具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统技术方案

本发明专利技术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)。本发明专利技术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Bm，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。

Axisymmetric Periodic Permanent Magnet Focusing System with Outstanding Third Space Harmonics

【技术实现步骤摘要】
具有突出三次空间谐波的轴对称周期永磁聚焦系统
本专利技术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。
技术介绍
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)＝Bmsin(2πz/L)(1)其中，L为周期永磁聚焦系统的周期长度；Bm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，BK和Bb分别为阴极处的轴向磁感应强度和布里渊磁场强度；rK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Bb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；Pu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；Pμ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Bm取为布里渊磁场强度Bb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Bb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Bm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Bm。当L＜4.2mm时，Bm要达到0.644T已经几乎不可能。
技术实现思路
(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Bm。为了克服这一困难，本专利技术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Bm，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)技术方案本专利技术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，本专利技术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：本专利技术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专利技术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是本专利技术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是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王自成，尚新文，李联炳，肖刘，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11