相对论磁控管透明阴极的仿真与实验
2kW连续波磁控管设计与仿真
磁控 管 由于具 有 体 积小 、 重量轻、 工 作 电压 低 、
效率 高 、 输 出功 率大和 结构 简单等 优点 ， 已广泛 用 于
雷达 、 导航、 通信 、 工业加热、 医疗 、 食 品工 业 等 多个 领域 。６ Ｏ年代 以来 ， 微波加热在工农业生产、 医疗
ＭＨｚ ， 输 出功 率 大 于 ２ ｋ Ｗ， 最 高 工 作 效 率 大 于
磁 控 管 采用 轴 向 能量 输 出结 构 ， 作 为辐 射 天 线 插 入 激 励 波 导 中进 行 能 量 输 出 ， 阴 极 采 用 直 热 式 螺 旋 形 碳 化 钍 钨 阴极 ， 整 管 体
积小、 重量轻 、 结构紧凑 ， 便 于 安装 和使 用 。 关键词 ： 连续波 ； 磁控管 ； 输 出 功率 ； 阴极 中图分类号 ： Ｔ Ｎ １ ２ ３ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ２ －８ ９ ３ ５ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ ５ 一Ｏ ｌ ｌ ２ 一Ｏ ３
验证设计 方 法的可 行性 。下面列 出设计 过程 中管子
管可 提 供 １ ０ ０ ｋ ｗ 输 出功 率 ， 效率可达 ８ Ｏ ％ 以上 ； ２ ４ ５ ０ ＭＨｚ 连续波 磁控 管 可 提供 ３ ０ ｋ Ｗ 输 出功 率 ， 效率 可达 ７ Ｏ 左 右 。连续 波磁 控管 也在 不 断 向更 高频 率 发展 ， 国外 已成 功 研 制 出 ５ ８ ０ ０ ＭＨｚ ／ ７ ５ ０ Ｗ
ＬＩ Ｈｕ ｉ — ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ，ＹＡＮＧ Ｊ ｉ ｎ — ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ，ＺＨ Ｕ Ｃｈ ｅ ｎ ｇ，Ｈ Ｕ Ｍｉ ｎ ｇ — ｈ ｕ ｉ ， Ｚ Ｈ ＡＯ Ｊ ｉ ｎ ｇ — ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ，Ｌ ＥＩ Ｘｕ ｅ — ｆ ｅ ｎ ｇ
磁控管工作原理
磁控管工作原理磁控管（Magnetron）是一种常用的微波发生器，广泛应用于微波炉、雷达、通信设备等领域。
磁控管通过利用电子束与磁场的相互作用来产生微波辐射。
本文将详细介绍磁控管的工作原理。
1. 引言磁控管是一种电子设备，它利用电子束与磁场的相互作用来产生微波辐射。
其基本结构包括阴极、阳极、磁场系统和腔体。
阴极发射电子束，经过磁场的聚束和调制，最终在腔体中产生微波辐射。
2. 阴极发射电子束磁控管的阴极是一个发射电子的热阴极。
当阴极受到加热时，电子从阴极表面发射出来，形成电子云。
这些电子具有一定的动能，进入磁场区域。
3. 磁场系统磁控管的磁场系统由永磁体或者电磁体组成。
磁场的作用是将电子束聚焦到阳极上，并使电子在磁场中做螺旋运动。
4. 电子束的聚焦和调制电子束在磁场中受到洛伦兹力的作用，使得电子束在垂直于磁场方向的平面上做螺旋运动。
同时，通过调节磁场的强度和方向，可以实现对电子束的聚焦和调制。
5. 微波辐射的产生当电子束通过腔体时，由于电子与腔体之间的相互作用，电子的动能转化为微波辐射的能量。
这种能量转化是通过电子与腔体中的电磁场相互作用产生的。
6. 腔体结构磁控管的腔体通常采用共振腔体结构，包括谐振腔和耦合装置。
谐振腔是一个封闭的空腔，其尺寸和形状决定了微波辐射的频率。
耦合装置用于将微波辐射从腔体中传出。
7. 工作频率调节通过调节磁场的强度和方向，可以改变电子束在腔体中的运动轨迹，从而改变微波辐射的频率。
这样就可以实现对磁控管的工作频率进行调节。
8. 总结磁控管是一种利用电子束与磁场相互作用产生微波辐射的设备。
其工作原理包括阴极发射电子束、磁场系统、电子束的聚焦和调制、微波辐射的产生等过程。
磁控管的工作频率可以通过调节磁场的强度和方向来实现。
磁控管在微波炉、雷达、通信设备等领域有着广泛的应用。
以上是关于磁控管工作原理的详细介绍，希翼对您有所匡助。
如果还有任何问题，请随时向我提问。
相对论磁控管的实验研究
3国家863激光技术领域资助课题。
