栅网结构碳纳米管冷阴极电子光学系统的设计

基于碳纳米管冷阴极实验测试结果,采用三维粒子模拟软件对大面积碳纳米管冷阴极的场致发射特性进行了仿真,研究了栅网结构不同尺寸对碳纳米管冷阴极场致发射特性及电子注通过率的影响,并在此基础上设计出面积压缩比为18,输出电流密度为14.9 A/cm2的带状注电子枪。为进一步研制碳纳米管冷阴极电子光学系统和相关微波、毫米波电真空辐射源器件提供了技术基础。     

高电流密度圆柱状电子光学系统设计

设计了高电流密度圆柱状电子枪,并分析了枪体参数对电子注品质的影响;运用径向力平衡理论计算了聚焦磁场.三维模拟软件CSTPARTICLESTUDIO模拟显示,在枪体电极和空间电荷形成的静电场,以及聚焦磁场作用下,电子呈角向先变速后匀速螺旋状运动,其旋转半径始终与出射阴极面时的半径相同,从而在枪区和互作用通道内维持了注包络水平.模拟结果与设计理论相符.注平均电流密度达到24·4A/cm2,层流性良好,填充因子76·7%,流通率100%.     

一种5.8 GHz磁控管粒子模拟

 借助3维粒子仿真软件对一种新型18叶片5.8 GHz磁控管进行了动态模拟,比较了爆炸式发射与电子注发射的不同。利用磁路电子注发射方式针对不同的阴极发射电流进行了动态模拟,得到了不同发射电流条件下磁控管的工作特性。同时,利用FEMM仿真软件对磁控管磁路进行了仿真,得到了磁控管互作用空间的磁场分布,并在此基础上,对非均匀磁场下磁控管动态性能进行了模拟。     

毫米波速调管电子光学系统的研究

电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键,毫米波速调管零件尺寸较小,为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率,要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析,确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案,利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算,并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压26 kV,发射电流2 A,互作用区长度30 mm,磁场强度大于0.6 T,流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压17 kV,电流0.65 A,互作用区长度20 mm,磁场大于0.9 T,流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管,设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。     

太赫兹源场致发射电子源

通过粒子模拟(PIC)软件模拟计算了在ps级别下二极与三极结构碳纳米管场致发射的电流密度与电子注聚焦性能。阳极电压在2 kV时,二极结构下电流密度达到1.85 A/cm2;三极结构下,栅压700 V时发射电流密度达到2.3 A/cm2,且在一定的三极结构参数与电极电压下,可以获得较好的电子注聚束效果。通过碳纳米管二极管发射实验,获得了6.6 A/cm2的发射电流密度,总发射电流达到52.1 mA,可以为太赫兹器件提供连续发射的电子注。     

W波段扩展互作用速调管电子光学系统

W波段扩展互作用速调管电子光学系统由皮尔斯电子枪与均匀永磁聚焦系统组成,用于电子注的产生与传输。利用Vaughan迭代综合法及数值模拟优化设计了皮尔斯电子枪,并按照电子注传输特性要求研制了均匀永磁聚焦结构。根据电子光学系统的三维模拟,导流系数0.21μP,注电流大于0.5A,注平均半径小于0.3mm,射程大于11mm。永磁聚焦磁场约0.33T,传输距离大于50mm,电子注通过率达到100%。电子枪与聚焦系统已加工完毕并通过测试,技术指标满足要求。     

220 GHz回旋管脉冲磁场系统和电子枪的设计与实验研究

 根据220 GHz回旋管的工作要求,设计了其所需的脉冲磁场系统与电子枪。脉冲磁场系统采用哑铃状结构,具有均匀区长、电阻小与电感小等优点,可以在较低电容与电压下获得更高的脉冲峰值磁场,并分析了其脉冲放电特性。电子枪采用双阳极磁控注入枪,用EGUN对其进行了设计优化,电子注纵横速度比为1.53,速度零散为3.1%。实验研究表明,脉冲磁场峰值强度达到8 T,电子注电流达到2 A,电子电流基本传输到靶片,控制极与阳极没有截获到电子,脉冲磁场系统与电子枪工作正常,达到设计要求。     

一种高功率返波管理论

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究,其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2,发射面积为100 cm2,发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究,在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数,再对整管进行粒子模拟研究,仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时,该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW,换能效率为29%。     

一种新型周期永磁聚焦系统过渡区的设计

 分析了过渡区中电子注调节的基本原理，设计了一种渐变式的过渡区结构，其注腰半径为0.8 mm，周期均匀磁场峰值为0.29 T，周期为4.5 mm，压缩比为22。该结构能够在减小电子枪压缩比的情况下对电子注进行再压缩，得到符合互作用要求的电子注。将采用渐变式过渡区结构的电子注匹配与采用传统方法的电子注匹配进行了比较，模拟结果表明：采用渐变式过渡区结构匹配电子注不仅能有效改善电子注的层流性（波动性为8%），还能够提高电子光学系统的稳定性。根据此方法对Ku波段6 kW行波管的电子光学系统进行了模拟计算，得到了良好的设计结果。     

