阅读说明：本技术 单列多电子束太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统 (Mixed period permanent magnet focusing system of single-row multi-electron-beam terahertz radiation source ) 是由 张开春 赵小艳 胡锦程 郭思豆 熊能 徐望炬 刘頔威 胡旻 于 2021-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种单列多电子束太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统,该聚焦系统采用横向磁化周期永磁系统和纵向磁化周期永磁系统相结合的方式进行设计的,包括两组周期永磁组件和一组周期极靴组件。分布于电子通道的宽边两侧的锥体永磁体组成横向磁化周期永磁系统,而环绕在电子通道上的矩形环状永磁体组成纵向磁化周期永磁系统,二者分别主要在x和y方向上对电子注进行聚束,将这两者聚焦系统相结合即可在x和y方向上均对电子实现聚束,从而实现了单列多电子束的稳定传输,解决了单列多电子束在阳极电子通道中传输时由于电子注发散而造成的电子注传输不稳定的问题,提高注-波互作用的效率和整个器件的性能。(The invention provides a mixed period permanent magnet focusing system of a single-column multi-electron-beam terahertz radiation source, which is designed in a mode of combining a transverse magnetization period permanent magnet system and a longitudinal magnetization period permanent magnet system and comprises two groups of period permanent magnet components and one group of period pole shoe components. The cone permanent magnets distributed on two sides of the wide edge of the electron channel form a transverse magnetization period permanent magnet system, the rectangular annular permanent magnet surrounding the electron channel forms a longitudinal magnetization period permanent magnet system, the cone permanent magnet and the longitudinal magnetization period permanent magnet respectively focus electron beams in the x direction and the y direction, and the focusing systems are combined to focus electrons in the x direction and the y direction, so that stable transmission of single-row multi-electron beams is realized, the problem of unstable electron beam transmission caused by electron beam divergence during transmission of the single-row multi-electron beams in the anode electron channel is solved, and the efficiency of beam-wave interaction and the performance of the whole device are improved.)

单列多电子束太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统

技术领域

本发明属于真空电子

技术领域

，更为具体地讲，涉及一种单列多电子束太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统。

背景技术

在真空电子器件中，电子注是否能够稳定传输决定着注-波互作用的强弱程度，是影响真空电子器件的性能关键因素之一。电子注在传输过程中，其轨迹和形状越稳定，注-波互作用的效果就会越明显。由电子枪产生和发射的单列多电子束在经过聚焦极的压缩后不可避免地会具有一定的径向速度，并且单列多电子束在进入阳极电子通道后，电子间的空间电荷效应会造成电子间的相互排斥，故而电子注在阳极电子通道内的传输过程中会沿径向方向向外散开，或发生扭转，造成电子注的不稳定传输。这不但会影响注-波互作用的效果，而且还有可能会因为沿径向散开的高速电子打到通道壁上而损坏电子通道和高频结构。因此我们需要通过外加电场或者磁场来抑制电子注的横向发散，使其按照我们的期望，尽可能地在阳极电子通道中保持原有截面形状稳定地传输。

聚焦系统是电子光学系统设计的核心部分，其设计目的是为了有效地降低或消除这种不稳定性，聚焦电子束并使其通过高频结构，到达收集极，从而保证较高电子流通率。目前真空电子器件常用的聚焦系统主要有线圈聚焦系统和周期永磁聚焦系统。周期永磁聚焦系统具有体积小、重量轻、不消耗功率、杂散磁场小、具有包装式结构的特点，可以极大的减小真空电子器件的体积和重量，且加工装配较为方便，因而被广泛应用。

适用于单电子束的磁聚焦系统目前已经趋于成熟。单电子束的聚焦系统一般采用旋转对称结构的周期永磁聚焦系统，但是这种结构不能直接用作单列多电子束的磁聚焦系统，因为这种磁聚焦系统存在着横向磁场。由于单电子束一般情况下都是旋转对称结构，所以这种横向磁场对单电子束的影响并不大，而单列多电子束由于各个电子注的横向位置不一样，导致其所处位置的磁场大小也不同，故而这种横向磁场对多电子束的传输极其不利。对于单列多电子束的磁聚焦系统的设计，重点是维持多电子束的稳定传输，这关系着注-波互作用的效率和整个器件的性能。

发明内容

(一)要解决的问题

针对背景技术中所述的单列多电子束的聚焦系统不够完善的问题，本发明提供了一种适用于单列多电子束太赫兹辐射源的新型混合周期永磁聚焦系统。本发明设计了一种混合周期永磁磁场，它由两组周期永磁磁场构成，其中一组周期磁场主要在x方向上对电子束进行聚束，另一组周期磁场主要在y方向上对电子束进行聚束，以维持单列多电子束的稳定传输，可应用于紧凑型、小型化太赫兹辐射源。

(二)技术方案

本发明采用横向磁化的周期磁场和纵向磁化的周期磁场相结合的方式设计了一种适用于单列多电子束太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统，具体而言，包括两组周期永磁组件和一组周期极靴组件；

所述周期永磁聚焦系统的一组永磁组件为分布于电子通道的宽边两侧的锥体永磁体，其沿着z方向等间隔分布，其大小相同，磁化方向沿着电子通道的宽边方向，且上下、左右相邻的两永磁体磁化方向均相反，形成横向磁化周期永磁系统；

另一组永磁组件由环绕在电子通道上的矩形环状永磁体组成，其大小相同，磁化方向沿着电子运动方向，且相邻两永磁体的磁化方向相反，和环绕在电子通道上矩形环状极靴组成纵向磁化周期永磁系统，该结构极靴中心处场强为零，磁环中心处场强最大。

