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。     

双阳极回旋管磁控注入电子枪设计

对真实磁场进行拟合,根据电子光学原理以及绝热压缩理论,运用EGUN软件,设计了工作模式为TE34,19的170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪。最终得到的电子注速度比约为1.3,速度零散小于3%。分析了调节磁场位置、阴阳极间距、阳极间距等因素对电子注性能的影响。结果表明:电子注的速度比和速度零散对于这些影响因子的变化比较敏感,随着阴阳极间距以及阳极间距的增加,速度比逐渐减小,速度零散先减小后增大。设计的双阳极电子枪已应用于整管实验中。     

低速度零散会切电子枪的设计和数值仿真

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab,Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动,分析了单电子径向速度对零散的影响,并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度,降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真,得到的电子束速度比约为2,速度零散小于2.5%,轴向速度零散小于8.5%。     

全三维55GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟

根据绝热压缩和角动量守恒理论对55GHz双阳极磁控式注入枪进行了初始参数的设计,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟,通过改变阴极半径、电子注电流、阴极磁场等参数来分析其对磁控注入式电子枪输出结果的影响。最终通过优化参数和综合因素的考虑,得到了横纵速度比为1.44、最大速度零散为5.8%的高性能电子束,能够很好满足55GHz回旋振荡管对电子束的要求。     

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。     

全三维110GHz和220GHz同轴腔双注回旋管数值模拟研究

为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性, 本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC 对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究. 在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计, 得到了具有横纵速度比为1.0, 最大速度零散约为5.4%的高性能电子束; 并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋 发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE₀₂模、平均输出功率约在70 kW、 效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管. 关键词： 同轴腔双注回旋管 同轴双电子注电子枪 横纵速度比 速度零散     

8 mm二次谐波回旋速调管放大器双阳极磁控注入电子枪的设计

 计算了8 mm二次谐波回旋速调管双阳极电子枪的设计参数，根据这些参数，采用EGUN软件进行模拟和优化，设计出了一只双阳极磁控注入电子枪，该枪的电子束纵横速度比为1.45，速度零散为5.4%，并讨论了电极形状、磁场分布、电流、控制极电压和第二阳极电压对电子注性能的影响，结果发现电子注对这些影响因子非常敏感，设计中应对它们进行充分优化。     

94 GHz单阳极磁控注入式电子枪初始参数设计

根据94 GHz回旋振荡管对电子束的需求,在理论分析电子枪工作原理的基础上通过大量编程对94 GHz单阳极磁控注入式电子枪的一系列参数进行了初始设计, 基于粒子模拟软件CHIPIC开发了专门针对磁控注入式电子枪的计算模块并对其进行了数值模拟。模拟结果显示:该枪的电子束横纵速度比为1.42、速度零散为4.6%,符合回旋振荡管对电子注的要求。     

低速度零散的双阳极磁控注入电子枪设计

根据0.14 THz共焦波导回旋行波管对电子枪的要求,完成了双阳极磁控注入电子枪的设计。使用PIC软件对理论设计得到的结构参数进行了模拟优化,最终得到该枪的电子注横纵速度比为0.75,纵向速度零散1.33%。讨论了电极形状、阴极磁场、控制极电压及发射电流对电子注性能的影响,结果表明,设计过程中应对它们进行充分的优化。     

方形LED阵列光斑发散特性的幂函数拟合

利用LED照度公式推导方形LED阵列的光斑半径和发散角公式,建立了研究方形LED阵列光斑发散特性的数值计算方法.通过拟合得到方形LED阵列的光斑半径和发散角随目标距离、m值及阵列边长变化的幂函数公式.结果表明,幂函数拟合方法与数值计算结果吻合,平均相对误差小于1%.该方法弥补了数值计算方法不能对方形LED阵列光斑发散特性解析研究的缺陷.     

回旋行波管电子枪阴极热分析

使用有限元分析软件ANSYS对回旋行波管电子枪阴极进行了热分析和形变分析,得到了阴极模型的温度分布和热形变。为了保持阴极发射带表面温度的均匀性,增大了发射带下端与导热介质的接触面积,同时减小了发射带上端处的加热线圈个数,发现温度差由原来的18 ℃减小到了0.9 ℃。在热分析的基础上进行了热形变分析,将形变量结果带入EGUN软件验证,发现电子注的速度比增大,横向、纵向速度零散以及引导中心半径也都有所增加。     

全三维35 GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟研究

基于trade-off平衡方程组得到35GHz双阳极磁控注入式电子枪的初始参数,通过编程对其主要参数进行优化设计,并经由自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC中的电子枪计算模块对其进行全三维的数值模拟研究,最终获得了具有横纵速度比为1.5,最大速度零散约为5.4%的高性能电子枪,能够很好地满足35GHz-100kW回旋振荡管对电子束的要求。     

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统

扩展互作用器件,采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。经过计算得出,在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好,通过率为100%,得到了导流系数为0.175μP的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,平均电流密度达到343.17 A/cm2,压缩比为32,电子注横纵速度比为7.2%。     

Experimental and theoretical investigation into the effect of the electron velocity distribution on chaotic oscillations in an electron beam under virtual cathode formation conditions

The effect of the electron transverse and longitudinal velocity spread at the entrance to the interaction space on wide-band chaotic oscillations in intense multiple-velocity beams is studied theoretically and numerically under the conditions of formation of a virtual cathode. It is found that an increase in the electron velocity spread causes chaotization of virtual cathode oscillations. An insight into physical processes taking place in a virtual-cathode multiple-velocity beam is gained by numerical simulation. The chaotization of the oscillations is shown to be associated with additional electron structures, which were separated out by constructing charged particle distribution functions.     

0.6 THz三次谐波大回旋电子枪设计

基于会切磁场的理论模型,采用粒子模拟软件对0.6 THz三次谐波的太赫兹回旋管所需的大回旋电子光学系统进行研究。通过大量的模拟计算,分析讨论了不同参数对电子注的横向速度离散、纵向速度离散及横纵速度比的影响,优化了电子光学系统的性能参量,得到符合设计要求且具有工程实际应用的电子枪,该电子枪能够产生55 kV,1 A,横向速度离散为3.39%、纵向速度离散为7.10%、横纵速度比为1.53的大回旋电子注。     

Nonlinear Analysis of Coaxial Gyro-Travelling-Wave-Tube Amplifier

A set of nonlinear self-consistent equations in the electron guiding center coordinates is derived for the study of the behavior of the coaxial gyro-travelling-wave-tube (gyro-TWT) amplifier. It is found that the input signal grows faster and gets saturated earlier with the increasing of b/a (ratio of the inner to outer radius). Using an electron beam of 90kV, 10A and velocity ratio of 1.0 with 3% axial velocity spread, 275kW peak output power is obtained by calculation over the frequency range of 31.22–33.52GHz, the gain, efficiency and bandwidth are 47.4dB, 30.5% and 7.5%, respectively.     

Focusing property of a double-ring-shaped radially polarized beam

The intensity distributions of a tightly focused radially polarized beam that has a double-ring-shaped transverse mode pattern were calculated based on vector diffraction theory. The distribution of the longitudinal component near the focus varied drastically with the degree of truncation of the incident beam by a pupil. When the ratio of the pupil radius to the beam radius was approximately 1.3, the longitudinal component disappeared at the focal point, owing to destructive interference. This dark area surrounded by an intense light field was of the order of the wavelength, with excellent intensity symmetry.