FDTD方法及其在多注电子光学系统研究中的应用

采用时域有限差分(FDTD)方法对L波段100 kW多注速调管的单个电子枪进行三维模拟计算,通过设置最小网格尺寸和发射时间间隔,得出的电流和导流系数与采用EGUN等软件计算的结果相一致,通过从MAFIA中导入三维磁场数据,模拟了位于径向不同位置处电子注通道的电子轨迹,研究发现在磁场均匀性较好的情况下,位于径向不同位置处的电子轨迹相差很小,同时讨论了如何减少模拟时间的问题.本文最后计算了多个注的电子枪,求得了电流值和导流系数,从中导入数据可以分段模拟多注速调管高频互作用段的注波互作用,以及收集极区域的电子发散.     

S波段多注速调管电子枪设计

介绍了一种应用于S波段同轴腔高功率多注速调管的电子枪设计方案。该电子枪总电子注数目为40个(内层19个,外层21个),工作电压为60 kV,总电流为300 A(平均分配在40个电子注上),单注导流系数为0.51μP,总导流系数为20.4μP,设计的阴极电流发射密度小于12 A/cm²,电子枪内最大场强为16.6 kV/mm。为使系统小型化,采用周期反转永磁聚焦系统约束电子注,聚焦系统由四组磁钢形成三个磁场均匀区,三个均匀区的磁场逐级增大,最小磁场强度为0.11 T,最大磁场强度为0.12 T。采用三维计算软件对电子注静电轨迹、磁场分布及聚焦轨迹进行了计算和优化,设计的多注电子枪电子注通过率达到了100%。     

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。     

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。     

浸没流多透镜多注电子光学系统的模拟研究

该文采用先2维后3维的计算方法,对L波段高峰值功率多注速调管电子光学系统进行了模拟设计。采用均匀场浸没流多透镜聚焦系统对电子注进行聚焦,获得了通过率100%,填充因子55%,特性良好的旁轴电子注。模拟计算表明,多透镜系统可有效调整电子注平衡半径,电子枪区均匀场可有效调整电子注波动性及层流性,聚集系统可在阴极磁感应强度为0.001~0.01 T,主磁场为0.06~0.13 T的范围内实现对旁轴电子注的良好聚焦。     

带状电子注聚焦系统设计

通过理论分析、数值模拟和实验研究了PCM 结构聚焦椭圆带状电子注的可行性。利用三维PIC 粒子模拟软 件模拟了椭圆带状电子注在PCM 结构行程的周期磁场中的传输过程,结果显示：截面为10x0.4 mm2 的椭圆带状电子 注在12x0.8 mm2 的矩形通道中稳定长距离传输120mm 无截获。对PCM 聚焦结构的磁场进行了测试,测试结果与数 值模拟结果相符。实验并研究了该PCM 聚焦系统约束带状电子注的能力,测试用速调管的设计电压为75kV,在56.8kV 时的直流通过率达到52.1%,并随着工作电压的升高呈上升趋势。     

多注周期永磁聚焦系统横向磁场的研究

从理论上对多注行波管周期永磁聚焦系统横向磁场的性质以及对电子注聚焦的影响进行了讨论,并借助仿真手段分析了一五注耦合腔周期永磁聚焦系统各电子注通道轴内的横向磁场分布规律,讨论耦合槽结构对横向磁场分布的影响,并对横向磁场造成的电子注偏移进行了粒子模拟。     

行波管过渡区磁场的研究与设计

周期永磁聚焦系统因其体积小、重量轻等优点而在行波管中得到广泛的应用。为了进一步改善其特性,文章 通过MTSS 软件对不同磁场聚焦下的电子注进行模拟,结果表明对于不同的过渡区磁场值,使电子注聚焦的磁场的最 佳起始位置不同,它随过渡区磁场值的增大而逐渐远离阴极并靠近注腰位置。这个结果对于PPM 的优化具有重要的意 义。加入优化后的聚焦磁场并使用三维程序对Ku 波段150W 螺旋线行波管的电子注进行模拟,波动由原来的20%降低 为11%;同时降低了所需要的周期磁场的峰值,这有助于实现行波管的小型化。     