1996年9月17日收到原稿,1997年10月27日收到修改稿。
李家胤,男,1944年12月出生,教授。
相对论磁控管的实验研究李家胤 熊祥正 杨梓强 周晓岚 胡绍湘张 冰 马文多 李 慎 李明光 梁 正 刘盛纲 (电子科技大学高能所,强辐射重点实验室 610054) 摘要 简要分析了相3对论磁控管的主要特点与问题,编制了谐振系统数值计算程序,通过数值计算与冷测,对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究,清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。
制作了A 6型相对论磁控管并进行了热测实验,研究了输出功率与工作磁场的关系,经过大量优化工作,在S 波段获得了380MW 的微波辐射。
关键词 相对论磁控管 数值计算 高功率微波 相对论磁控管是一种重要的高功率微波器件。
由于它结构简单、牢固、工作可靠性高,具有高功率与重复脉冲工作的潜力,同时也具有多管锁相工作,合成更大功率的可能性,因而受到了以应用为主要目标的科技工作者的高度重视。
美国、俄罗斯、英国和其它国家的科学家们对相对论磁控管进行了长期的研究。
取得了一系列引人注目的成果。
最值得注意的有三个方面:一是实现了重复频率高平均功率工作。
如L 波段相对论磁控管在电压为750kV 、束流为10kA 、脉宽为60n s 的条件下,当重复频率为100H z 时P ^=1.0G W ,P -=4.4k W ,峰值效率达13%,能量效率为9.8%;当重复频率为250H z 时,P ^=600MW ,P -=6.3k W ,峰值效率达8%,能量效率为5.6%。
如此高的平均功率是其它器件尚未达到的。
二是实现了四只和七只相对论磁控管的相位互锁,显示了用多个源产生相干振荡的潜力。
三是实现了宽范围的调频,调频范围达33%,重复频率达100H z ,输出功率达400～600MW ,这些进展有可能使相对论磁控管成为最先获得实际应用的高功率微波源之一。
可调谐相对论磁控管的实验研究
摘 要 ： 实验研究 了高有 载品质因数下有无 阳极端 帽时调谐性 能的差 异 ， 以及低有载 品质因数下 ， 没有 阳极端帽时的可调谐相对论磁控管性能 。研究结果表 明： 没有阳极端帽时 ， 可调谐相对论磁控管具有更宽 的调
关键词 ： 高功率微波 ｝ 相对论磁控管 ； 可调谐 ； 尾蚀
中 田 分 类 号 ： Ｔ ２ Ｎ１８ 文献标识码 ： Ａ
可调谐 性 是相 对论 磁控 管（ｅａｉｉ ｉ ｍａ ｎ ｔｏ ， Ｍ） 展 的重 要 方 向之 一 ， ｒｌｔ ｓ ｃ ｇ ｅｒｎ Ｒ 发 ｖ ｔ 在某 些 领 域 ， 效应 或 对 抗 如 上有 重要 的应 用价值 １ ９ 年 ， 国 Ｐ 公 司报 道 了他们 发展 了一 系列 的可 调 谐相 对论 磁 控 管［ ， ９６ 美 Ｉ １ 可覆 盖 频 率 ］ １ ～３ＧＨｚ 的范 围 ， 磁控 管调谐 范 围大 于 ３ ， 用 脉 冲串工 作形式 可以达 到 １０ Ｈｚ 复频 率工 作 １ ， 率 ３ 采 ０ 重 ０Ｓ 功
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第 ｌ ８卷
第 ５ 期
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｈ Ｐ Ｉ Ｇ ＯＷ ＥＲ Ｌ Ｓ Ａ ＥＲ ＡＮＤ ＡＲＴＩ Ｐ ＣＬＥ Ｂ ＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ６ １１ ， ．
Ｍａ ２ ６ ｙ， ００
谐范围 ； 高有 载品质 因数下 ， 在 可以达到 ２ ５ ～３ ３ ． ２ ． １ＧＨｚ 的调谐范 围 ． 出功率 范 围为 ４ ～７ ０Ｍｗ； 输 ４ ９ 低有载
品质因数下 ． 调谐范围为 ２ ５ ～３ ０ ． ５ ． ５ＧＨＺ 调谐范 围内输 出功率 １ ＿ Ｗ 。 ， ～ｌ７Ｇ
相对论全腔轴向提取磁控管阳极释气数值模拟研究
高，也是综合这些因素来考虑的。
释气分子在计算区间自由运动，分子热运动速度在 1000 m/s 量级，100 ns 量级计算时间内，气体分子扩散在
