利用电子注测量分析系统研究Ka波段空间行波管用双阳极电子枪性能

空间行波管的性能很大程度上依赖于电子枪的电子注,为获得实际的电子枪电子注分布参数,优化行波管电子光学系统,本文采用电子注测量分析系统对Ka波段空间行波管用双阳极电子枪进行了测量与分析实验,分别对该电子枪电子注导流系数、截面电流密度、射程、注腰半径以及发射度等参数随聚焦极偏压、灯丝热子功率的变化进行了仔细分析。将测试数据与制管实测结果以及MTSS软件优化设计结果进行比较,获得了较好的一致性。结果表明,电子注测量与分析数据对行波管实际制管与调试提供了良好的参考依据。     

行波管多级降压收集极设计方法的研究

采用多级降压收集极回收经过互作用后的电子注的剩余能量是提高行波管效率的有效途径之一。效率与电子回流是多级降压收集极的两个非常重要的指标。多级降压收集极的设计离不开计算机辅助设计软件，对收集极进行精心的电子光学设计，可以改善二次电子发射对效率及回流的影响。通过定性地分析收集极与整管效率的关系、废电子注特性、磁再聚焦区的构造及二次电子发射规律，为收集极的设计提供了参考方法。     

同轴结构8mm扩展互作用振荡器的分析研究

为了克服扩展互作用振荡器采用实心电子注输出功率受限制的问题,本文设计了一种新型的同轴毫米波扩展互作用振荡器。采用MAGIC粒子模拟软件分别对高频系统和电子枪进行了数值模拟,分析了聚焦磁场、电子注电流、电压和内导体半径等工作参数对输出功率的影响。根据获得的工作参数的优化值对整管性能进行了模拟分析,给出了电子轴向动量沿轴向的相空间分布图、高频电压时间曲线、幅频特性图和输出波导截面上功率流的时间曲线图。整管模拟结果表明,该器件在8mm波段能产生频谱特性良好、输出功率达14．5kW的微波输出。     

百兆瓦级高功率速调管电子光学系统的研究

基于强流电子光学理论确定了S波段100MW速调管电子枪初始参数,对电子枪电极进行优化,获得了导流系数2.0μA·V-3/2、枪内场强低于22kV·mm-1、层流性良好的电子枪.设计了均匀磁场电子注聚焦系统,通过对过渡区磁场的调整,实现了对电子注的良好聚焦,模拟表明电子注填充因子约76%,通过率100%且波动较小.样管的热测实验结果与设计取得了良好的一致性.     

双电子注高次模折叠波导慢波结构注波互作用仿真分析

提出了一种工作于220 GHz的双电子注高次模折叠波导慢波结构,该结构由四段慢波线组成,各段之间通过衰减器进行连接。文章首先计算了该结构的色散特性,其次利用CST模拟软件对其注波互作用特性进行了仿真分析:该结构工作模输出信号稳定,增益为33.1 d B。最后讨论了在电子注直流发射模型中,能量离散、角度离散、电子注电压差异三个仿真参量改变时,输出信号增益随参量的变化关系。通过对参量变化的分析,希望为器件的制造提供参考。     

均匀场聚焦带状注速调管电子光学系统的研究

本文系统地阐述了均匀场聚焦带状电子注的传输理论,设计了柱面阴极皮尔斯电子枪,模拟显示轨迹的层流性较好;设计了产生均匀磁场的磁聚焦结构,在1 m长的距离内,成功地实现了X波段100 MW带状电子注的稳定传输,电子注通过率达到100%;同时设计了收集极新型结构,给出了电子注在收集极内的发散情况。     

杆控电子枪设计与优化

本论文由杆控电子枪的设计参数出发,通过一系列的公式变换将杆控电子枪的设计转换为实心注电子枪的设计,利用综合迭代法确定电子枪的几何尺寸,同时考虑电子枪尺寸对注腰半径、导流系数等参数的影响,建立了评价电子枪性能优劣的目标函数以评价设计效果,应用EGUN软件和单纯形法对目标函数求解,获得了较好的结果,该电子枪已经用于实际制管实验,根据电子注静态通过率和电子注动态通过率,对理论仿真结果和实际制管实验结果进行比较,实验结果与数值计算设计结果有较好的一致性.     

