回旋管工作磁场及其供电稳流电源简介
Introduction of Operation Magnetic Field of Convolution Tube and Its Stabilize Current Power Supply

摘 要： 本文简述了一种新型高功率微波器件——回旋管一般工作磁场的场形分布特点及对电子回旋频率的影响.为了满足磁场稳定度的要求，对晶体管串联型稳流电源进行了一般分析。着重介绍了一台300A/90V晶体管稳流电源的实例。指出了为了达到优于0.1%的电流稳定度应采取的有效措施和主要器件的选用原则。
关键词： 回旋管 稳流电源 磁场


1 前言
众所周知，微波电子管的工作波长与管子的内部结构存在一定的制约关系，在波长较短时，如厘米或毫米波段的高频管，管内的结构尺寸应与其工作波长相接近。显然管子的工作频率愈高，即波长愈短，它要求管内结构的几何尺寸就愈小，所用的零件加工愈加精细，这对真空管器件内的零件加工，装架，焊接、封装等诸多工艺都带来相当大的困难。尤其是需要有大的功率输出时，如何降低管子内部耗能和解决散热是使用微波管设计者感到十分棘手的问题。
回旋管是上世纪八十年代出现的一种新型高功率微波真空器件，根据它的理论，管子的工作波长即使在厘米波段或毫米波段时，它的管内零件结构仍然可以做得很大。同时，由于它的结构简单，易于加工，可以在很短的波长内工作，还可以得到输出数十千瓦的平均功率。
因此它获得国内外广泛的关注和不断地研究。在国外，目前已有正式产品提供给用户使用。我国自八十年代起也开展对回旋管的研究和实验。

2 回旋管的工作磁场
2.1 回旋管用磁场分布

根据电子光学理论和电动力学理论，通常回旋管的工作磁场大致呈图1所示分布。
各部分磁场的作用和要求大致是这样的：
阴极区：由阴极发射出来的电子在阳极作用下加速，在阴极区的磁场里，电子受到洛仑兹力的作用，进行回旋运动，同时沿轴向磁力线向前运动。假定此时电子注的半径与阴极发射带的半径大致相同都为。
阴极区长度大约在10～15厘米，磁场大约为500～1500高斯，要求有一定的平坦度。一般在1%之内。
过渡区：电子进入此区域后，由于磁场按一定的梯度上升，电子注的半径在此受到压缩，逐渐变小，在离开过渡区的出口时，电子注的半径被压缩到，由于磁场的压缩作用，显然<，在此期间内电子的垂直速度和水平速度比/逐渐增大。
过渡区长度大约在10厘米左右，磁场梯度变化缓慢。
互作用区：在互作用区内，由于电子的回旋半径已经被压缩到，电子动能的垂直分量的成份，随着/增大而增加。外在互作用区的磁场B0下的高速运动的电子，在设计好的谐振腔内，进行能量交换，把它的垂直方向的动能分量，尽可能多地转换为微波能量通过输出窗输出。
互作用区长度大约在20～25厘米，磁场强度为7000～15000高斯，也要求在一定区域内有平坦度，其平坦度在1%以内。
收集区：经过能量交换的电子仍然具有一定的动能，为了不让电子打击在输出窗上，因此应尽快地将此区域的磁场降低，以便电子被收集极管体接受（截获）。收集区长度大约在10～15厘米，要求磁场从过渡区尽快地降下来。

