子能量就浪费了；5(b)是本发明不存在零磁区的情形，图中显示 磁力线很快回到阴极C。这意味着，二极管的阻抗相对5(a)明显增高，进 而在同等驱动源功率下可以驱动更大的前向电流，进而有更多的电子可以 参与波束互作用，使得整系统的效率提升。
第二、本发明提供了一种解决二极管区域外磁钢尺寸大、限制轻小型化 问题的新方法，具有较大应用潜力。
本发明二极管区域的内磁钢替代了传统永磁体的大半径磁场，有利于 永磁体轻小型化；在束流传输区域，形成均匀的引导磁场，可有效约束相对 论电子束稳定传输。如二极管区域如图虚线框内所示，可以清楚看见，5(a) 情形需要较大半径的外磁钢，以保证二极管的磁绝缘。而5(b)情形则不 需要较大半径的外磁钢，仅需要较小的内磁钢即可，这将非常有利于永磁包 装高功率微波产生器件的小型化。
第三、本发明为轴向磁化，且提出的此种磁路构型未见报道。
传统(强激光与粒子束,30(10),103002-1,2018)的内磁钢为径向 磁化或者内置软铁，本发明为轴向磁化，且提出的此种磁路构型未见报道。 由此可知放置内磁钢是关键点之一，重点是如图5(a)所示这样的磁路设 计。本发明的磁路设计是全新的一种拓扑结构，这样的磁路设计，能构造出 无零次区、且有轻小型化潜力、满足高功率微波器件所需的磁场位形。
第四、本发明提出了内外磁钢的关键尺寸约束条件：1.0<rm/ri<3.0，也 是小型化的关键因素。
增加尺寸约束的原因如下：一方面，如果是内磁钢伸入外磁钢的情形， 需要约束rm/ri<3.0。对于同轴结构，一定电压下，理论上外导体半径与内导 体半径之比为e(2.71828)时，内导体表面电场最小；对于实际情况和经验， 可将上限提升约10％，即rm/ri～3.0。两一方面如果是内磁钢未伸入外磁钢的 情形，需要约束1.0<rm/ri。主要考虑到轻小型化，同时内导体过大(即rm/ri过小)将导致内外导体作用力大，工程实现难度增加。
实施例1
基于本发明的一种适用于相对论高功率微波器件的新型永磁体实施例 如图4所示。图4(a)给出了设计结构以及磁力线7。可见，二极管区域阴 极附近的磁力线回到阴极底座上，避免了传统永磁体的零次区域，在理论上 可以大幅抑制回流和逃逸电子，提升永磁包装二极管效率。图4(b)给出 了轴向磁感应强度和径向磁感应强度在轴向的分布。经过设计，在束流传输 区域，可以产生0.5T的磁场，满足相对论高功率微波器件的需求。

Claims (4)

1.一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型，其特征在于：所述永磁体构型包括二极管内磁钢(1)、中间外磁钢(3)、未端外磁钢(5)；
在二极管区域轴线上放置-z方向轴向磁化的二极管内磁钢(1)，在束流传输区域配合放置+z方向轴向磁化的中间外磁钢(3)，在末端配合使用-r方向径向磁化的末端外磁钢(5)；
或在二极管区域轴线上放置+z方向轴向磁化的二极管内磁钢(1)，在束流传输区域配合放置-z方向轴向磁化的中间外磁钢(3)，在末端配合使用+r方向径向磁化的末端外磁钢(5)；
其中，所述二极管内磁钢(1)外半径ri与中间外磁钢(3)内半径rm需满足约束条件为：1.0<rm/ri<3.0。
2.根据权利要求1所述的一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型，其特征在于，在实际应用中，所述二极管内磁钢(1)根据实际情况，设计为圆柱形、环形或者扇形。
3.根据权利要求1所述的一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型，其特征在于，在实际应用中，中间外磁钢(3)设计为环形或者扇形。
4.根据权利要求1所述的一种适用于相对论高功率微波器件的永磁体构型，其特征在于，在实际应用中，末端磁钢(5)设计为环形或者扇形。
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