一种适用于带状注行波管的新型可调磁聚焦系统的制作方法

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种适用于毫米波及太赫兹频段的带状注行波管的磁聚焦系统。

背景技术：

带状电子注具有大的横截面尺寸、高的直流功率、低的空间电荷效应等显著优点，采用带状电子注作为电子源的毫米波及太赫兹频段真空电子器件具有更高的输出功率。因此，带状电子注在毫米波及太赫兹真空电子器件领域得到了广泛的关注。带状电子注成形可以由经典的皮尔斯电子枪实现，在均匀磁场或者周期会切磁场的聚焦作用下传输，从而为真空电子器件的信号产生或放大提供了稳定的直流功率。带状注行波管是一种具有高功率、宽带宽、高效率、高增益等特点的一类新型真空电子器件，有着广阔的应用前景，但是它面临带状电子注更难聚焦这一挑战。随着工作频率的提高，如0.22thz、0.34thz等，真空电子器件的尺寸减小，所需的带状注电子枪和磁聚焦系统的加工和装配精度要求特别高(微米量级)，这将导致带状电子注的成形与传输更加困难。

在毫米波及太赫兹频段，关于带状注行波管的热测实验鲜有报道，国内外研制成功的两支带状注行波管分别为电子科技大学的ka波段带状注行波管(x.shiet.al.,“theoreticalandexperimentalresearchonanovelsmalltunablepcmsysteminstaggereddoublevanetwt,”ieeetransactionsonelectrondevices,vol.62,no.12,pp.4258-4264,dec.2015.)和美国加州大学戴维斯分校的g波段带状注行波管(a.baigetal.,“performanceofanano-cncmachined220-ghztravelingwavetubeamplifier,”ieeetransactionsonelectrondevices,vol.64,no.5,pp.2390-2397,may2017.)，热测实验结果均有100w功率输出。带状注行波管较难研制的原因之一是适用于带状注行波管的电子光学系统难于实现。电子光学系统由电子枪、磁聚焦系统和收集极组成，行波管所采用的磁聚焦系统一般为均匀磁场聚焦系统或者周期永磁聚焦系统，其作用在于利用磁场提供的聚焦力来平衡电子注的空间电荷力，从而实现带状电子注的稳定传输。因此，解决带状电子注传输的关键在于设计磁聚焦系统。如果采用均匀永磁聚焦带状电子注，形成均匀磁场的永磁体组件相对周期磁场采用的永磁体的体积更大，不利于器件的小型化。另外，由于带状注电子枪的阴极组件的制作和枪的装配等误差均可能导致带状电子注的注腰位置和层流性发生变化。由于带状电子注的截面尺寸发生变化，则注电流密度改变，即空间电荷力发生改变，所需的聚焦磁场应该做相应变化，即磁聚焦系统应该可调。因此，研究一种基于永磁体产生周期会切磁场的带状电子注行波管所用的可调磁聚焦系统，包括磁聚焦系统和磁聚焦系统的装配设计，对高频率、高功率、小型化带状注器件的研制及推动毫米波及太赫兹辐射源的发展具有极其重要的意义。

技术实现要素：

针对背景技术所存在的带状电子注在带状注行波管中较难稳定传输的问题，本发明的目的在于提供一种适用于带状注行波管的新型可调磁聚焦系统。该发明基于永磁体产生周期会切磁场和设计的磁聚焦系统固定装置，使得磁聚焦系统具有一定的可调范围，从而应用于带状注行波管实现带状电子注的稳定传输。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用于带状注行波管的新型可调磁聚焦系统，包括磁聚焦系统和磁聚焦系统固定装置，其特征在于，所述磁聚焦系统包括n个单周期磁体组件和一对极靴，所述单周期磁体组件由两组磁体单元组成，所述磁体单元对称设置，所述一组磁体单元包括两个第一永磁体和两个第二永磁体，所述两个第一永磁体并排设置，所述两组磁体单元中第一永磁体相互排斥，所述两个第二永磁体通过磁性吸引力交错吸附于并排设置的两个第一永磁体表面，且该表面为两组磁体单元中第一永磁体相互排斥面的相对面，所述极靴设置于第一永磁体靠近电子枪一侧；