1 mm 以内，释气气体基本就在阳极附近沉积。电子、二次电子或者正离子与气体分子碰撞电离，产生正离子和
二次电子。
N2 + e → N+2 + 2e N2 + N+2 → 2N+2 + e
渐变输出结构的透明阴极磁控管 （ [2-3] TCMDO），虽然它结合了当前磁控管的两大技术突破，提高了相对论磁控 管的效率，输出结构更简单，方便提取，同时可以方便选择磁控管的工作模式等特点。但是由于渐变输出口较大， 如果用外加电磁场，所需要加工的线圈尺寸过大。
Greenwood 和 Hoff 等[4] 提出了一种全腔提取结构的相对论磁控管（MAC），提取方案就是磁场上将微波能由工 作的 π 模的圆柱磁控管的两个相邻腔体耦合进一个相邻的波导，然后由扇形波导传输出去。在这个基础上本研究 用透明阴极技术取代了原来普通阴极，这样就构成了全腔提取结构透明阴极相对论磁控管（TCMAC）[5]。
波导。对于这种波导，最低阶的是 TE10 模式，为了保证能激励起最低阶的 TE10 模式，耦合间隙要放在腔的中央，两 两相对排在输出口波导中心的两边。
Fig. 1 Schematic of all cavity axial extraction relativisitic magnetron 图 1 相对论磁控管全腔提取结构示意图
Key words： all cavity axial extraction magnetron； out gassing； electron impact excitation； ionization
相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究
明阴极的引入，使工作电子的轮辐扩张，轮辐边界更加接近阳极，有利于与慢波结构的互作用。 如图 3 所示，在三种阴极外表面处设置参考线，以评估阴极外侧区域的静电场分布规律。 可见阴极外表面附近处的静电场角向分量具有明显的周期性，如图 4 所示，透明阴极的静电场角向分量的强
度明显高于实心阴极。在轴向的约束磁场和透明阴极表面角向静电场分量的共同作用下，工作电子将在指向径向 外侧的洛伦兹力的作用下加速漂移，与实心阴极的工作过程相比，透明阴极额外增加的洛伦兹力加速了振荡建立 过程。以本次仿真为例，三单元透明阴极和六单元透明阴极的静电场角向分量周期变化规律在细节上存在差异。 三单元透明阴极的角向电场强度沿参考线的分布，每个周期由一段近似的反正弦曲线和三段特定斜率的线性轨迹 组合而成，六单元透明阴极的每个周期由斜率更加平直的线性轨迹组合而成。静电场角向分量沿阴极表面参考线 的线性变化，和在特定区间表现出来的对称性，与非线性的反正弦曲线相比，洛伦兹力对工作电子的加速效果更为 高效。
摘 要： 透明阴极技术对相对论磁控管振荡启动过程具有显著影响，但其加速启动过程的作用机理仍有
待深入研究。对采用扇形单元透明阴极的 L 波段相对论磁控管进行数值模拟，分析了场分布模式和带电粒子
空间运动规律，发现透明阴极与实心阴极在磁控管振荡启动过程的差异。可见透明阴极带来的静电场角向分
量与外加轴向磁场引起的洛伦兹力，对初始工7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
·先进磁控管技术专题·
*
相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究
周 豪， 蔡伟鸿， 王姣银， 李天明
全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升
* 收稿日期：2021-03-20； 修订日期：2021-05-11 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 11875094） 作者简介：杨温渊（1973—），女，博士，研究员，主要从事高功率微波技术和等离子体物理研究。
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
“先进磁控管技术”专题
出版前言
磁控管是利用电子在正交电场和磁场中做漂移运动的原理而将电子束能量转换为微波能量的 一种真空电子器件。由于磁控管具有体积小重量轻、功率转换效率高、频率调谐能力强、便于永 磁包装等优点，因此在雷达与通讯、电子对抗、电子加速器、工农业生产、微波加热、医学等领 域具有广泛的应用前景。