2.2 对磁场线圈的基本要求
由于各区域的磁场强度不相同，为了实现回旋管轴向磁场分布的需要，常采用分段供电的办法，由于采用各部分线圈单独供电，它们的磁场都可以独立调节，因而互相干扰少。各部分的磁场形较易满足。
实践表明，一般至少要使用四组电源供电，有时甚至多达六～八组电源供电，以形成合成的适合设计要求的轴向磁场。
为了提高或形成一定的磁场梯度，或者为了实现磁隔离，在阴极区和过渡区之间还使用电工纯铁。有时为了得到一定的特殊的磁位形分布或者减少相邻线圈之间的影响，甚至不得不使用反线圈。
磁场设计，要从方便测试出发，因为不同波长的管型对磁场分布和各部分磁场强度要求也各有不同。因此要考虑各区域的长度和场强以使磁场场形能够灵活调节，还要考虑散热和线圈通电后产生的电磁力等各种因素。总之，要从尽量获得大的占空系数和尽量降低线圈耗能考虑，综合上述因素来选择线圈设计和供电电源的参数及其容量。
由于各区域的几何长度和磁场大小各不相同。因此线圈的结构也各不相同。如2公分基波回旋管，所有的线圈都是采用6×6×2的方铜管绕制，铜管中间通过冷却水。而对4毫米回旋管，其阴极区部分采用6×6×2，空心铜管绕制；当电流为100～200A时，在直径90mm，长度为10～15cm区域内，可得到2000高斯左右的均匀磁场。
而在过渡区、互作用区和收集区，由于磁场强度高达10000～16000高斯，且区间较长，因此采用F113强制对流蒸发冷却方式，将12.5×3.15扁铜线经过特殊绕制的线圈（占空比达0.7）浸泡在F113中，利用沸腾、对流和循环的方式进行冷却。
总之，回旋管用工作磁场的设计由于涉及电气计算、机械结构和冷却系统等，因此是一个很复杂的工程课题。

3 稳流电源
3.1 回旋管磁场供电电源
根据回旋管的工作机理，以在互作用区为例，可以推导出电子在互作用区内对磁场要求，有公式

其中，B0：为互作用区的磁场；γ：相对论因子
S：谐波系数；ω：ω=电子回旋频率：为谐振频率。
：是一个磁场密切相关的系数，要求<1，且的波动应在1%以内，它对电子注转换效率影响很大。
η：静态时电子荷质比
上式表明，在互作用区内磁场B0的变化是直接影响电子回旋频率的，因此通常为了获得稳定的振荡频率和功率输出，要求磁场的稳定度应优于0.1%。
回旋管的工作磁场可以是永久磁体结构，也可以是超导磁体结构。其优点是体积小，使用方便，耗能低，稳定性高。我校曾从西南磁学研究所获得永磁用于谐波型回旋管，使用效果很好，也从俄罗斯引进超导磁体。但是，设计好的上述磁体只能适合特定的管子。它们除了制造费用很高外，有时在使用时费用也极高。如超导磁体，由于没有液氦、液氮的回收装置，为了充分利用低温资源材料，因此必须连续进行实验，但工作时间仅可维持一周左右。而且每次实验耗资都十分可观。
而采用普通的电磁线圈，由于具有电流大小可以灵活调节，线圈能够随意组合，可以适合不同的场形要求的特点，所以在回旋管的实验中，仍经常使用常规电磁线圈。
磁场是由通电导体产生，由于线圈是电源的主要负载，磁场强度是直接与电流大小有关。线圈通电后会发热，即使再好的冷却系统也难以保持其恒温状态，因此它的阻值总会发生变化。而维持恒定的磁场，就要维持流经线圈的电流不能改变，所以回旋管磁场的电源必须是采用稳流型电源，而不是稳压型电源。

3.2 稳流电源的基本原理

由于磁场线圈是作为负载串联在供电电路回路中，同时由于要求其输出能接在不同的组合线圈上，所以常选用如图2所示的串联稳流电路。它的特点是对放大器的输出幅度要求不高，因为它的输出就是调整管的基极——射极电压VBE，而与电源的输出电压没有关系。所以采用这种电路的好处是可以使稳流电源的输出电压做得很高，以适应输出电压可以大范围地进行调节的需要。
这是一个发射极输出结构的串联稳流电路。RF是电流的采样电阻，它与磁场线圈串联在一起，实现“电流取样”。其作用是起到把电流信号转化为电压信号的功能。RF上的电压与给定基准电压Eg，在运算放大器A中进行差值比较和放大，使放大了误差信号送到调整管T的基极，改变调整管的基极电压大小，也就改变了它的基极电流。
根据晶体管电流分配原理，通过改变基极电流的大小就可以实现对调整管的输出电流Ie的变化进行误差调整或补偿。达到稳定输出电流的目的。
由电路分析可知，如放大器的增益为K
则有
或
是误差放大器的输出电压，即调整管的基—射极电压。
当理想放大器的电压放大倍数K是足够大的，放大器的两个输入端电位V+和V-应该近似相等。
即ν+≈ν-或ν+-ν-≈0
因此可导出
或Ie=
上式给我们启示：即在稳流电源中，如误差放大器的增益是足够大时，调整管的输出电源Ie仅仅与给定的基准电压Eg和电流取样电阻的比值有关。