所述磁聚焦系统固定装置包括第一磁聚焦系统支架、第二磁聚焦系统支架、磁聚焦系统支架条和连接板；所述第一磁聚焦系统支架和第二磁聚焦系统支架均为l型，l型的第一磁聚焦系统支架和第二磁聚焦系统支架的第一侧面结构相同，均设置有通孔，用于放置磁聚焦系统中的第二永磁体；通孔上方设置有圆形螺钉孔，与所述磁聚焦系统支架条上的圆形螺钉孔配合，通过支架条固定单周期磁体组件；所述连接板位于磁聚焦系统支架条上方，连接板上设置有一对圆形螺钉孔和一对u型螺钉孔，其中，圆形螺钉孔与第一磁聚焦系统支架连接固定，u型螺钉孔和第二磁聚焦系统支架连接固定；所述第一磁聚焦系统支架的第二侧面设置有定位块，所述两组磁体单元关于定位块对称，定位块上方用于放置高频结构；所述第二聚焦系统支架的第二侧面通过u型螺钉孔固定连接第一磁聚焦系统支架的第二侧面。

进一步地，所述n为正整数。

进一步地，所述第二磁聚焦系统支架的第一侧面的u型螺钉孔和第二侧面的u型螺钉孔联合用于调节磁聚焦系统中两组磁体单元的间距。

进一步地，所述通孔的高度大于第二永磁体高度，便于调节第二永磁体相对于第一永磁体的位置。

进一步地，所述交错设置的第二永磁体之间的垂直间距为w，当w值由小变大时，带状电子注的宽边由过聚焦由到聚焦不足。

进一步地，所述第一永磁体和第二永磁体的材料均为钕铁硼；所述极靴材料为纯铁；所述磁聚焦系统固定装置材料均为无磁金属。

进一步地，所述无磁金属优选为铝。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明设计的适用于带状注行波管的新型可调磁聚焦系统，通过在第一永磁体1-1的y方向上吸附交错的第二永磁体1-2，从而在带状电子注通道产生by磁场，用以抵消带状电子注在x方向的空间电荷力；并且加载的第二永磁体1-2可以在竖直x方向进行调节，即当交错的两个第二永磁体之间的间距w越大时，产生的by磁场越小，反之越大。

2.本发明所设计的可调磁聚焦系统，相对于其它均匀磁场形式的磁聚焦系统具有小型化、成本低等优点，对高频率、高功率、小型化带状注器件的研制及推动毫米波及太赫兹辐射源的发展具有极其重要的意义。

附图说明

图1为本发明磁聚焦系统整体结构示意图。

图2为本发明磁聚焦系统固定装置示意图。

图3为本发明磁聚焦系统示意图。

图4为本发明的磁聚焦系统单周期结构及磁化方向示意图；

其中，(a)为磁聚焦系统单周期结构(n＝1)示意图；(b)为磁聚焦系统单周期结构y向视图；(c)为磁聚焦系统单周期结构z向视图；(d)为磁聚焦系统单周期结构永磁体磁化方向示意图。