回旋速调管双阳极磁控注入电子枪的设计与优化

 根据8 mm回旋速调管放大器对双阳极磁控注入电子枪的要求，分析了电极形状、阳极电压、磁场、注电流对电子注横纵速度比和速度零散的影响，并进行了粒子模拟。分析表明：这些因素可归根为电场和磁场的作用，阴极附近高的电场有助于提高横纵速度比和降低速度零散；而高的磁场及低的磁压缩比将降低横纵速度比，但对速度零散影响无明显规律。在此基础上通过优化电极形状、磁场分布、电流、第一阳极电压和第二阳极电压，模拟并试制出工作电压65 kV、电流12 A、磁场1.4 T的双阳极电子枪，得到的横纵速度比值为1.4，横向速度零散为4.5%， 为8 mm回旋速调管提供了稳定高质量的电子注。     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究

电子光学系统是行波管的核心部件之一,在太赫兹频段,电子束通道很小,导致高电流密度电子束的传输非常困难。基于220 GHz折叠波导行波管慢波结构设计所需束流参数,根据理论分析和电磁仿真软件,设计了一款采用均匀永磁聚焦对电子束进行约束的电子光学系统。仿真结果显示,当电子束通道直径0.3 mm、长度31 mm时,在阴阳极压差20 kV的条件下阴极发射电流141 mA,电子流通率100%。根据设计结果封接了流通管,实验结果显示,当阴阳极压差20 kV时,阴极发射电流138.5 mA,收集极电流125.5 mA,电子流通率91%。     

HIRFL—CSR电子冷却装置的电子枪设计

 从理论上推导并分析了绝热加速原理，进而应用改进的EGUN程序对HIRFL – CSR冷却装置电子枪进行了模拟设计。给出了电子束的横向温度随电极结构和螺线管纵向磁场的变化情况。计算结果表明：在冷却装置的整个工作能量范围内，可以获得横向温度低于0.1eV的电子束。     

170 GHz回旋管大束流双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

 基于绝热压缩原理和强流电子光学理论,设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪,经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31,横向速度零散度为3.5%,纵向速度零散度为6.1%,束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响,发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感:随着阴极磁场的增大,电子注的速度比减小,纵向速度零散度先增大后减小,横向速度零散度先减小后增大;阳极角越接近阴极倾角,纵向速度零散度越小;阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下,增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。     

8 mm三次谐波潘尼管大回旋电子枪设计

根据现有磁体条件和工艺设计了一过渡区较长的倒向磁场系统,其主磁场为0.396 T,反向磁场为-0.033 T,并给出了一种实用8 mm三次谐波潘尼管电子枪的设计结果。该大回旋电子枪工作在43.5 kV,1.45 A下,阴极可置于轴向磁场幅值渐减区域。该结构电子枪不追求在通过反转点之前形成薄的环形电子束,不利用突变倒向磁场,不需要刻意控制磁力线与电子注包络走向的一致性,显著降低了调试的难度和要求。最终优化所得电子注的纵向速度零散为4.78%,偏心率为7.18%,速度比高达2.2,而速度比的零散仅为4.88%,满足三次谐波潘尼管的要求。经大信号模拟计算,在该电子枪驱动下,潘尼管器件功率可达31.9 kW,效率高达49.4%,总体参量仍具有吸引力且建立在可实现的电子光学系统基础上。     

准矩形截面强流相对论带状电子束的传输

提出利用准矩形截面带状电子束传输强电流.相对于目前广泛采用的椭圆形截面带状电子束,在大横纵比,即电子束的宽度(横向)远大于厚度(纵向)的情况下,其厚度沿横向更加均匀,利用冷阴极爆炸发射容易产生.该电子束利于高功率微波发生器中腔体模式的控制和束波作用效率的提高,如果利用模块化的结构还可使阴极及聚焦磁铁在宽度上的扩展更加容易.首先给出了准矩形截面带状电子束空间电荷场的典型分布,然后根据该分布和束匹配的方法对相互独立的周期会切磁铁和边聚焦磁铁分别进行了设计.其中边聚焦磁铁的磁化方向与以往的纵向不同,为横向磁化,其激励的边聚焦磁场在电子束宽边的边缘附近的梯度更大,有利于横向的束匹配.最后根据理论分析的结果进行了粒子模拟.结果表明,300keV,3kA的准矩形截面强流相对论带状电子束可以在0.163T的周期会切磁场和0.064T的横向磁化边聚焦磁场中稳定传输,电流传输效率大于98%.     

C波段50 MW行波输出速调管设计

设计了导流系数1.53 P的电子枪,枪内场强低于22.1 kV/mm,阴极平均负载小于6.3 A/cm2;采用部分屏蔽流均匀场电磁聚焦系统,实现了对电子注的良好聚焦;设计了C波段/2模盘荷波导行波输出结构,采用CST软件对其色散特性、耦合阻抗进行了计算分析。首先以单间隙输出腔代替行波输出结构对5腔注-波互作用系统进行计算,确定了前4腔的设计参数,然后采用PIC模拟软件对具有盘荷波导结构的输出系统进行了三维模拟,获得了大于50 MW的输出功率,效率大于45%,饱和增益大于50 dB,盘荷波导结构间隙电压比单间隙输出腔下降30%,效率提高4%。