高性能电子枪的物理设计

为测量电导率较低材料的二次电子发射系数,设计了一种能量在0～2ke V之间可调、束斑直径可调、可偏转、可脉冲的高性能电子枪。根据电子枪的性能指标对其电子发射、电子光学系统和电位关系进行物理设计,通过对控制极施加脉冲电压,实现电子束的脉冲发射。利用CST软件对电子枪建模并进行仿真分析,得到不同聚焦极电压对束斑尺寸的影响。仿真结果表明,在阴极电压为-1000V、控制极为-1005V、第一阳极为-880V时,随着聚焦电压由-400V增加到1000V,束斑直径由0.2mm增加到10mm,两者几乎成正比例关系。通过对比两种偏转组件,得出四极静电偏转器更适合在同一空间内使用,在工作距离为30mm、偏转电压为200V时,偏转灵敏度可达到34mm/k V,对应的偏转角为12.8°。     

W波段带状注扩展互作用速调管三维MAGIC研究

带状注扩展互作用速调管通过采用宽高比值很大的带状电子注来降低空间电荷效应,采用多间隙结构来增加功率容量,是一种高频率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio与MAGIC设计了2π模W波段带状注五间隙扩展互作用谐振腔,重点研究了五间隙谐振腔关键结构参数对谐振腔特性阻抗与谐振频率的影响,并对器件稳定性与带状注双腔速调管注波互作用特性进行了三维MAGIC仿真与分析。最后,在电子注电压为19.5 kV,电流为3.5 A时,获得大于8 kW的输出功率、23 dB左右的增益。     

Ka波段空间行波管双阳极电子枪设计与优化

利用EGUN软件设计了一把导流系数为0.07μP的Ka波段空间行波管双阳极电子枪。该枪为皮尔斯型电子枪,双阳极分别为控制阳极(2.58 kV)和离子拒止阳极(9 kV)。该设计应用综合迭代法的计算结果进行初步设计,通过调整设计第一阳极,建立考虑导流系数、注腰半径和层流性的电子注性能优化目标函数,应用量子粒子群算法结合MATLAB与EGUN软件对电子枪阳极头位置进行了优化,优化结果满足了空间行波管对电子注的注腰半径和层流性的设计要求。     

冷阴极气体放电电子枪的研制

为了促进冷阴极电子束加工技术在国内的发展,在深入研究冷阴极电子发射机理基础之上,设计制造了一种自主知识产权的冷阴极气体放电电子枪,对该电子枪的结构、阴极功能及其参数、阳极功能及其参数、CST仿真软件确定聚焦线圈参数的方法进行了介绍.通过实验发现:每一种放电气体的最小“点火”电压与放电气体种类、气流量大小有关;氦、氩等纯...     

测量行波管电子注的减速电场能量分析器的研究

为测量行波管电子注的能量分布,本文设计和验证了一个减速电场能量分析器(retarding field energy analyzer,RFEA).该能量分析器由一个连接负偏压的减速环、一个电子注采样方孔和一个电荷收集极构成,通过调节减速环的负偏压,选择相应能量的电子,就得到电子注的能量分布.计算机仿真结果表明该分析器对于低能量(几千电子伏到10 keV)的电子注具有良好的分辨率.实验测量了一个导流系数为0.45 μP的宽带行波管电子枪发射的电子注的能量分布,实验数据与仿真模拟结果具有较好的一致性.     

THz两级串联慢波结构研究

提出了一种基于矩形交错双光栅的两级串联慢波结构,该高频结构采用双电子注通道和一个聚焦系统,高频信号分别在两段慢波结构中工作在-1和+1空间谐波状态。对该慢波结构的色散特性进行了模拟计算,分析了该器件工作原理。通过设计传输变换结构及两级慢波连接波导组成高频互作用电路,在295~320 GHz频率范围内获得较好的传输特性,反射系数S11-17 d B,传输系数S21-12.51 d B。利用三维粒子模拟设计的方法,在单注电流18 m A时,获得14.6 W的299.5 GHz信号输出,电子效率为1.7%。     

