以磁控注入電子槍的絕熱壓縮理論和角動量守恒關(guān)系為基礎(chǔ)，編寫了磁控注入電子槍的計算程序MGUN，利用該程序完成了一個輸出功率為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，利用EGUN 對該磁控槍進行了研究，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強度等因素對電子注性能的影響并對磁控槍進行了優(yōu)化，結(jié)果顯示：當電子注的加速電壓為36 kV、工作電流為4 A 時，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EGUN 的結(jié)果進行了驗證，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的電子注與電磁場發(fā)生相互作用，將電子的能量轉(zhuǎn)化為高頻電磁場能。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，因此被廣泛地應(yīng)用于高功率毫米波雷達、高密度通信、可控熱核聚變中的等離子體加熱、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，為了達到這個目的，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，會切磁場式磁控槍主要用于大回旋軌道的回旋管。

　　MIG 的設(shè)計參數(shù)較多，且各個參數(shù)相互聯(lián)系，這給磁控槍的優(yōu)化設(shè)計帶來很多困難。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)系在一起的五個方程，這給磁控槍的設(shè)計帶來了很大便利，但是該理論沒有考慮空間電荷效應(yīng)，所以只是對實際情況的一個近似描述，要獲得更準確的結(jié)果可以通過數(shù)值模擬來實現(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論洛侖茲方程進而獲得電子的運行軌跡，這種方法考慮了空間電荷效應(yīng)，計算迅速，但只能處理靜態(tài)場問題。采用穩(wěn)態(tài)軌跡模擬方法的典型電子光學模擬軟件有主要有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動方程，既能處理靜態(tài)問題，又能處理動態(tài)問題，缺點是當網(wǎng)格和粒子數(shù)較多時計算時間較長。常用的粒子模擬軟件有Magic、CST 粒子工作室等。

　　本文為文獻中的二次諧波回旋振蕩管設(shè)計了一個雙陽極MIG，該振蕩管的工作磁場為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 對電子槍進行了驗證; 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)計目標，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B 等。優(yōu)化參數(shù)是在MIG 設(shè)計過程中需要調(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Bc，這六個參數(shù)是決定磁控槍性能的主要參數(shù)，在設(shè)計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)計中還要考慮以下幾個參量: 磁控槍陰極電場強度Ec、陰極電流密度Jc、磁壓縮比fm等，考慮到工程中的實際情況，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 研究了各個參數(shù)對電子注性能的影響，結(jié)果顯示: 陰極磁場強度及陰極的傾角對電子注的性能影響最大，隨著陰極磁場強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α 影響較大，其它參量不變時，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; 雙陽極間距對電子注性能影響較小�；�于以上規(guī)律，對MIG 進行了優(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電子注的要求。最后，利用粒子模擬軟件Magic 對MIG進行了模擬，其結(jié)果與EGUN 所得結(jié)果符合得很好。文章所用的設(shè)計方法和所得到的規(guī)律對回旋管MIG的設(shè)計具有重要的指導和參考意義。