基于常数广义角动量阴极面的大回旋轨道电子注发射系统

Based on urgent needs on high power millimeter-wave- to-terahertz-wave sources from applications， including high resolution radar, millimeter-wave active denial weapon, fusion plasmas heating, it is proposed to study Magnetic Cusp electron Gun (MCG) based on a constant Angular Generalized Momentum (AGM) cathode emitter surface,as a way of solving the problem that it is difficult to obtain high power and low velocity spread Large-Orbit Electron Beam (LOB). This novel magnetic cusp gun employs a constant AGM cathode emitter surface constructed by carefully matching the magnetic field, and emits electrons with monolithic initial AGM. Through opimizing the focusing-accelerating electric field to balance the guiding center spread and space charge field, it is capable of widen the emitter surface and generating ideal luminar LOB simultaneously with high power and low velocity spread. With the support from cathode technique of our Lab, we are going to develop a high power magnetic cusp gun. Electron beam parameters will be diagnosised by YAG crystal imaging technique,and this gun will be installed in a 396GHz 4th harmonic TE41 mode gyrotron to verify the theoretical research achievement. The scheme of constant AGM cathode emitter surface obviously widens the relative width of a MCG cathode surface, enhances the eletron beam current, and reduces angular velocity spread accordingly. It is capable of fully exploring the merits of potential high output power and low magnetic field operation of a higher harmonic gyrotron, promoting the development of high power millimeter-wave sources.

基于远程高分辨率雷达、毫米波拒止武器、热核聚变等离子体加热等领域对高功率毫米波-太赫兹波功率源的迫切需求，项目提出研究基于常数广义角动量（AGM）阴极面的磁会切电子发射系统，解决高次谐波回旋管难以获得高功率、低速度离散大回旋轨道电子注之难题。通过匹配阴极区磁位型，构建常数AGM阴极面，使得初始发射电子具有相同的AGM，优化阴极区聚焦加速电场，以平衡电子注引导中心偏移和空间电荷场，能够大幅度扩展磁会切电子枪的阴极面相对宽度，获得速度离散小于3%的高功率大回旋轨道电子注。结合实验室阴极工艺技术，发展高功率低速度离散的磁会切电子枪。采用YAG晶体成像方法分析电子注参数，并将该电子枪应用于396GHz四次谐波TE41模式回旋管验证理论研究成果。常数AGM阴极面能够显著提高磁会切电子枪阴极面相对宽度，提高电子注电流和降低速度离散，发挥高次谐波回旋管高功率和低磁场的优势，促进高功率毫米波源的发展。

回旋管基于相对论电子回旋脉塞原理工作，在毫米波-太赫兹频段能够产生大功率电磁波，具有高功率、高频率和高效率优势，是聚变等离子体加热、高分辨率雷达、太赫兹DNP-NMR等高端大型电子系统的核心器件和关键瓶颈。回旋管基于电子的高次回旋谐波工作能够将工作磁场降低数倍，在可预见的将来，谐波回旋管将所需磁场强度降低数倍，能够成为解决三方面重大问题的基石：基于谐波回旋管产生1THz以上的连续波高功率（1THz光源），发展基于连续波太赫兹波动态核极化增强的高灵敏度磁共振系统（DNP-NMR），发展基于永磁体的四次谐波拒止武器回旋管（Active Denial Weapon）。缺乏高电流低速度离散大回旋轨道电子枪是限制该领域发展的瓶颈。.课题原定目标已完成。课题从理论、方案和器件等层面系统解决高次谐波回旋管的大回旋电子枪速度离散问题，理论上提出“常数正则角动量阴极面”和“共型交叉流”等方案能够大幅度提高阴极面相对宽度，发展出系统的分析理论和设计判据。工程方面，基于“常数正则角动量阴极面”发展驱动0.4THz四次谐波太赫兹回旋管的电子枪；基于“共型交叉流”技术用电子引导中心分布弥补阴极初始正则角动量的发散，同时实现接近理论极限的“零速度离散”大回旋电子枪（电子仅具有热初速度发散），实现10A以上的高发射电流，解决长期限制谐波回旋管的“高功率低速度离散大回旋电子注”瓶颈问题。基于电子枪研究基础，开展了W波段调频回旋管的实验，发展0.33THz超宽带调频回旋管。项目相关研究工作发表IEEE期刊论文12篇，并在德国Springer出版社出版专著一部。通过解决大回旋电子注的速度离散问题，项目工作对发展谐波回旋系统提供重要支撑作用，推动新一代高机动性的机载、舰载、车载高功率毫米波举止武器系统、大功率的高分辨率毫米波—太赫兹雷达系统的发展。