周期永磁聚焦系统会使电子注周期性地受到一个较强的汇聚力，这个力在抵消空间电荷的发散力的同时能够使电子得到一个向轴的加速度，得到加速度以后的电子从离轴运动变为向轴运动，从而实现对电子束的磁约束。

横向磁化周期永磁系统在x方向上对电子注有聚束效果，但在y方向上的聚束效果差；而纵向磁化周期永磁系统恰恰与之相反，可以在y方向上对电子注进行聚束，而在x方向上的聚束效果不明显。这两种聚焦系统单独作用于单列多电子束都不能实现电子束的稳定传输，但是利用他们功能互补的特性，将这两种聚焦系统相结合，即可在x方向和y方向都对电子束实现聚束，保证单列多电子束的稳定传输。

(三)有益效果

根据上述技术方案可以看出，本发明提出的一种适用于单列多电子束太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统具有以下有益效果：

(1)周期永磁聚焦系统的结构更为紧凑、体积更小，更有利于太赫兹源的小型化设计；

(2)周期永磁聚焦系统的结构相对比较简单，使得其加工、装配都较为简单；

(3)周期永磁聚焦系统的杂散场小；

(4)周期永磁聚焦系统本身不消耗功率，从而有助于提高太赫兹源的效率；

(5)通过选用适宜的永磁材料，例如稀土永磁材料，可以确保聚焦系统能在较宽的温度范围内提供稳定的磁场，且具有较高的时间稳定性；

(6)采用周期永磁聚焦系统对单列多电子束进行磁聚焦，抑制电子注的发散，可以提高注-波互作用效率和改善整个太赫兹源的性能。

附图说明

图1为本发明磁聚焦系统整体结构示意图；

图2为本发明磁聚焦系统的极靴示意图；

图3为本发明磁聚焦系统的锥体永磁体示意图；

图4为本发明磁聚焦系统的环形永磁体示意图；

图5为本发明实例中模拟计算的单列多电子束在混合周期永磁聚焦系统下的电子注轨迹，其中图(a)为x-z截面视图，图(b)为y-z截面视图；

图6为本发明实例中的混合周期永磁聚焦系统中心轴线磁场B_Z图；

图7为本发明实例中的混合周期永磁聚焦系统模型图。

【符号说明】

1-环形永磁体；

2-锥体永磁体；

3-极靴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方案和附图，对本发明作进一步详细描述。

本实施方案以太赫兹辐射源电子光学系统为例，设计了一种适用于太赫兹辐射源的混合周期永磁聚焦系统，如图1所示，该周期永磁聚焦系统由一组横向磁化周期永磁系统和一组纵向磁化周期永磁系统相结合而成，还包括一组周期极靴组件；

其中一组永磁组件为分布于电子通道的宽边两侧的锥体永磁体，其沿着z方向等间隔分布，其大小相同，磁化方向沿着电子通道的宽边方向，且上下、左右相邻的两永磁体磁化方向均相反，形成横向磁化周期永磁系统；

另一组永磁组件由环绕在电子通道上的矩形环状永磁体组成，其大小相同，磁化方向沿着电子运动方向，且相邻两永磁体的磁化方向相反，和环绕在电子通道上矩形环状极靴组成纵向磁化周期永磁系统，该结构极靴中心处场强为零，磁环中心处场强最大；

永磁组件为且不限于稀土永磁材料，极靴为纯铁或其他高导磁材料。

该系统主要运用磁聚焦原理利用运动电子束在磁场中受到的安培力来克服电子束间的空间电荷力以及离心运动来达到聚束的效果。横向磁化周期永磁系统和纵向磁化周期永磁系统分别主要在x和y方向上对电子注进行约束，将这两者聚焦系统相结合即可在x和y方向上均对电子注实现约束，从而实现单列多电子束的稳定传输。

实例：

根据单列多电子束太赫兹辐射源的设计目标和整体结构的设计思路，选取工作电压的范围为12.4～13.4kV，4根电子束，总电流为7mA，电流密度为9.9A/cm²，聚焦系统的结构尺寸如附图2、附图3、附图4所示,a＝0.2mm,b＝2.16mm,c＝0.7mm,d＝0.2mm,e＝6mm,f＝1mm,g＝3.5mm,h＝4mm,i＝2.4mm,j＝1.6mm,k＝6mm,l＝2mm,m＝3.6mm,n＝5mm,o＝8mm,p＝10mm,q＝6mm,r＝10mm,s＝1.9mm。

图7中保留着传统周期永磁聚焦系统在z方向上的环状聚焦系统结构，箭头为永磁体的磁化方向；横向磁化的周期永磁聚焦系统沿着z方向等间隔分布于电子通道的宽边两侧，图中圆点表示永磁体的磁化方向沿y轴正方向，叉表示当矩形环状永磁体沿y轴的负方向。当矩形环状永磁体的厚度为1.9mm、周期长度L_p＝5.65mm时，可以得到如图5所示的电子注轨迹图。可以发现，该聚焦系统能够在x方向和y方向均对电子注实现有效约束，实现电子注在电子通道内的稳定传输。

可以测得该聚焦系统在电子通道中心轴线上产生的磁场大小如图6所示。由图可知中心轴线上的磁场的最大值约为0.1T，磁场基本呈余弦周期变化，验证了设计的合理性。本设计可以提供太赫兹辐射源提供轻量化的周期永磁系统，有利于太赫兹辐射源实现紧奏型和小型化。

尽管以上对本发明的具体实施方式进行了详细的说明，但是值得注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。