多注速调管电子光学系统的研究

本文比较系统地阐述了在多注速调管电子光学系统中开展的研究工作。给出了周期反转永磁聚焦系统的设计方法和设计考虑,讨论了控制极调制多注电子枪设计中遇到的特殊问题和解决方法,建立了计算电子光学系统的二维磁场和电子轨迹计算软件,并应用这些软件设计和研制了S波段200kW多注宽带速调管的电子光学系统。该管输出功率180kW,带宽7.6％,效率44.4％,增益大于45dB,电子注通过率89％,高频通过率69-83％。设计计算与实验结果有较好的一致性。     

X 波段带状电子注速调管电子枪组件热分析

使用ANSYS 仿真和热膨胀实验的方法进行了X 波段带状电子注速调管电子枪组件热分析,计算了电子枪组件的热分布和热形变,在动态实验台上完成聚束极阴极组件的热膨胀实验,将仿真和实验相验证得到了满足工程设计要求的重要热力学数据,为X 波段带状电子注速调管电子枪结构的精确设计、优化和实际制管提供了依据。     

W 波段回旋行波管双阳极磁控注入电子枪的设计

回旋行波管是大功率、高频率的微波毫米波器件。根据W波段回旋行波管的要求,设计了双阳级磁控注入电子枪。由电子光学理论,计算得到电子枪的初始参量,然后利用粒子模拟软件MAGIC构造电子枪模型,分析电子枪各个参数对电子注性能的影响,为电子枪设计优化提供了一定的依据。最后优化得到符合设计要求的低速度零散电子枪结构。电子枪阳极电压为70kV,电流10A,电子注速比1.07,电子注横向速度零散0.8%。     

碳纳米管冷阴极Pierce电子枪

为发展场致发射冷阴极毫米波电真空辐射源器件, 对利用大面积碳纳米管冷阴极产生大电流、高电流密度电子注的电子光学系统进行了研究.通过在Pierce电子枪阴极表面引入栅网结构, 解决了碳纳米管冷阴极场致发射所需的强电场和电子聚束问题.在碳纳米管冷阴极实验测试数据的基础上, 采用粒子模拟软件对上述电子光学系统进行了仿真.研究了栅网对注电流、注腰半径和电子注散射的影响, 分析了阳极电压和外加轴向磁场对电子注的聚束作用.优化后的仿真结果表明在阴极发射面为3.03 cm2时, 该电子光学系统能够产生210 mA、60 kV, 电流密度为6.7 A/cm2, 最大注半径为1mm的电子注.     

太赫兹FWG-TWT电子光学系统的数值模拟验证

结合实验模型,对0.22 THz折叠波导行波管(FWG-TWT)的电子光学系统进行数值模拟验证。首先对电子枪的工作机制进行细致研究和仿真验证,然后对电子光学系统(包括电子枪和周期永磁聚焦结构两部分)进行一体化建模,结合实际,合理设置仿真模型的工作参数及边界条件等。分析影响电子注流通率的关键因素,调整结构参数和束流参数,提高电子注的直流流通率。     

C波段多注速调管电子光学系统的初步设计

采用电子枪软件EGUN对C波段多注速调管的电子光学系统进行了初步设计,得到的电子枪发射电流密度均匀,电子注轨迹层流性好并且在收集极发散均匀。应用此电子枪分别研究阴极表面磁场的变化、磁场比例因子的变化、均匀区平坦度的变化对电子轨迹的影响。随着阴极表面磁场的增大,电子注注腰半径增大,电子注波动增大;而随磁场比例因子的增大,电子轨迹波动增大,波动频率增加;均匀区平坦度有波动时,磁场增大则波动减小,磁场减小则波动增大。     

