4-24  恒流源磁场的设计

罗光耀  谭  杰  范植开

在高功率微波源中常采用恒流源磁场来约束电子束流的横向运动，引导电子束流在漂移区和束波互作用区传输。整个恒流源磁场系统主要由大功率直流稳流电源、螺线管线圈两部分组成。

恒流源磁场主要技指标为：(1)中心磁感应强度B₀=1 T；(2)磁场区域的内半径R₁=82.5 mm，磁场区域的有效长度L=1 000 mm。(3)磁场位形：从阴极开始到束波互作用区结束均处于均匀区。均匀区长度为800 mm。磁场在轴向上的均匀度不小于90%，在径向上的均匀度不小于95%。

线圈功耗P(亦是恒流源的输出功率)、线圈重量m、电流密度j是螺线管线圈绕组的关键参数，亦是整个磁场系统的关键参数。这3个参数的选取是系统设计最重要的一步。通过分析线圈功耗、质量与线圈外径的关系，以及线圈电流密度与功耗的关系，可知，随着线圈外径的增大，线圈消耗的功率减少，电流密度随之减少，但线圈的铜重增大。而线圈的功耗与直流稳流电源的制作难度、成本关系密切，功耗越大，电源越难作，同时成本也增大；而铜重则与螺线管线圈的结构设计关系密切。因此在选择线圈外径时要兼顾到这两方面的因素。本设计中选取R₂＝f140 mm，P=167.98 kW，m=296.90 kg，j＝17.09 A/mm²。

实际的线圈由两段组成，长为295 mm和705 mm，两段间隔30 mm。图1为补偿前后的螺线管磁场轴线分布比较，图2为z=0时补偿后的螺线管磁场径向分布。由图1中的虚线可知，此时磁场波形不是太理想，大小、位形与技术要求有较大的出入，因此需要进行补偿设计。补偿设计采用Maxwell软件来完成。补偿后在轴线上磁场大小、位形与技术要求基本吻合，由图1~2可知，磁场在轴向上的均匀度大于90%，而在径向上的均匀度大于95%，与前面的技术要求相符。