回旋波整流器能量转换区的数值模拟和磁场设计

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1、一360—2008全国频率控制技术年会论文集回旋波整流器能量转换区的数值模拟和磁场设计孙志国(声表公司)摘要分析了电子在能量转换区的运动，列出了电子的运动方程，对电子运动方程进行了数值计算。通过对能量转换区的数值模拟，计算了电子注半径、初始能量比、等不同的参数对能量转换的影响。在电子束半径和回旋半径比为0．25，横向和纵向能量比为2．83，归一化长度为3，C0为-0．15时，转换效率可以达到90％以上。根据数值计算的系数值，进行了磁场的设计。关键词回旋波整流器能量转换区倒向磁场NumericalCalculationStudyandtheMagneticFieldDesigno

2、ftheConversionRegionintheCyclotronWaveConverterSUNZhi-guoBeiJingChangFengSurfaceAcousticWaveCo．AbstractThemotionoftheelectronintheconversionregionhasbeenanalysised．Theequationsoftheelec—tronaregivenandcalculated．Theeffectofthebeamradius，initialenergyratio，thelengthoftheconversionregionandthe

3、magneticfieldistakenintoaccountinthenumericalsimulation．TheefliencyCanreach90％whenthein-tioofthebeamradiustothecyclotronradiusis0．25，theratioofthelongitudinalenergytothetransversalenergyis2．83，theunitarylengthis3，andCOis-0．15．Themagneticfielddesignisgivenoutbasedonthenumericalresult．Keywords

4、CyclotronwaveconverterConversionregionReversedmagneticfield1引言回旋波整流器是一种新型电真空器件[t-2t。它利用电子回旋加速的机理实现微波到直流的转换，具有输出功率大、电压高、效率高等特点，是无线输电技术的关键器件之一。它由电子枪、谐振腔、转换区、收集极组成，是一种特殊的真空管。管内保持高真空，管外有中间倒向的轴向磁场。微波功率注入谐振腔后，在腔的两脊之间产生相当强的横向微波电场。由电子枪发出的笔形电子注以一定初速度注入两脊之间的间隙后，受到轴向磁场与横向微波电场的共同作用，当电子在磁场中的回旋角频率等于微波角频率时

5、，电子受到回旋共振加速，横向能量不断增加，回旋半径不断增大，直至在恰当的时机飞出横向场区。然后绕轴做大回旋运动的电子注进入倒向磁场区，在此区电子受到能量守恒与正则角动量守恒规律的支配，横向回旋能转变为轴向运动的动能，以相当高的轴向速度射人收集极区。在此区电子受到轴向减速场的作用，动能转变为供给负载的电能，同时以较低的速度打在收集极上。这种器件的特点是电子离轴远，磁场不仅有大小的巨变，而且有方向的改变，电极和空间电荷都不是轴对称的。原则上这种器件可以用全电磁3维粒子模拟软件进行仿真计算，但要求网格很细很多，要研究多种因素对器件性能的影响将耗费大量的机时，且不利于真正的深入研究。为

6、此，我们先对互作用区、能量转换区、收集极区分别进行研究掌握规律。最后再用粒子模拟软件进行全器件模拟。本文进行了了能量转换区的研究。2008全国频率控制技术年会论文集-361-2基本方程2．1电子运动方程绕轴做大回旋运动的电子注进入能量转换区后，受到该区的倒向磁场的作用。电磁场中电子的洛仑兹方程为d(mV)／dt=叫饵+VxB)(1)在直角坐标系中，考虑相对论效应时的洛仑兹方程的分量形式为崞=1【(1一吒Ic2)E．-E,v,v,Id一巨匕vI，，+幔一叱E】，1，哆=1【(1一g／c2)弓一E,v,vyIc2一韪蚺，c2+匕盈一峭】打(2)母=1【(1一tIc2)巨-E,v,v

7、．Ic2一M‘Ic2+v二B一■乜】／丫其中是电子质量，是速度，是电场强度，是磁感强度，为荷质比，为相对论因子。2．2磁场的表达式作为近似，静磁场可以采用如下的形式【2lBozS毛糌惨+co+”啪s{石器h磊coz≥乞毛≤z≤乞(3)。G为非对称系数，当它的值从一1变化到+l时，能量转换区的终端磁场值(压砀)可以从一岛变化到R。昂表示谐振腔区(z≤z。)的磁感强度。本文通过变化G来优化磁场，从中找出最佳的磁场形状。2．3磁场的计算回旋波整流器中的沿轴磁场是用分段函数表示，它的优点是可以很方便