X波段同轴腔多注速调管的研究

开展了具有同轴谐振腔互作用电路和双模工作杆控电子枪的X波段同轴腔双模多注速调管的研究工作．结合数值计算和冷测实验，对工作于TM310高次模的同轴谐振腔模式分布和特性参数进行研究，获得了可满足多注速调管要求的谐振腔特性阻抗和良好的模式稳定性．采用具有双控制极的新型杆控多注电子枪及电子光学系统，可使多注速调管具有双模的新工作特性，通过数值模拟获得了优化的几何参数和具有良好层流性和波动性的空心多电子注．对采用6个电子注和5个谐振腔的X波段多注速调管进行了注波互作用大信号计算，结果表明当电子注电压为21．5kV，脉冲电流为14．4A时，可在30MHz频带范围内获得的100kW左右的脉冲输出功率，互作用效率大于30％，增益大于36dB．     

高功率低速度零散单阳极磁控注入电子枪的研究

该文利用基于绝热压缩原理和角动量守恒理论的解析方程组,在对电子枪相关参量分析的基础上,研究一种阴极采用鼻状辅助聚焦极的单阳极磁控注入电子枪。通过电子光学软件EGUN-226对电子枪结构进行优化设计,比较分析了不同横纵速度比对电子注轴向速度零散的影响。结果表明这种结构的电子枪可以适应比较大的电流应用。     

W波段回旋行波管新型曲线阴极磁控注入电子枪优化设计

设计了采用新型曲线阴极结构的W波段双阳极磁控注入电子枪,手动优化得到的电子注参数在速度比1.1时,纵向速度零散为1.84%.为了克服手动优化方法的繁琐和低效,引入了数值计算方法的优化策略,编制了基于MATLAB语言的遗传算法和模拟退火算法的优化程序,并结合二维电子光学软件EGUN对该W波段曲线阴极结构电子枪进行优化,优化得到的电子枪在保证电子注速度比1.1的情况下,纵向速度零散分别达到了0.81%和1.05%.与手动优化方法相比,数值优化方法不需要设计者干预优化过程,具有自动高效的特点,且优化结果更好.     

栅控电子枪的热特性分析

利用ANSYS 有限元软件分析了栅控电子枪的热特性,包括稳态温度场计算和结构热形变,其中稳态温度场计算包括电子枪和栅网的温度分布以及栅网因电子截获而引起的温升。并利用行波管设计软件TWTCAD 分析了热形变前后电子光学系统性能的变化。同时还采用热电偶法得到了实际栅网的表面温度,试验结果与仿真结果基本一致,证明了热分析结果的有效性。     

均匀磁聚焦和周期磁聚焦部分屏蔽流过渡区的设计

本文叙述均匀磁聚焦和周期磁聚焦部分屏蔽流过渡区设计的一种方法,指出对于阳极电位与慢波线电位不同的电子光学系统,以及这两个电位虽然相同,但导流系数大,阳极孔效应严重的电子光学系统,它们的过渡区的设计,必须采用非等位空间中的傍轴电子轨迹方程。并对用部分屏蔽流周期磁聚焦的电子光学系统,电子枪区中的电子轨迹与磁力线重合的问题提出一些看法。     

Electron Beam Optics System PIC Simulation for MMW TWTs

The basic feature and design method of MMW TWTs electron optics are analyzed in this paper. With the increasing area convergence ratio of the electron gun in TWTs, the initial thermal velocity of electrons at cathode and the non-magnetic shielded effect can no longer be neglected. It brings new challenge for the design and simulation of MMW TWTs electron optics. A method of investigation the beam DC characteristics is described using particle-in-cell (PIC) simulation and incorporate electron beam optics model integrated electron gun with periodic permanent magnetic focusing system. It is valuable for achieving the goal of “first-pass design success” and the electron optics engineering design and optimization.     

用边界元法计算回旋管单阳极磁控注入枪

提出了以边界元法作为理论基础,分析磁控注入枪问题,推导出用边界元法计算这类问题的基本理论方程。并根据整管要求,设计了单阳极磁控注入枪。利用Fortran语言编制了一个模拟计算磁控注入枪的程序,利用计算机辅助设计,给出了电极形状、电子轨迹和电子注参量。理论分析和实际计算结果表明,利用边界元方法分析磁控注入枪是一种有效的方法,具有很好的优点,这为分析电子光学系统提供了一条有效途径。     

