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EIO强流电子光学系统研究与设计

作　者: 孙富宇
导　师: 刘盛纲
学　校: 电子科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 电子光学电子枪空间电荷限制聚焦极
分类号: TN14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

强流电子光学系统主要包括电子枪和聚焦系统两个部分,其设计目的是作为器件的能量源,提供满足要求的电子注,前者负责注的产生,后者负责注的聚焦,在粒子加速器、自由电子激光、高功率微波源等方面均有重要应用。伴随基于真空电子学的太赫兹辐射源的迅速发展,强流电子光学正面临新的机会和挑战。本论文工作即立足于开展低频太赫兹辐射源——扩展互作用振荡器(EIO)实验的实际需求,对EIO电子光学系统进行了研究与设计,主要内容和相关结论如下:分析和综述了空间电荷限制流,特别是二维空间电荷限制流的发展现状;利用粒子模拟软件MAGIC(2D)研究了Ka波段EIO轴对称皮尔斯电子枪中空间电荷限制电流流通问题,总结出一些具有实际意义的规律,包括:平板电子枪具有比皮尔斯电子枪更大的空间电荷限制电流密度;皮尔斯聚焦极的应用极大地抑制了电流密度的增强效应,所提供的稳态空间电荷限制电流值几乎与一维情况下相等;皮尔斯聚焦极高度和施加纵向磁场大小对限制流影响很小等。利用三维仿真软件CST粒子工作室设计了Ka波段EIO圆柱状电子光学系统,详细分析了电子枪各结构参数对电子注品质的影响,总结了适用于设计和优化轴对称皮尔斯电子枪的规律:对于电流值,聚焦极近轴点对其影响最大;近轴点固定时,电流随聚焦极角度的正切值呈接近线性变化,而与聚焦极高度几乎无关等。根据径向力平衡理论计算了聚焦磁场,实现了电子注无脉动传输。MAGIC二维粒子模拟以及本章的CST三维仿真皆证明,对于限制流,最大的差别在于有无聚焦极,而非其高度,但往往聚焦极越高电子注层流性越好,轨迹越平坦。带状注由于其相对小的空间电荷效应、易加工和高输出功率等优点,在高频电真空器件中吸引了研究者的广泛关注。其中,带状注的产生是实现其应用的关键之一。本论文利用三维仿真软件CST进行了Ka波段和W波段EIO带状注电子枪的初步设计,按照阴极形状不同,分为椭圆平板阴极直发射电子枪和圆盘平板阴极单面压缩电子枪,均采用椭圆形状聚焦极,产生了满足要求的电子注。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-13
  1.1 强流电子光学系统发展概述  9-11
    1.1.1 强流电子光学介绍  9-10
    1.1.2 强流电子光学应用  10-11
  1.2 EIO 中的强流电子光学系统  11-12
  1.3 本文研究内容  12-13
第二章强流电子光学基本理论  13-22
  2.1 电子光学系统中的电磁场  13-18
    2.1.1 轴对称结构的电磁场  13-16
    2.1.2 平面对称结构的电磁场  16-18
  2.2 电子在电磁场中的运动  18-22
    2.2.1 轴对称场内的运动方程  19-21
    2.2.2 平面对称场内的运动方程  21-22
第三章电子注空间电荷限制流  22-35
  3.1 空间电荷限制流研究意义及进展  22-23
  3.2 二维空间电荷限制流研究  23-27
  3.3 皮尔斯电子枪空间电荷限制流  27-34
    3.3.1 皮尔斯电子枪稳态空间电荷限制流  28-32
    3.3.2 皮尔斯电子枪饱和空间电荷限制流  32-34
  3.4 本章小结  34-35
第四章圆柱状电子光学系统设计  35-45
  4.1 圆柱状电子枪设计  35-40
  4.2 聚焦磁场设计  40-41
  4.3 电子光学系统三维模拟  41-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章带状注电子枪初步设计  45-52
  5.1 带状注电子光学系统的发展  45-46
  5.2 带状注电子枪设计  46-51
  5.3 本章小结  51-52
第六章总结  52-54
致谢  54-55
参考文献  55-59
攻硕期间取得的研究成果  59-60

EIO强流电子光学系统研究与设计

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