由式Ie=同时可以导出和两个式子，也可以确定。Ie的稳定度与基准电压和密切相关。和的任何变化或漂移都会百分之百地影响电流Ie变化。
因此在设计稳流电源时，必须对取样电阻和给定基准电压的稳定性给以高度的重视。一定要采取一些特殊的措施。
由于放大器不是理想放大器，也总是存在一定的漂移，其漂移电压△对输出电流的影响是 。
△是漂移电压在输入端的折算值，由于漂移电压实际上是与基准电压相串联在一起，因此，取较高的基准电压，则放大器的漂移对电源的稳定影响要小一些。
此外还有调整管子穿透电源和漂移也会对稳定度有影响，因此在选管时要选用尽量小的穿透电流的调整管。

3.3 大电流晶体管稳流电源的实例

图3是一台300A/90V晶体管稳流电源的基本电路
基本工作原理如下所述：
三相交流电在经过可控硅整流和预稳压后，得到的输出电压通过LC滤波器加到由T1～T32组成的达林顿结构的复合调整管和与之串联的磁场线圈上。
是电流取样电阻，其上面的电压V与给定基准电压在运算放大器输入端进行差值比较，并把差值放大。放大器的输出电压是与两者的差值密切有关。放大后的电压加到复合管的基极。从而对复合调整管的输出电流进行调整和补偿，实现电流的稳定。
的阻值的稳定，直接关系到稳流电源的稳定度，因此应选用精度锰铜电阻材料，并要采取良好的散热措施如间接水冷，直接油浸等，以保证在通有额定电流时，其阻值的稳定度应优于0.01%以上。
的取值大则有利于负反馈性能，但功耗浪费大，一般按在上的电压取值为2～3V较好。
是输出端附加电阻，它可以防止稳流电源在很轻的负载或空载时，使运算放大器饱和，从而会对调整管的BE结造成损坏或者使电源的输出电压过高，对负载不利。
Re是调整管均流电阻，由于晶体管的分散性，在多管并联使用时，一定要采取均流措施（这个电路中Re=0.1Ω），以使各管负担的电流基本趋于一致。
RD是快速熔断器，～是隔离二极管，其作用是如某一支管子损坏（晶体管集极—基极击穿）或过流时，熔断器RD断开后。可以确保损坏的管子退出运行。避免集电极电压加到运放的输出端，从而损坏运算放大器或者使运算放大器不能正常工作，影响整个电源的使用。
是并联在磁场线圈两端的二极管，由于在调整电流过程中，线圈两端会有感应电动势产生，其值为 ，L是线圈的电感，是电流变化率。如线圈电感较大，或电流变化剧烈时，线圈会产生很高的感应电动势。有可能会对调整管产生过压击穿的损坏，有了后，就可以将其短路掉，保护了晶体管。
EB是给定基准电压，前面已分析，它对电流的稳定度也是百分之百的影响，因此在选用基准电压时，要选用温漂很小的标准稳压管如2DW7C。它的工作电压也要经过1～2次前级预稳压处理，同时对2DW7C也最好能放入恒温槽中。使其环境工作温度稳定，由于给定的电压是可调整的，因此通常使用精密多电位器RP进行分压取出需要的给定电压，因为在RP上流过的电流很小（≥1mA），因此，RP只要其额定功率较大就可以。有条件时也可置于恒温槽中。
运算放大器A的选择依据是：低的温度漂移和具有尽量高的开环放大倍数。此电源选用低漂移运放组件ZF03C或ZF1705，它们的温漂<0.1μr/℃，而开环增益为100dB～300dB。同时由于电源反馈系统已形成大的负反馈，所以运算放大器本身不使用闭环，而是开环使用，以充分利用它的增益大的优点。
功率晶体管～T30选用3D1E-T型硅管，单只管子额定功率300W，实际使用在1/3额定功率之内。并选择调整管的工作电压νce=7～12V左右。
前级驱动管～为3DD6E-T，由于它们的螺栓型外壳都是集电极，因此，把～采用间接水冷的方式比较简单，只要安装在一个能实现间接水冷式的铜板或铝板上即可。
选3D2D，以增加运算放大器的驱动能力。
经过安装调度后，在长期运行时电流稳定度优于0.1%，能够满足回旋管磁场的使用。