高次谐波潘尼管电子光学系统研究

High-order harmonic cyclotron devices driven by large-orbit electron beam have the typical characteristics such as weakening the mode competition effectively, improving the device efficiency and lowering the operated magnetic field, so it is appealing in the millimeter and sub-millimeter wave field. With electro-optical system of six-order harmonic peniotron as project focus, the forming mechanism of velocity spread and guiding center deviation will be studied in reversal magnetic field regardless of the traditional idea, based on which a novel approach to get large-orbit electron beam will be demonstrated using gradually-changing reversal magnetic field. And under the guidance of this thought, the electron gun of high order harmonic peniotron will be designed. Analyzing the basic requirements of magnetic field distribution for different gyro-devices, we explore the peniotron permanent packaging system with full consideration to the feasibility of the project. At last, we will manufacture the large-orbit electron gun for the 2π mode, sixth order harmonic peniotron, and set up experimental system of the peniotron oscillator. According to theoretical and experimental results, we will analyze certain specific issues occurred in the application of large-orbit electron gun in high-order harmonic gyro-devices. The proposed novel approach to get large-orbit electron beam is not only to achieve high-quality large orbit electron beam, but also to lay certain theoretical basis and conditions for the technology development of the high power gyro-devices, which has certain guiding significance and practical value.

大回旋电子注驱动的高次谐波回旋器件能够有效抑制模式竞争，提高互作用效率，降低工作磁场，在毫米波、亚毫米波段极具吸引力。本项目以六次谐波潘尼管的电子光学系统为研究重点，抛弃传统的逼近理想会切磁场的思路，探讨任意倒向场分布下的速度零散和引导中心偏移产生机理，提出一种适用于新型缓变倒向场的大回旋电子枪设计思想，并在此思想的指导下，设计潘尼管电子枪。分析器件对磁场的基本要求，充分考虑工程上的可行性，探索并设计潘尼管的永磁包装设计方案。最后，研制工作模式为2π模，六次谐波3mm 潘尼管电子枪，建立潘尼管系统实验装置，根据理论与实验结果分析大回旋电子枪在高次谐波回旋器件应用中的一些具体问题。这种适用于新型缓变倒向场的大回旋电子枪设计思路，不仅能够实现高质量大回旋电子注，也为高功率回旋器件技术水平的提高奠定一定理论基础，具有一定针对性和实际意义。

潘尼管是一种新型的大轨道回旋器件，特殊的注波互作用机制，使其可以工作在高次谐波模式下，以此降低工作电压和磁场， 同时仍能保持较高的效率。该项目针对大轨道回旋器件在实际工程应用中所面临的难题，主要从潘尼管的电子光学系统、潘尼管的磁系统、潘尼管相关实验等几个方面进行研究。.首先针对传统大回旋电子枪遇到的困难，对新型的、与潘尼管更加匹配的电子光学系统进行了研究。提出了基于简单永磁体产生的缓变倒向场的大回旋电子枪方案，研究了任意缓变倒向场分布下的速度零散产生的原因。研究了引导中心偏移理论，提出了引导中心漂移补偿法，降低了设计时对磁场变化中间过程的要求。而后，为解决大轨道电子束的形成、调节和控制较为困难的问题，我们尝试利用较为成熟的磁控注入式电子枪来获得大回旋电子束，设计了一支大电流磁控注入式大回旋电子枪，优化所得电子注的横向速度零散仅为0.65%，含束波纹在内，引导中心偏移为6.1%，且横纵速度比为2，该新型的缓变倒向场大回旋电子枪完全满足本项目高次谐波潘尼管的设计要求。.其次，课题组在前期对Ka波段三次谐波潘尼管研究的基础之上，对W 波段6 次谐波磁控型潘尼管进行分析与设计，在理想情况下相应的电子转换效率可高达37.89%。所编制的潘尼管自洽非线性程序计算速度快，占用内存小。为解决目前超导磁体所面临的问题，设计了W 波段6次谐波潘尼管永磁包装系统，设计时考虑了实验的安装空间和对中调试空间。主要优势在于其结构紧凑，价格相对低廉，可应用于车载系统和小型移动装置，进一步推动潘尼管的实用化进程。在现有缓变永磁系统下，设计了满足六次谐波潘尼管的大回旋电子枪，横向速度零散1.78%，偏心1.45%，拉莫半径1.15mm，速度比高达2.54。.最后，完成了六次谐波潘尼管管测试系统的搭建工作，设计了的潘尼管测试用模式激励器以及潘尼管的诊断耦合孔，并对六次谐波潘尼管高频腔体的谐振频率、Q 值以及工作模式场分布进行了测试，基本达到设计要求。潘尼管的研究表明，潘尼管是一种极高效率的微波器件，而电子光学系统又是其是否能够实现的关键，本课题的开展可以进一步地推动潘尼管的应用，但是后期还需进一步深入的理论探索，设计优化和改进。