图5为本发明实施例1模拟计算得到的磁聚焦系统轴向磁感应强度沿z轴的分布图。

图6为本发明实施例1中带状电子注在磁聚焦系统作用下的窄边传输轨迹(y-z截面)。

图7为本发明实施例1中带状电子注在磁聚焦系统作用下的宽边传输轨迹(x-z截面)。

图8为本发明实施例2模拟计算得到的磁聚焦系统的轴向磁感应强度沿z轴的分布图。

图9为本发明实施例2中带状电子注在磁聚焦系统作用下的窄边传输轨迹(y-z截面)。

图10为本发明实施例2中带状电子注在磁聚焦系统作用下的宽边传输轨迹(x-z截面)。

图中磁聚焦系统1包括：第一永磁体1-1、第二永磁体1-2和极靴1-3；第一磁聚焦系统支架2包括：矩形通孔2-1和矩形定位块2-2；第二磁聚焦系统支架3包括：矩形通孔3-1、第一u形螺钉孔3-2和第一圆形螺钉孔3-3；磁聚焦系统支架条4包括第二圆形螺钉孔4-1；连接板5包括：第三圆形螺钉孔5-1和第二u形螺钉孔5-2。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本实施方式以g波段带状注行波管电子光学系统为例，说明本发明中的新型可调磁聚焦系统可用于实现带状电子注的稳定传输。本发明中带状注电子枪已在中国发明专利cn201910870119.7作过描述：带状电子注的注腰尺寸约为0.4mm×0.1mm，注电流和阴极发射电流密度分别为130ma和26a/cm²，压缩比为12.5:1，在注腰处的注电流密度为325a/cm²。

实施例1

一种适用于带状注行波管的新型可调磁聚焦系统整体结构示意图如图1所示，包括磁聚焦系统1和磁聚焦系统固定装置；所述磁聚焦系统为周期会切磁场聚焦系统，提供聚焦磁力，用于平衡带状电子注的空间电荷力，使得带状电子注能够稳定传输。

图2为本发明磁聚焦系统固定装置示意图，所述磁聚焦系统固定装置包括第一磁聚焦系统支架2、第二磁聚焦系统支架3、磁聚焦系统支架条4以及连接板5。

所述第一磁聚焦系统支架2和第二磁聚焦系统支架3均为l型，并排设置，所述l型的第一磁聚焦系统支架2和第二磁聚焦系统支架3的第一侧面结构相同，对称设置有上下两排交错的通孔2-1和3-1，用于放置磁聚焦系统中的交错的第二永磁体1-2；通孔上方设置有第一圆形螺钉孔3-3，磁聚焦系统支架条4上设置有第二圆形螺钉孔4-1，所述第一磁聚焦系统支架侧面设置的圆形螺钉孔与同侧磁聚焦系统支架条4设置的第二圆形螺钉孔4-1配合固定单周期磁体组件，防止双排的第一永磁体1-1在沿第一侧面竖直方向(x方向)的移动；所述连接板位5于磁聚焦系统支架条4上方，连接板5上设置有一对第三圆形螺钉孔5-1和一对第二u型螺钉孔5-2，其中，第三圆形螺钉孔5-1与第一磁聚焦系统支架2连接固定，第二u型螺钉孔5-2和第二聚焦系统支架3连接固定；所述第一磁聚焦系统支架2的第二侧面设置有定位块2-2，用于对带状注行波管x方向的定位，两组磁体单元关于定位块对称；所述第二聚焦系统支架3的第二侧面通过第一u型螺钉孔3-2固定连接第一磁聚焦系统支架2的第二侧面；第一u形螺钉孔3-2和第二u形螺钉孔5-2联合用于调节磁聚焦系统双排永磁体1-1的间距d，距离越近，轴向磁场越强。

所述的圆形螺钉孔和u形螺钉孔，适用m2螺钉，如图所示；其中，第一磁聚焦系统支架的第一侧面与第二侧面的连接处的凹槽、两个磁聚焦系统支架第一侧面靠近通孔处的台阶，均为加工工艺限制，与技术方案的实现效果无关。

图3为本发明磁聚焦系统示意图，所述磁聚焦系统包括4个单周期磁体组件和一对极靴1-3，所述单周期磁体组件由两组磁体单元组成，所述磁体单元对称设置，所述磁体单元包括两个第一永磁体1-1和两个第二永磁体1-2，第一永磁体1-1和第二永磁体1-2分别磁化；所述极靴1-3设置于第一永磁体1-1靠近电子枪一侧；该磁聚焦系统可应用于中等功率输出的g波段带状注行波管。