W波段带状注速调管电子光学及注波互作用系统的研究

通过冷流模型理论对均匀场聚焦带状电子注的传输进行了研究,结果表明,通过增强聚焦磁场并提高电子注填充高度因子,可以有效降低Diocotron不稳定性并实现长距离的稳定传输.结合理论研究,对均匀场聚焦带状注电子光学系统进行了三维仿真设计与优化,利用自主开发的二维非线性注波互作用程序SBK2D,对W波段带状注速调管进行了初步分析,结果为输出峰值功率69 kW、效率24%、增益37dB、3dB带宽100 MHz.研制出的具有高机械对准精度的带状注速调管电子束管,带状注截面10 mm×0.5 mm,且在电子注电压20～82 kV,电流0.50～4.27A,长度100 mm的漂移通道内电子注传输直流通过率达到98%以上,高于之前在90 mm漂移通道内获得的95%的实验结果.     

一维阵列电子注平面聚焦系统磁场分布特性

针对平面集成行波管对一维阵列电子注聚焦的应用需求,设计了4通道电子注平面磁聚焦系统。将各通道磁场轴向和横向分量沿轴分布特征计算结果与测试结果进行对比,确认了Opera软件计算磁场分布特征的准确性。为与轴对称周期永磁(PPM)聚焦系统电子注通道内磁场分布特性进行对比,建立了轴对称PPM聚焦系统模型,测试结果与计算结果一致性较好。通过平面聚焦系统与轴对称PPM聚焦系统电子注通道内的磁场纵向和横向分布特性对比表明,两种聚焦系统电子注通道内纵向和横向磁场具有相同的分布特征,在离轴相同位置的圆周上横向磁场分量与轴向分量的比值均为B_x/B_z≈0.11,该平面聚焦系统可实现一维阵列圆形电子注的良好聚焦。     

X波段同轴多注相对论速调管放大器模拟研究

 设计了工作在X波段的同轴多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型,采用三维电磁粒子模拟软件对其高频特性进行了优化设计,对电子束经过输入腔后的束流调制、注入微波吸收情况、中间腔对束流的调制以及输出腔的微波提取情况进行了模拟研究.在输入微波功率为70kW,电子束束压为600kV,束流为5kA,轴向引导磁感应强度为0.6T的条件下,输出微波功率达到了1.3GW,效率为43%,增益为42dB,在较低的输入微波功率和较小的轴向引导磁感应强度的情况下,模拟实现了X波段RKAGW级的微波功率输出.     

S波段多注宽带速调管的研制

本文介绍了S波段200kW多注宽带速调管的研究工作。给出了多注速调管及其电子光学和聚焦系统、宽带输出电路的设计和计算结果。并给出了我国第一批实验型多注宽带速调管的性能:工作电压19kV时,控制极负偏压为7kV,脉冲电流32.25A,导流系数12.3P,电子注直流通过率91.8％。最大输出功率252kW,平均功率3.5kW,效率41％,增益49dB,带宽9.1％,带内功率波动1.7dB。     

Hollow-beam focusing with electrostatic and periodic magnetic fields

A new method of focusing a hollow cylindrical electron beam is presented. The focusing system consists of a cylindrical center conductor inside the beam, a cylindrical outer conductor enclosing the beam, and a series of periodic magnets outside the tube. A radial electrostatic field between the conductors provides an outward force on the electrons. The periodic magnetic field produces an inward force on the electrons. The inward and outward forces can be adjusted to provide a balance of all the forces acting on the electrons at both boundaries of the beam by choosing the electric and magnetic fields properly. An approximate analysis has been made and is presented which gives necessary design information. A number of curves are presented which are useful in designing focusing systems of this type. Experimental results on a beam tester show that current transmission of over 90 per cent for perveance up to 11 micropervs can be obtained readily. The adjustments are not critical and the performance is very stable.     

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。