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第16卷第7期强激光与粒子束Vol.16,No.7
2004年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2004

文章编号:100124322(2004)0720891204
采用坡度磁场提高同轴腔电子回旋管的效率X

张辉波,张世昌,金践波,邱春蓉,胡莉,梁晓萍

(西南交通大学光电子学研究所,四川成都610031)

摘要:通过选择适当电子初始的横纵向速度比,并引进坡度磁场的方法,来提高同轴腔电子回旋微波
激射器效率。非线性模拟表明,用这种办法可以将德国卡尔斯鲁研究中心研制的同轴腔电子回旋微波激射振
荡器的实验效率,从26.7%提高到31.5%。这种效率放大的物理机制是:坡度磁场改变了相对论电子的运动
条件,有效地改善了波束互作用过程中电子的群聚状态,使电子束有更多的动能转换为电磁能,从而提高了电
子束的换能效率。
关键词:自由电子脉塞;回旋管;同轴腔;坡度磁场;效率
中图分类号:TN128;TN248.6文献标识码:A

电子回旋微波激射器(回旋管)主要用于等离子体加热和高功率微波对物质的改性处理等,要求器件具有
MW级的输出功率[1],此时,腔壁的欧姆热会变得严重。为使欧姆热保持在目前冷却技术所能容许的3～4kW/
cm2水平,须采用大尺寸腔体以便良好散热。然而,大尺寸腔体会使腔内本征模谱变密,造成激烈的多模竞争,
这样一来,势必影响工作模式的稳定运行,使器件性能变坏[2～4]。为解决这一难题,一种有效的办法是采用同
轴腔体,因为在圆柱腔中插入内导体轴后,可以使工作模附近的竞争模谱变稀疏,有利于模式选择,抑制模式竞
争[3～6]。
目前,德国卡尔斯鲁研究中心(FZK)已成功制造出高功率同轴腔毫米波电子回旋微波激射振荡器。我们
对其实验进行模拟,获得了与实验结果比较一致的结果,并进一步分析发现:在实验条件允许的情况下,通过适
当提高电子初始的横纵向速度比并引进坡度磁场,可以有效地提高同轴腔自由电子微波激射器的效率。圆柱
腔电子回旋微波激射器中采用坡度磁场的情况已有文献报道,本文将探讨同轴腔电子回旋微波激射器中采用
坡度磁场的问题。

1数学物理模型
假设电子束为对称的且是薄电子束,从而可以忽略其自身的电磁场。在这些假设下,建立电子束的数理模
型。正规模电磁波具有周期性,每个周期内的电子束与场的相互作用是等效的,因此只需跟踪计算一个周期内
[7]
电子的动力学行为即可。这里,在0～2π/ω之间均匀采样10个点,作为初始化的时间坐标tj;对于横截面

的电子分布,假设电子束为环型且与腔体共轴,初始分布为:在半径为Rc的圆上有40个均匀分布的导引中心,
在每个导引中心的回旋轨道上,均匀分布着20个电子。这样,在模拟中共有8000个采样电子。
相对论电子的运动满足相对论洛伦兹方程

d(γm0ν)
=e[E+ν×(B+B)](1)
dt0

式中:γ,m0,e和ν分别是电子的相对论洛伦兹因子、静质量、电量和速度;E和B是加在电子上的电磁波电

场和磁场,B0是纵向静磁场。从数学角度看,运动方程的解受到初始条件及纵向静磁场B0的影响。因此,我
们提出通过改变初始电子横向速度与纵向速度的比值,并引进坡度静磁场的办法,来加强波束互作用

B0ez,z≤z0
B0(z)=1(2)
B[1+ε(z-z)]e-Bεre,z>z
00z20r0

式中:B0是坡度静磁场的幅值;r为径向上的坐标;ε和z0是坡度的斜率和起始点;er和ez是径向和纵向的单

X收稿日期:2003212203修订日期:2004202220
基金项目:国家自然科学基金资助课题(60071011);教育部科学技术研究重点项目资助课题(01151)
作者简介:张辉波(1979—),男,硕士,主要研究方向为高功率光波、微波源;西南交大50信箱;E2mail:[e-mail]。

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298强激光与粒子束第16卷

位矢。定义电子效率为电子束在换能过程中失去的动能与初始动能的比率
N
ηγ1γγ
=(0-∑i)/(0-1)
Ni=1

式中:γ0为初始相对论能量因子;γi为第i个电子的相对论能量因子;N为采样电子的总数。

2数值模拟及结果分析
在文献[9,10]的基础上,编制了相应模拟软件。表1为FZK公布的实验数据[7,8]。如图1所示,我们对德

国卡尔斯鲁研究中心的TE28,16,1模激射器和TE31,17,1模激射器进行实验模拟,得到的效率分别为22.4%和23.
0%,与实验中实测出的效率27.2%和26.7%基本符合,表明软件的模拟结果是可信的。
表1FZK同轴腔回旋管的参数
Tabl