相对论磁控管是普通磁控管向高电压、大电流方向的延伸，是随着脉冲功率技术和相对论电 子学以及等离子体物理的发展而发展起来的。1976 年美国麻省理工学院研制了第一支相对论磁控 管，获得了 900 MW 的输出功率，引起了各国学者的极大兴趣。特别是以美国、俄罗斯为主的发 达国家，为相对论磁控管在功率、效率、频率、重频、脉宽、调谐、锁相等方面的发展做出了重 大贡献。我国的相对论磁控管研究工作始于 20 世纪 90 年代，主要研究单位有中国工程物理研究 院、电子科技大学和国防科技大学等单位，目前已在功率效率、模式控制、频率调谐、永磁包 装、轻小型化、硬管化、长寿命等方面实现了关键技术的突破，部分研究指标达到国际先进水 平，为深度挖掘相对论磁控管性能潜力，全面提升相对论磁控管综合竞争力，加速实现相对论磁 控管成熟化应用奠定了良好基础。
L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究
强 激 光 与 粒 子 束
连续运行时间达 min 级以上的高功率微波源少见报道。 中国工程物理研究院应用电子学研究所研制 L 波段相对论磁控管已经有几年的历史，所研制的 L 波段衍射输
出相对论磁控管[16] 输出功率从最初数百 MW 提升到超过 1.5 GW，转换效率大于 30%。为了提高该衍射输出相对 论磁控管实用化水平，开展了相对论磁控管长时间稳定运行实验研究，在 GW 级输出条件下实现了超过 55 min 的 长时间稳定运行。
Experimental investigation of L-band relativistic magnetron at long-term steady operation
Qin Fen1， Zhang Yong1， Ju Bingquan1， Lu Wei1， Xu Sha1， Wu Zhaoyang1， Ding Enyan1， Lei Lurong1， Zhang Xinkai1， Fang Xianghe2， Yang Zhoubing1， Wang Dong1
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
·先进磁控管技术专题·
*
L 波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究
秦 奋1， 张 勇1， 鞠炳全1， 陆 巍1， 徐 莎1， 吴朝阳1， 丁恩燕1， 雷禄容1， 张新凯1， 方翔鹤2， 杨周炳1， 王 冬1
图 1 L 波段衍射输出相对论磁控管结构示意图
系 统 工 作 原 理 ： Marx 产 生 的 高 压 电 脉 冲 驱 动 衍 射 输 出 相对论磁控管阴极发射强流电子束，电子束在混合引导磁体 所加磁场及阴阳极间高压电场共同作用下产生 E×B 漂移， 电子在漂移过程中与阳极谐振腔 π 模高频场相互作用，将势 能转换为高频场能量；与阳极块相连的衍射输出结构将阳极 区域产生的高频场能量以 TE31 模式沿轴向提取到输出波导 后经过喇叭天线辐射到空间区域。
磁控管工作原理
磁控管工作原理磁控管是一种利用磁场控制电子束流的真空电子器件。
它由阴极、阳极和磁聚束系统组成。
磁控管的工作原理是通过施加磁场来控制电子束流的方向和聚束效果，从而实现对电子束流的精确操控。
首先，让我们来了解磁控管的组成部份。
1. 阴极：阴极是磁控管中的电子发射源，它通过加热或者光照等方式激发电子的发射。
阴极发射的电子形成电子束流，向阳极方向运动。
2. 阳极：阳极是磁控管中的电子采集极，它接收电子束流并进行电子能量的转化。
阳极通常由金属材料制成，能够有效吸收电子束流的能量。
3. 磁聚束系统：磁聚束系统由磁铁和磁场控制装置组成，用于产生磁场并控制磁场的强度和方向。
磁场的作用是使电子束流聚束成较为集中的束流，从而提高电子束流的精度和效率。
接下来，我们将详细介绍磁控管的工作原理。
1. 电子发射：当阴极受到适当的激励（如加热或者光照）时，它会释放出电子。
这些电子被称为热电子，它们具有一定的能量和速度。
2. 磁场产生：磁控管通过磁铁产生磁场。
磁铁通常位于磁控管的周围，可以产生一个较强的磁场。
3. 磁场控制：磁场控制装置用于调节磁场的强度和方向。
