220GHz回旋管脉冲磁场系统和电子枪的设计与实验研究

　　随着太赫兹技术的迅速发展,回旋管作为目前太赫兹波段功率最高的辐射源受到广泛重视[1-3]。在国际核聚变反应堆计划(ITER)的推动下,110,140和170 GHz等频率的回旋管输出功率已达MW量级,效率大于40%[4-5]。在更高的频率方面,俄罗斯应用物理研究所(IAP)研制的650 GHz回旋管输出功率达40 kW,效率4%[6],日本福井大学研制的300 GHz回旋管连续波输出功率达4 kW,1 THz(二次谐波)回旋管采用21 T脉冲磁场系统输出功率达0.1 kW[7]。磁场系统与电子枪设计是回旋管设计中的关键技术之一,电子枪提供的电子注性能的优劣直接影响到回旋管质量的高低,而磁场的分布又直接关系到电子枪的设计,因此,如何设计磁场系统与电子枪以达到回旋管工作要求是回旋管研制中的重要课题。本文针对电子科技大学220 GHz单腔回旋管[8]设计了其磁场系统与电子枪,并进行了实验研究。

　　1　脉冲磁场设计

　　在回旋管中,电子回旋频率为fc,产生的辐射场的频率f0≈nfc。则电子回旋频率与磁感应强度满足[9]

式中:n是谐波次数;e是电子电量;me是电子静止质量;B(单位T)是磁感应强度;γ是相对论因子。由上式可知,对于基波工作(n=1)的220 GHz回旋管工作磁场需要8 T以上的磁感应强度,永磁体与普通的直流线圈磁场无法达到工作要求,因此,我们采用脉冲磁场。脉冲磁场满足[10]

　　220 GHz回旋管谐振腔长度约为30 mm,谐振腔位于磁感应强度最大的位置处,电子枪位于磁场的漏磁区。普通的回旋管磁场只有一个单线包,但是我们发现按照这种结构设计的磁场电阻与电感较大,在满足谐振腔工作长度的情况下需要极大的充电电压才能达到8 T所需的电流,现有设备很难实现,因此我们提出了图1中的哑铃状结构,使用图1中3,4,5三个主线包延长均匀区长度。这种结构的优点是在延长均匀区长度的同时,增加的电阻与电感不大,在不提高充电电压和电容的情况下能够获得很大的放电电流。缺点是磁场漏磁区较短,磁感应强度下降较快,不利于电子枪的安装与实验。为此我们设置了图1中1和2两个阴极区磁场线包使阴极区的磁场变化较缓,便于实验。表1、表2给出了主要的磁场线包参数。

　　图2表示磁场沿中心轴线(R=0)的分布,其中均匀区(±0.5%)长度约为7 cm。从表2的结果可知该磁场能够产生8 T以上的强磁场,放电时间约为17 ms,由于单次脉冲回旋管的工作脉宽为2μs,因此能满足工作要求。

　　2　电子枪设计

　　能产生回旋电子注的电子枪有许多种类,其中双阳极和单阳极电子枪应用较为广泛。单阳极磁控注入枪没有控制极,只能通过阴极处的磁场调节来改变电子注的横向能量;双阳极磁控注入枪中电子的横向动量可以方便地利用控制极、阳极电压和阴极区的外部磁场进行调整[11]。我们选用双阳极磁控注入枪为220 GHz回旋管提供所需电子注。