耦合腔行波管多级降压收集极的模拟设计

本文中较全面地讨论了多级降压收集极的物理模型.通过分析3个工作频率点高频输出端的电子注特性来设计多级降压收集极:借助电子注层流性参量,对带有再聚焦磁场的散群聚区进行优化,得到磁场参量的初始值;运用电子轨迹等效电位图,确定各电极的初步电位,通过收集极区结构和电极电位的优化得到较高的收集极效率;通过收集极的全面优化使收集极效率得到了进一步的提高;在考虑二次电子发射情况下,对收集极结构和电极电位进行优化,在保证收集极效率的情况下使二次电子回流率为零.模拟结果表明:借助电子注层流参量设计出带有再聚焦磁场的散群聚区使电子轨迹层流性得到较大改善;合理的结构和电极电位能得到较高的收集极效率;二次电子发射对收集极效率影响较大,合理的调节外凸锥形电极的倾角能避免二次电子回流.此设计运用于一耦合腔行波管收集极的模拟计算,达到了良好的效果.     

带状注矩形截面Cerenkov脉塞中注波互作用的研究

建立了带状注矩形截面Cerenkov脉塞中注波互作用的三维物理模型.采用保留金属格栅槽区内高次模式的方法,将电磁场表示为本征模级数和的形式,运用Borgnis函数法和场匹配法推导了注波互作用结构的混合模色散方程.通过数值计算,分析了热态下电子注电压、电流密度、电子注厚度以及电子注与金属格栅间隙距离等主要结构和电参数对互作用增益的影响.     

皮尔斯电子枪的电子注包络曲线修正新方法

根据热初速理论,分析了皮尔斯电子枪的电子注包络曲线,结果表明理论上采用的热电子径向分布σ曲线一直处于增长发散状态,导致理论包络曲线在注腰之后严重发散。本文提出一种新的修正计算方法,在电子注汇聚阶段考虑电子的热速度效应,在电子注发散阶段忽略σ的影响,只考虑起主导作用的空间电荷效应,综合得到新的电子注包络曲线。计算结果表明,与旧方法相比,新方法得到的电子注包络曲线与实验结果吻合性更好。     

小型带电粒子发射枪的研发

本文介绍了电子和氩离子两种不同电荷的小型发射枪，根据电子枪的用途，以电荷中和低能量电子枪、脉冲式电子枪和高能量电子枪为例，详细介绍了发射枪的构造、工作原理和粒子轨迹。根据氩离子的产生方式，介绍了冷阴极离子枪、热阴极离子枪和等离子体源。掌握小型带电粒子发射枪的原理和构造，可以针对基础科研、半导体产业、生命科学和国防航天领域的具体应用进行产品开发。     

螺旋线行波管的时域粒子模拟研究

基于粒子模拟技术研究了螺旋线行波管的时域非线性理论,慢波结构中的场通过螺旋带模型求解得到,并考虑了夹持杆和屏蔽桶的影响,推导得到了注-波互作用的动理学方程;聚焦磁场可以是直流磁场也可以是周期永磁场;用泊松方程求解得到空间电荷场;注-波互作用方程用MacCormack的差分格式进行计算。给出了时域计算得到的瞬态特性,并与基于一维Christine及三维Christine理论的计算结果进行了比较。     

平面结构磁控注入回旋电子枪的模拟设计

根据绝热压缩理论和动量守恒关系设计了W波段平面结构双阳极磁控注入回旋电子枪。利用软件EGUN对该电子枪进行了仿真模拟,分析了双阳极间距、调制阳极电压和阴极倾角等因素对电子注性能的影响,利用Opera电磁仿真软件设计了一个工作电压为34 kV,工作电流1.7 A,电子注的横纵速度比1.16,横向速度零散3.5%的平面结构双阳极磁控注入带状注回旋电子枪。该枪的电子束流具有垂直和平行于磁场的能量,最终为适应平面格栅金属放大器并产生具有一定横向速度的电子束流。     

X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟

带状注速调管是采用宽高比值很大的薄矩形注来降低空间电荷效应,采用特殊的高频结构来增加功率容量,从而使注波互作用效率得到提高的一种新型微波电真空器件.本文对工作在π模状态下的X波段带状注速调管三间隙腔进行了模拟计算,并对由该型腔体构成的注波互作用系统进行了3维PIC模拟,给出了初步的模拟设计结果.模拟结果表明:在电子注电压为415kV,电流为250A时,该速调管可以获得大于29.6MW的输出功率、34.3dB的增益以及29.6%的效率.