通过调节磁场的强度和方向，可以控制电子束流的运动轨迹和聚束效果。
4. 磁场对电子束流的影响：磁场对电子束流的运动产生力的作用。
根据洛伦兹力的原理，在磁场中运动的电子束流会受到一个垂直于磁场和电子速度方向的力，这个力被称为洛伦兹力。
洛伦兹力使得电子束流偏离原来的直线轨迹，并形成一个环绕磁场的螺旋轨迹。
5. 磁场调节：通过调节磁场的强度和方向，可以控制洛伦兹力的大小和方向。
通过适当的调节，可以使电子束流的运动轨迹变直，从而实现对电子束流的精确操控。
总结起来，磁控管的工作原理是通过施加磁场来控制电子束流的方向和聚束效果。
磁场对电子束流的运动产生力的作用，使得电子束流偏离原来的直线轨迹，并形成一个环绕磁场的螺旋轨迹。
通过调节磁场的强度和方向，可以控制洛伦兹力的大小和方向，从而实现对电子束流的精确操控。
磁控管工作原理
磁控管工作原理
磁控管，也被称为磁控阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT），是一种广泛应用于电视、计算机显示器等设备中的显示技术。
它利用电子束在真空管内的运动来产生图象。
磁控管的工作原理可以分为电子发射、电子加速、电子偏转和荧光屏显示四个主要过程。
1. 电子发射
磁控管内部有一个阴极，通过加热阴极，使其发射出大量的自由电子。
这个过程称为热电子发射。
发射出的电子被称为电子束。
2. 电子加速
磁控管内部有一个阳极，通过施加高电压，使电子束加速。
电子束在加速过程中获得了足够的能量，以便在后续的过程中能够击中荧光屏上的像素点。
3. 电子偏转
磁控管内部有一对电子偏转板，通过施加不同的电压，可以控制电子束的水平和垂直方向的偏转。
这样就可以控制电子束的位置，从而在荧光屏上显示出不同的图象。
4. 荧光屏显示
荧光屏位于磁控管的前端，由许多小的像素点组成。
当电子束击中荧光屏上的像素点时，会激发荧光屏上的荧光物质发光。
不同的像素点被激发后，会显示出不同的颜色和亮度，从而形成图象。
总结：
磁控管工作原理是通过电子发射、电子加速、电子偏转和荧光屏显示四个主要过程来实现图象显示。
首先，阴极发射出电子束，然后电子束被加速，获得足够的
能量。
接下来，通过控制电子偏转板的电压，控制电子束的位置。
最后，电子束击中荧光屏上的像素点，激发荧光物质发光，形成图象。
这种工作原理使得磁控管成为了一种重要的显示技术。
磁控管工作原理
磁控管工作原理磁控管（Magnetron）是一种常用的微波发生器，广泛应用于微波炉、雷达、通信设备等领域。
它利用磁场和电场的相互作用，实现微波的产生和放大。
下面将详细介绍磁控管的工作原理。
1. 磁控管的结构磁控管由阴极、阳极、螺旋线和磁场组成。
阴极是一个发射电子的热阴极，阳极是一个具有共振腔的金属结构，螺旋线是连接阴极和阳极的导线，磁场则通过磁铁产生。
2. 工作原理磁控管的工作原理基于电子的发射、聚束和振荡过程。
2.1 阴极发射电子当磁控管通电时，阴极受热，电子从阴极表面发射出来。
这些发射的电子称为电子束。
2.2 电子束的聚束电子束经过螺旋线时，受到螺旋线产生的磁场和阳极电场的作用，电子束被聚束到阳极的共振腔中。
磁场的作用是使电子束绕着螺旋线旋转，而阳极电场的作用则是加速电子束。
2.3 电子的振荡在共振腔中，电子束与共振腔中的微波场相互作用，电子束受到微波场的驱动，电子的动能转化为微波的能量。
这样，微波信号就从磁控管中输出。
3. 磁控管的特性磁控管具有以下几个特性：3.1 高功率输出磁控管能够输出高功率的微波信号，这使得它在雷达和通信设备等领域得到广泛应用。
3.2 高效率磁控管具有高效率的特点，能够将电子束转化为微波能量。
3.3 频率稳定性磁控管具有较好的频率稳定性，能够在一定范围内保持稳定的工作频率。
3.4 宽带性能磁控管具有较宽的工作频率范围，能够满足不同应用场景的需求。
4. 应用领域磁控管广泛应用于以下领域：4.1 微波炉磁控管是微波炉的核心部件，通过产生微波能量，使食物加热。
4.2 雷达磁控管在雷达系统中用于产生和放大微波信号，实现目标探测和跟踪。
4.3 通信设备磁控管在通信设备中用于产生和放大微波信号，实现信号传输和接收。
4.4 医学设备磁控管在医学设备中用于产生和放大微波信号，如医学成像设备等。
总结：磁控管是一种利用磁场和电场相互作用产生和放大微波信号的器件。