The design and performance of grid-controlled, high-perveance electron guns

The focusing electrode and a probe projecting through the cathode serve as control electrodes for the current from a convergent-beam electron gun. The principal advantage of this type of "grid" is that there is no interception of the high-current-density beam by the probe-grid. This paper presents the design procedure and experimental results for typical probe-gridded guns. The design procedure is used to obtain the desired perveance, beam diameter, and approximate laminar electron flow. The probe geometry that results in a minimum beam distortion is discussed. The range of values of amplification factor obtainable and the influence of probe geometry on this factor are discussed. The magnetic field required for focusing the beam from a probe-gridded gun is compared with that required for perfect laminar flow and for focusing the beam from a nongridded gun of similar design. An electrolytic tank in conjunction with an analog computer was used to plot electron trajectories, with the effect of space charge included, for the probe-gridded gun and a similar nongridded gun. A comparison of the electron optics of the gridded and nongridded gun is made. Electrical breakdown and beam current during the interpulse time are problems considered. Methods used to minimize electrical breakdown and interpulse beam current are presented. Several models of probe-gridded guns were constructed. The measured characteristics of these guns demonstrate that the advantages of grid control can be obtained with only a minor effect on gun perveance and beam focusing.     

毫米波带状注电子枪的设计方法

利用理论分析和仿真模拟相结合的方法对带状电子注的产生进行了系统的研究,并提出了一种带状注电子枪的设计方法.首先通过理论分析,提出了一种计算带状注电子枪结构参数的迭代算法,即根据注电压、注电流、电子注注腰处半厚度、阴极半厚度和阴极宽度,计算出带状注电子枪的阴极柱面半径、阴阳极间距、阳极柱面半径和射程等主要参数;在此基础上,通过仿真模拟,为毫米波真空电子器件设计了一种带状注电子枪.     

X波段行波管阳极控制电子枪设计

大功率电子枪设计中的主要问题是如何构成强流电子束和使电子枪中电子束聚焦。利用差值计算的方法初步确定了电子枪几何尺寸参数,进而应用数值模拟的方法计算了电子枪的结构及束流特性,设计了应用于X波段连续波大功率行波管的阳极控制电子枪。该电子枪设计参数为：阳极调制,导流系数为0．44μP,射程大于37mm,注腰半径为1mm。结果表明,该电子枪可完全满足x波段连续波大功率行波管对互作用电子束的要求。     

An Iron-Free Magnetron-Injection-Gun for a 28GHz, 200kW Gyroklystron Amplifier

A design study of a double-anode magnetron-injection-gun is performed to incorporate the electron gun into a high power 28GHz gyroklystron amplifier operating at 70kV and 8.2A. The electron gun is designed to be used in a tapered magnetic field in the cathode region produced from an iron-free superconducting magnet. An electron trajectory code predicts a beam axial velocity spread of 5.9% at α = 1.5, 70kV, 8.2A and 10.4kG, which is a high quality electron beam suitable for the high gain, high efficiency, five-cavity gyroklystron amplifier. The successful design of the high quality electron gun is attributed to a longer gap between the modulating anode and the grounded anode compared with the case of the first 28GHz electron gun built with an iron enclosed electromagnet.     

行波管电子枪改进及过渡区磁场设计的模拟计算

分析了行波管电子枪和过渡区磁场设计的基本原理和方法,结合互作用区分别对高面积压缩比、低导流系数电子枪及其后的过渡区磁场进行改进和设计：首先对加辅助阳极的原电子枪和过渡区的周期聚焦磁场进行优化,在考虑热初速的情况下,对电子枪和磁场再度优化。模拟结果表明：辅助阳极能有效改善高面积压缩比、低导流系数电子枪产生电子注的层流性;电子热初速对电子注质量影响较大;合理的过渡区磁场能为互作用区提供符合要求的电子注。运用此设计对一螺旋线行波管进行模拟计算,达到了良好的效果。     

X 波段50MW 速调管电子光学系统的初步设计

：采用PIC 模拟程序对X 波段50MW 速调管的电子光学系统进行了初步的设计。设计的电子枪压缩比>120, 阴极发射电流密度均匀,电子注轨迹层流性良好。模拟设计的电子枪区最大场强达到27.8kV/mm,属于可以承受的范围。