图4为本发明的磁聚焦系统单周期结构及磁化方向示意图。图4(a)为本发明磁聚焦系统一对磁体单元结构示意图，所述磁体单元包括两个第一永磁体1-1和两个第二永磁体1-2，第二永磁体1-2交错吸附于第一永磁体1-1xoy表面；图4(b)为本发明磁聚焦系统单周期结构y向视图；图4(c)为本发明磁聚焦系统单周期结构z向视图；图4(d)为本发明磁聚焦系统单周期结构永磁体磁化方向示意图，箭头指向代表磁钢的n极，且在单周期中加载的交错的第二永磁体1-2与对应加载位置处的第一永磁体1-1的磁化方向相同。

在本实施例中，结构参数设置如下：a＝16mm,b＝2.4mm,c＝1.5mm,d＝2.4mm,e＝4mm,h＝4.8mm,w＝5mm。本实施例中第一永磁体1-1和第二永磁体1-2均采用烧结钕铁硼(sinteredndfeb)磁性材料，相比于钐钴永磁材料，钕铁硼具有更高的磁能积和矫顽力，更好的机械性能，更有利于毫米波及太赫兹频段磁聚焦系统的实现。

为说明本发明的可调磁聚焦系统提供的聚焦磁力能够较好地平衡上述带状电子注的空间电荷力，对带状注电子枪和新型可调磁聚焦系统进行了联合模拟仿真。由三维电磁仿真软件模拟计算，得到如下结果：

当磁聚焦系统的周期n为4时，本发明磁聚焦系统适用于中等增益、中等输出功率的g波段带状注行波管。在本情形中，第一永磁体1-1和交错的第二永磁体1-2位于z＝9.3mm～28.5mm范围内。如图5所示，为本发明模拟计算得到4周期长度的磁聚焦系统的中心位置处轴向磁感应强度bz沿z轴的分布图，bz的周期为4.8mm，绝对值最大时约为0.35t。另外，带状电子注的传输轨迹在yz面(窄边)和xz面(宽边)的截面视图分别如图6和图7所示，带状电子注通过z＝30mm位置处注电流保持不变，这表明带状电子注在传输过程未被管体截获。

实施例2

当磁聚焦系统的周期n为18时，本发明磁聚焦系统适用于高增益、高输出功率的g波段带状注行波管，在本情形中，第一永磁体1-1和交错的第二永磁体1-2位于z＝9.3mm～95.7mm范围内。如图8所示，为本发明模拟计算得到18周期长度的磁聚焦系统的中心位置处轴向磁感应强度bz沿z轴的分布图，bz的周期为4.8mm，绝对值最大时约为0.35t。另外，带状电子注的传输轨迹在yz面(窄边)和xz面(宽边)的截面视图分别如图9和图10所示，从图中看出，带状电子注在大于90mm长度的传输距离下，宽边和窄边方向的电子注波动幅度都很小，这说明所设计的磁聚焦系统产生的周期磁场足够用于电子注窄边的聚焦。因此，该新型可调磁聚焦系统可用于带状电子注的稳定传输。

进一步地研究表明，当w值由小变大，由交错的第二永磁体在带状电子注区域产生的by将由大变小，带状电子注的宽边由过聚焦到聚焦不足，因而本发明可以通过调节交错的第二永磁体的间距w改变带状电子注宽边聚焦所需的磁场by。值得注意的是，本发明中模拟计算的采用带状电子注在磁场区域传输距离大于86mm，带状电子注并没有在传输过程中发生崩溃、剧烈发散，在z＝95.7mm位置处通过的电流与发射电流一致，表明该磁聚焦系统提供的聚焦磁力能够较好地抵消带状电子注自身的空间电荷力，从而避免了带状电子注的发散，这说明所设计的新型可调磁聚焦系统能够对带状电子注进行良好地聚焦，对于高增益、高功率毫米波及太赫兹带状注行波管的研制具有重要的价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。