它通过阴极发射电子，经过螺旋线的聚束和共振腔中的振荡，将电子的动能转化为微波的能量。
L波段相对论磁控管的初步试验
L波段相对论磁控管的初步试验
刘则阳;樊玉伟;徐浩东;荀涛;高景明;杨汉武
【期刊名称】《真空电子技术》
【年(卷),期】2022()3
【摘要】相对论磁控管具有高功率、高效率、运行稳定、低磁场、结构紧凑、适
于永磁包装等优点,是高功率微波源研究的热点之一。
在前期研究中,国防科技大学
提出了一个具有全腔提取结构的L波段高效率相对论磁控管,本文介绍了其初步的
实验进展。
实验结果显示,在二极管电压为491 kV、电流为5.5 kA及磁场为0.25 T的条件下,其输出微波功率为0.82 GW,微波频率为1.49 GHz,功率转换效率为30.4%。
实验结果为进一步优化仿真、提高技术性能及推进应用打下了良好的基础。
【总页数】4页(P23-26)
【作者】刘则阳;樊玉伟;徐浩东;荀涛;高景明;杨汉武
【作者单位】国防科技大学前沿交叉学科学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN123
【相关文献】
1.L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计
2.S波段可调谐相对论磁控管的初步
设计3.高效率L波段相对论磁控管的研究4.L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究5.阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升
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相对论磁控管中自磁场的影响
相对论磁控管中自磁场的影响相对论磁控管是一种利用相对论效应来产生和控制电子束的设备，它在科学研究和工业生产中具有广泛的应用。
然而，在这种管中，自磁场的影响是不可避免的，并对管内电子束的运动轨迹产生一定的影响。
本文将从不同角度探讨相对论磁控管中自磁场的影响，并分析其对管内电子束的影响。
我们来介绍一下相对论磁控管的基本原理。
相对论磁控管利用磁场对电子束进行聚束和偏转，从而控制电子束的运动轨迹。
在磁控管中，电子束受到磁场的力作用，由于电子的质量和速度之间存在相对论关系，因此电子束在磁场中运动时会产生自磁场。
自磁场的主要影响体现在两个方面：一是自磁场对电子束的聚束效果产生影响，二是自磁场对电子束的运动轨迹产生偏移。
首先，我们来看自磁场对电子束的聚束效果的影响。
自磁场对电子束的聚束效果有两个方面的影响。
一方面，自磁场可以增强电子束的聚束效果，使电子束在磁场中的运动更加稳定。
另一方面，自磁场也会对电子束的聚束产生一定的限制，使电子束的聚束效果不再完美。
这是因为自磁场会产生一个与电子束方向相反的磁场，从而与外部磁场相互作用，影响电子束的运动轨迹。
我们来探讨自磁场对电子束的运动轨迹的影响。
自磁场的存在会导致电子束的运动轨迹发生偏移。
这是因为自磁场对电子束的运动产生的力会使电子束发生曲线运动，从而使电子束的运动轨迹发生偏移。
此外，自磁场的存在还会影响电子束的速度分布，使电子束的速度不再均匀，从而进一步改变电子束的运动轨迹。
为了减小自磁场对电子束的影响，科学家们提出了一些解决方案。
一种常见的方法是通过改变磁场的分布，使自磁场的影响尽可能小。
另一种方法是通过增加聚束力，使自磁场的影响得到抵消。
此外，还可以通过增加磁场强度和改变电子束的能量分布等方式来降低自磁场对电子束的影响。
相对论磁控管中自磁场的影响是不可避免的，并对管内电子束的运动轨迹产生一定的影响。
自磁场既会对电子束的聚束效果产生影响，又会使电子束的运动轨迹发生偏移。
磁控管的工作原理
磁控管的工作原理概述磁控管（Magnetron）是一种利用外加磁场控制电子束的真空电子器件，广泛应用于微波技术、雷达、医疗设备等领域。
它利用交变磁场和静态磁场的共同作用，产生高速旋转的电子束，并将能量转换为微波辐射。
下面将详细介绍磁控管的工作原理。
基本结构磁控管主要由阳极（Anode）、阴极（Cathode）、磁场结构、中间电极（Resonator）等组成。
•阳极：阳极是磁控管的输出电极，它具有一个或多个开口，将微波辐射引出。
