[发明专利]回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管

说明书

本发明公开了一种回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管。提出了一种电子轨迹逆向追踪法：根据外加引导磁场分布曲线，收集极收集轮廓方程和电子注运动轨迹方程推导出收集密度函数，并建立收集密度函数与收集轮廓、磁场分布之间的关系；通过讨论收集均匀性与外加磁场、收集面积的关系，从而反推出在匀化收集时所需的收集轮廓和磁场分布。由磁场分布可得到电子运动轨迹，并利用该收集轮廓设计出相应的曲面收集极结构，据此，在保证一定功率容量的前提下，实现了收集面积的最大化以及收集的均匀性。一种回旋管收集极，其包括中空的散热结构，散热结构的内部轮廓为根据上述方法设计的收集轮廓。一种回旋管，其包括上述的回旋管收集极。

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管。

背景技术

回旋管是基于电子回旋脉塞的高功率毫米波放大器，由磁控注入电子枪、高频互作用系统、收集极和输出窗等组成，能够在毫米波频率范围内产生高脉冲功率和高平均功率。其中，收集极作为有效收集注波互作用后弹簧的部件，是电真空器件稳定工作的重要保障条件。

设计回旋管收集极结构时，常规方法的设计过程为：在给定引导磁场的情况下，得出电子注的运动轨迹，当收集极的收集轮廓已知时，可以推导出电子注收集密度函数，从而得出收集极对应的功率容量。但利用该方法得到的是非均匀收集，收集极功率容量受限，且收集面积较为集中，导致收集极局部温度过高。在高功率实验中，若收集极工作温度过高，会导致器件真空度下降，进而出现击穿打火现象，若温度进一步提升，将导致收集极溶毁的现象，严重抑制了回旋行波管的整管性能及其工作寿命。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种有效提高回旋行波管收集极收集面积与收集均匀性的回旋管收集极收集轮廓设计方法及回旋管收集极和回旋管。

为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：

在常规方法的基础下，利用逆向思维，提出了一种电子轨迹逆向追踪法，即：根据外加引导磁场分布曲线，收集极收集轮廓方程和电子注运动轨迹方程推导出收集密度函数，并建立出收集密度函数与收集轮廓、磁场分布之间的关系；进一步地，通过讨论收集均匀性与外加磁场、收集面积的关系，从而反推出在匀化收集时所需的收集轮廓和磁场分布。由磁场分布可得到电子运动轨迹，并利用该收集轮廓设计出相应的曲面收集极结构，据此，在保证一定功率容量的前提下，实现了收集面积的最大化以及收集的均匀性。

提供一种回旋管收集极收集轮廓设计方法，包括如下步骤：

(1)根据回旋管收集极的收集总耗散功率P_loss和单位面积收集容量P_s，计算收集面积S；

(2)根据收集面积S，计算收集轮廓曲线r_w(z)：

(2.1)根据收集面积S，计算收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀；

(2.2)根据最优轴向长度L₀，计算收集轮廓曲线r_w(z)：

其中，B(z)为收集极处的轴向磁场，B₀为互作用区磁场，r_l0为互作用区拉莫半径，r′_gmax(z)为引导中心半径r′_g(z)的最大值，r_g0为互作用区引导中心半径；

(3)根据收集轮廓曲线r_w(z)，确定收集轮廓。

进一步地，收集轮廓所对应的最优轴向长度L₀通过以下计算方法得到：