以磁控注入電子槍的絕熱壓縮理論和角動(dòng)量守恒關(guān)系為基礎(chǔ)，編寫了磁控注入電子槍的計(jì)算程序MGUN，利用該程序完成了一個(gè)輸出功率為56 kW 的W 波段二次諧波回旋振蕩管磁控注入電子槍的初步設(shè)計(jì)，利用EGUN 對(duì)該磁控槍進(jìn)行了研究，分析了空間電荷效應(yīng)、雙陽極間距、調(diào)制極電壓、陰極的傾角及陰極磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)電子注性能的影響并對(duì)磁控槍進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示：當(dāng)電子注的加速電壓為36 kV、工作電流為4 A 時(shí)，電子注的橫縱速度比α = 1. 5，橫向速度離散Δv⊥ /v⊥ =2. 4%。另外，文章還利用粒子模擬軟件對(duì)EGUN 的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，兩種方法所得結(jié)果基本一致。

　　回旋管是一種能夠在毫米波段產(chǎn)生大功率微波輻射的真空器件，其利用沿軸向回旋前進(jìn)的電子注與電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，將電子的能量轉(zhuǎn)化為高頻電磁場(chǎng)能。與傳統(tǒng)電真空器件相比，回旋管具有高頻率、高功率和高效率的特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于高功率毫米波雷達(dá)、高密度通信、可控?zé)岷司圩冎械牡入x子體加熱、材料處理等方面。為了獲得較高的互作用效率，回旋管要求電子注具有較大的橫向速度及較小的速度離散，為了達(dá)到這個(gè)目的，回旋管一般采用磁控注入電子槍( MIG) �；匦�管所用的MIG 主要包括三類: 單陽極MIG、雙陽極MIG 和會(huì)切MIG，其中單陽極和雙陽極MIG 主要用于小回旋軌道的回旋管，會(huì)切磁場(chǎng)式磁控槍主要用于大回旋軌道的回旋管。

　　MIG 的設(shè)計(jì)參數(shù)較多，且各個(gè)參數(shù)相互聯(lián)系，這給磁控槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來很多困難。1986 年貝爾德( Baird) 勞森( Lawson) 利用絕熱壓縮理論和角動(dòng)量守恒從理論上研究了與電子注相關(guān)的因素與電子注參數(shù)之間的關(guān)系，得出了將電子注參數(shù)聯(lián)系在一起的五個(gè)方程，這給磁控槍的設(shè)計(jì)帶來了很大便利，但是該理論沒有考慮空間電荷效應(yīng)，所以只是對(duì)實(shí)際情況的一個(gè)近似描述，要獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果可以通過數(shù)值模擬來實(shí)現(xiàn)。磁控槍的數(shù)值模擬方法主要包括穩(wěn)態(tài)軌跡模擬方法和PIC 粒子模擬方法。穩(wěn)態(tài)軌跡模擬方法是通過自洽地求解泊松方程和相對(duì)論洛侖茲方程進(jìn)而獲得電子的運(yùn)行軌跡，這種方法考慮了空間電荷效應(yīng)，計(jì)算迅速，但只能處理靜態(tài)場(chǎng)問題。采用穩(wěn)態(tài)軌跡模擬方法的典型電子光學(xué)模擬軟件有主要有EGUN、BEFRAY、DAPHNE、EPOSR、EOS 等。粒子模擬方法直接求解麥克斯韋方程和電子的運(yùn)動(dòng)方程，既能處理靜態(tài)問題，又能處理動(dòng)態(tài)問題，缺點(diǎn)是當(dāng)網(wǎng)格和粒子數(shù)較多時(shí)計(jì)算時(shí)間較長。常用的粒子模擬軟件有Magic、CST 粒子工作室等。

　　本文為文獻(xiàn)中的二次諧波回旋振蕩管設(shè)計(jì)了一個(gè)雙陽極MIG，該振蕩管的工作磁場(chǎng)為1.75 T，電子注半徑為1.55 mm( 其它參數(shù)見表1) 。文章第一部分，介紹了MGUN 程序的工作流程并利用該程序確定了磁控槍的初始結(jié)構(gòu); 第二部分利用穩(wěn)態(tài)軌跡模擬軟件EGUN 研究了磁控槍的性質(zhì); 第三部分利用粒子模擬軟件Magic 對(duì)電子槍進(jìn)行了驗(yàn)證; 第四部分總結(jié)了本文的主要工作。

表1 回旋振蕩管的基本參數(shù)

1、磁控槍的基本理論和初始參數(shù)確定

　　選擇雙陽極MIG 作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，為了確定MIG的初始參數(shù)，利用絕熱壓縮理論編寫了MIG 的計(jì)算程序MGUN，其主要流程結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在程序中把MIG 的參數(shù)分為確定參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)兩類，其中確定參數(shù)是在MIG 的設(shè)計(jì)過程中不需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，其數(shù)值由高頻互作用電路設(shè)計(jì)得到，主要包括:電子注的電流I、加速電壓U2、速度比α、電子注半徑Rb、互作用區(qū)磁場(chǎng)B 等。優(yōu)化參數(shù)是在MIG 設(shè)計(jì)過程中需要調(diào)整優(yōu)化的參數(shù)，主要包括: 第一陽極電壓U1、陰極平均半徑Rc、陰極長度Lc、陰極傾角�糲、陰陽極間距da以及陰極磁場(chǎng)Bc，這六個(gè)參數(shù)是決定磁控槍性能的主要參數(shù)，在設(shè)計(jì)磁控槍的過程中需要綜合考慮。衡量電子注質(zhì)量的主要參數(shù)是電子注的速度比α 和電子注的橫向速度離散Δv⊥ /v⊥。另外，在設(shè)計(jì)中還要考慮以下幾個(gè)參量: 磁控槍陰極電場(chǎng)強(qiáng)度Ec、陰極電流密度Jc、磁壓縮比fm等，考慮到工程中的實(shí)際情況，這些量還需要滿足一定的條件( 表2) 。

圖1 MGUN 的主要計(jì)算過程

表2 磁控注入電子槍的限制條件

4、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了應(yīng)用于工作頻率為94 GHz、輸出功率56 kW 的二次諧波回旋振蕩管的雙陽極MIG。首先使用MGUN 程序確定了MIG 的初始參數(shù)，然后利用粒子追蹤軟件EGUN 研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)電子注性能的影響，結(jié)果顯示: 陰極磁場(chǎng)強(qiáng)度及陰極的傾角對(duì)電子注的性能影響最大，隨著陰極磁場(chǎng)強(qiáng)度和陰極傾角的增加，電子注的速度比α 和速度離散都減小;電子注電流對(duì)α 影響較大，其它參量不變時(shí)，增大電子注電流，α 迅速減小; α 和速度離散隨調(diào)制極電壓的升高都同步升高; 雙陽極間距對(duì)電子注性能影響較小。基于以上規(guī)律，對(duì)MIG 進(jìn)行了優(yōu)化，最終獲得了電子注橫縱速度比α = 1. 5、平均橫向速度離散Δv⊥ /v⊥ = 2. 4% 的電子注，滿足了回旋振蕩管對(duì)電子注的要求。最后，利用粒子模擬軟件Magic 對(duì)MIG進(jìn)行了模擬，其結(jié)果與EGUN 所得結(jié)果符合得很好。文章所用的設(shè)計(jì)方法和所得到的規(guī)律對(duì)回旋管MIG的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)和參考意義。