•阴极：阴极是磁控管的主要加热极，通过加热使其发射电子。
•磁场结构：磁场结构包括磁铁和聚束磁路，用于产生均匀且适量的磁场，使电子能够在中间电极与阳极之间移动。
•中间电极：中间电极作为储能器，起到储存能量的作用。
工作原理磁控管的工作原理是通过外加磁场对阴极发射的电子束进行控制，实现电子加速和能量转换。
1.阳极引出能量：当阴极受到加热时，发射大量的电子。
这些电子由阴极发射并经过中间电极，在磁场的作用下形成高速旋转的电子束。
2.电子受到磁场迫偏转：由于磁场的存在，电子受到洛伦兹力的作用，被偏转成螺旋状轨道。
磁场的方向垂直于电子轨道平面，使电子束不断旋转并且射出。
3.谐振器与腔体：电子束通过中间电极射入谐振器，而谐振器是一个具有固定频率的空腔，它通过共振将电子束转换为微波辐射。
4.谐振器的能量耗散：谐振器中的微波能量与电子束频率一致，这种共振会导致微波在谐振器中不断积累，直到达到一定的能量耗散。
5.微波辐射输出：当谐振器内的微波能量达到一定程度时，能量将从谐振器中的开口辐射出来，形成高频率的微波辐射。
与磁控管工作相关的物理效应磁控管的工作与以下几个物理效应密切相关：阴极发射效应什么是阴极发射效应呢？热阴极由典型的光电效应、热电发射效应和场致发射效应组成。
光电效应是指光子将电子从金属中解离出来；热电发射效应是电子通过热方式获得足够的能量，从而跨越电子势垒；场致发射效应是电子通过在电场中引入电子，而从金属表面发射出来。
磁控管法测电子荷质比
一、实验目的
• 研究电子在径向电子场和轴向磁场作 用下的运动。 • 用磁控管法测电子的荷质比
二、实验原理
真空二极管（磁控 管）：装在长螺线管 （通电流）中； 阴极（钨灯丝）： 发射电子 阳极：圆筒
加直流电压（阳极电压）
轴向磁场B 轴对称的径向电场E
+
两复合场 电子作曲线运动：从阴极到阳极
常数
阳极电压
Ic为阳极电流刚好 截止（=0）时的励 磁电流，叫临界励 磁电流。（记 住！！）
怎么求临界励磁电流？
思考此图什么意义？ 出现情况： 1、阳极电流突变为0； 2、阳极电流渐变为0（阳 极装配误差）
问：我们要图中哪个值？ IC 或Ib？
三、实验步骤
• 测不同阳极电压（板压）下的临界励 磁电流 • 具体见讲义，让同学讲解
四、数据处理
• 求子运动与圆筒阳极相切时，电子返回 不能到达阳极，此时（B=临界磁场Bc)， 阳极电流会急剧下降。阳极电流刚好截止 （=0）时满足的条件为磁控条件。
阳极电压（板压）V=？易求，可控制 b为二极管圆筒阳极半径
关键求临界磁场Bc=？
Bc是否可以转换为临界励磁电流呢？
可得
通过磁场与电流的关系得到：
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Ｆｉ ． Ｐｈ ｔ ｓ ｏ ｏ ｘ ａ ｎ ｒ ｎ ｐ ｒ ｎ ａ ｈ ｅ ｇ１ ｏ ｏ ｆ ｃ ａ ｉ ｌａ ｄ ｔ ａ ｓ ａ ｅ ｔ ｃ ｔ ｏｄ ｓ
图 １ 两 种 阴极 结 构
能够加 速 电子 群 聚 ， 缩短 ＲＭ 起 振 时 间 ， 利 于 电子 轮 辐 的快 速 形 成 和 稳定 工作 ， Ｒ 稳 定工 作 在 兀模 状 也 使 Ｍ
第２ ３卷 第 １ 期 １
２１ ０ １年 １ １月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ Ｓ ＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． ３，Ｎｏ． １ １２ １
Ｎ ＯＶ ．。 ２ １１ ０
文 章 编 号 ： １ ０ —３ ２ ２ １ ） １３ ３ — ４ ０ １４ ２ （ ０ １ １ － ０ ９０
关 键 词 ： 相 对 论 磁 控管 ； 透 明 阴 极 ； 有 限 差 分 ； 中 图分 类号 ： 文 献 标 志码 ： Ａ 模
ｄｉ１． ７ ８ ＨＰ Ｐ ２ １ ２ １． ０ ９ ｏ：０ ３ ８ ／ Ｌ Ｂ Ｏ １３ １３ ３
阴极 是相 对论 磁控 管 （ Ｍ） Ｒ 的重 要 组成 部 分 ， 性 能对 ＲＭ 的整体 性 能 影 响 巨大 。 同轴 型 阴极 结构 是 最 其 早 应用 于 ＲＭ 的阴极 ， 取得 了较 好 的效果 。对 脉 冲功率 源 而 言 ， 冲 宽度 和效 率 是学 者 们最 为关 心 的问题 。 脉 ］ 受 脉 冲 电源 的脉宽 限制 ， 缩短 起振 时 间是增 加 脉宽 的唯 一可 行 方法 。人 们 试 图从 各个 方 向努 力 以缩 短 Ｒ 起 Ｍ 振 时 间 。理论研 究 表 明 ， 相对 于传 统 的 同轴 阴极 ， 明 阴极 能 加 速 电子 群 聚 ， 著缩 短起 振 时 间从 而 增加 Ｒ 透 显 Ｍ 输 出脉 宽 ， 时能 提 高 ＲＭ 的整 体 效 率 ］ 同 。近 年 来 ， 明 阴极 的研 究逐 渐 兴 起 。美 国新 墨西 哥 大 学 的 Ｆ ｋ 透 ｕｓ 小 组进 行 了较 为完备 的研 究 ＿ ， ３ ０ ｋ ２ 模 式下 ， 得 了 ０ ５ ． ６ 在 ５ Ｖ， ］ ７ ｃ 获 ． ～０ ６ＧＷ 的功 率 ， 率达 到 １ 。 阴阳极 效 ２， ９ ６ 之 间 的直流 高压 ， 使得 这 种 阴极 发 射 区附近 存在 一个 角 向 电场 ， 电子从不 连续 的 区域发射 出来 ， 形成 角 向漂移 ，
进 行 仿 真 和 实 验 研 究 。经 仿 真 优 化 ， 计 并 制 作 了 一 支 ３ 带 的 透 明 阴 极 。粒 子模 拟 结 果 表 明 ， 相 同 条 件 下 设 个 在
透 明 阴极 比 同 轴 阴 极 电 子 群 聚 时 间 大 大 缩 短 ， 振 时 间 大 幅 减 小 ， 管 效率 提 高 约 １ ， 出 微 波 频 谱 更 纯 ， 起 整 倍 输 模
态。
２ 透 明 阴 极 的 仿 真 分 析
透 明 阴极仿 真模 型 阴极半 径 为 １ ２ｍｍ， 根 发 射体采 用 半径 为 ４ｍｍ、 为 １ 的圆柱体 ， ３ 长 ８ｍｍ ３根发射 体共 圆 、 弧度排 列 。发射 体 材料设 定 为黄 铜 。阴极 的轴 向中心与 阳极 腔 的轴 向中心重 合 。 等
相对 论磁 控 管 透 明 阴极 的仿 真 与 实验
苏 黎， 李天 明， 李家胤
（ 电子 科 技 大 学 物理 电 子学 院 ，国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 强 辐射 重 点实 验 室 ，成 都 ６ ０ ５ ） １０ ４
摘
要 ： 基 于 一 个 ６ 异 腔 结 构 相 对论 磁 控 管 ， 用 粒 子 模 拟仿 真 软 件 ， 同轴 阴极 和 透 明 阴 极 的特 性 腔 运 对
透 明阴极 是在 同轴 型 阴极 结 构 的基 础 上 将一 个
（） ｏ ｘａ ｃ ｔｏ ｅ ａ ｃ ａ ｉｌ ａ ｄ ｈ （） ｒｎｐ ｒｎ ｔｏ ｅ ｂ ｔ ｓ ａｅ ｔ ａ ｄ ａ ｃｈ
电子 发射 整体 分离 成若 干 个 共 圆 的小 圆柱发 射 体 ， 种结 构 的变 化 导 致 阴极 表 面 的 电子 受 到 这 静 态 电场 的作 用 ， 生 电 子 的预 群 聚 效应 ， 产 以此
产 生 电子 的预群 聚现 象 ， 能够 与高 频场 （ Ｆ 迅 速互 作用 ， Ｒ ） 缩短 了起 振 时间 ， 改善 了输 出特 性 。本 文 对透 明阴极 进行 了仿真 优化 研究 并加 工 了透 明 阴极 实物 进行 了相 应 的实验 研究 ， 同轴 阴极进 行 了对 比研 究 ， 真结果 与 与 仿 实 验结 果符合 得 很好 。
１ 物 理 模 型
图 １给 出 了 两 种 阴 极 结 构 的 实 物 照 片 。 （） 同轴 阴极 。同 轴 阴 极 一 般 为 一 实 心 圆 柱 ａ为 金属 或石 墨 ， 时为 了增 加 发射 性 能 ， 对 阴极 有 会 表面做一 些处理 ， 其 外形轮 廓为一 圆柱形 。 但 同轴 阴极 是 最 早 应 用 于相 对 论 磁 控 管 的 阴极 ， 同 时也是 最 常用 的 阴极 ， 它具 有 结 构 简单 、 工作 稳 定 等 优 点 。（ ） 透 明 阴 极 （ 根 金 属 条 ） ｂ为 三 。
＊ 收 稿 日期 ：０ １Ｏ ：０ １１—３ ２ １ －０１
式 竞 争 更 小 。实 验 结 果 表 明 ， 同条 件 下 ， 用 透 明 阴极 所 得 到 的 微 波 脉 宽 较 宽 ， Ｓ波 段 获 得 ７ １Ｍｗ 的微 相 应 在 ２
波 功 率 输 出 。说 明应 用 透 明 阴 极 能 缩 短 相 对 论 磁 控 管 起 振 时 间 ， 粒 子 模 拟 结 果 相 符 。 与