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片状电子注电子枪理论研究

作　者: 郭先奎
导　师: 宫玉彬；段兆云
学　校: 电子科技大学
专　业: 物理电子学
关键词: 片状电子注电子枪 CST
分类号: TN14
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 121次
引　用: 4次
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内容摘要

真空电子学既传统又新颖,由于新材料、新电磁结构的出现,真空电子器件领域的新思想、新发明仍然层出不穷,使器件的性能和可靠性不断达到新高度。在一些重要的军事和民用系统中,高功率、高频率放大器必不可少且其他器件不可替代。美国军方的270多个军用系统,如雷达、电子战、通讯系统中,共有185000个真空电子器件的接口;在航空航天、受控热核聚变、高能粒子加速器等科研领域,真空电子器件应用也非常广泛;而在民用方面如工业加热、医疗设备、通讯系统中,真空电子器件是重要的微波功率源;在过去的十多年里,卫星数字通讯技术的快速成长更为真空电子器件拓展了市场空间,显示出了巨大的应用前景。特别是毫米波段的电真空器件,由于频段介于微波和红外之间,具有绝对带宽宽、波束窄,能全天候工作的优点,在雷达、制导、通信、电子对抗、遥感、辐射测量等方面具有巨大的应用潜力。然而由于毫米波段的电真空器件的尺寸小,传统的圆形或圆环形电子注就不适合作为其电子源,新的适应这种器件的电子源就成为目前研究的热点和重点。经过研究发现片状电子注具有诸多优点,如它可以以非常小的横向尺寸来传输大电流,因而可以使毫米波器件产生高功率;它可以大大降低空间电荷效应,从而降低对聚焦系统的要求,有利于扩大互作用区域等,因而它非常适合作为毫米波电真空器件的电子源。除了应用在毫米波电真空器件中,片状电子注还广泛地应用于加速器﹑工业材料处理和生物医学中。片状电子注的产生和稳定传输涉及到微波电子学、等离子体电子学、电磁场与微波技术、真空技术、材料科学等学科,是一个综合性的应用基础研究问题。通过对它们进行深入细致的研究,不仅可以提高我国在真空电子领域的基础研究水平和自主创新能力,具有重要的科学意义,而且可以解决毫米波真空电子器件和加速器所急需的电子源,打破西方国家的技术封锁,满足我国军事和民用电子系统的急需,具有极其重要的现实意义。目前,片状电子注的产生主要有两种方法,①直接法:直接由片状电子枪产生片状电子注,其中片状电子枪又分为矩形片状电子枪与椭圆形片状电子枪。②间接法:由圆形电子枪加上非对称螺旋棱镜产生片状电子注。本文主要对直接产生片状注的方法进行了理论研究和粒子模拟。本文首先基于平行注皮尔斯电子枪的设计理论,推导出了无限大平板二极管空间电荷流的电位分布,再从无限大平板系统中分别截取出我们所需的矩形片状注和椭圆形片状注,并确定其保持平行注所需的边界条件,最后通过求解截取的电子注所满足的物理方程,得到注外等势面表达式。我们可以通过数值求解的方法最终确定片状注电极结构形状。本文也采用粒子模拟软件分别对矩形片状注与椭圆片状注的产生过程进行了模拟,并得出了影响其收敛性的几个条件,为片状注电子枪的设计提供了重要的理论依据。本文在结论中对矩形片状注与椭圆形片状注进行了比较,分别给出了这两种片状注电子枪各自的优缺点。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-15
  1.1 毫米波技术  10-11
  1.2 片状电子注微波管的发展  11-12
  1.3 片状电子注理论  12-14
  1.4 学位论文的工作  14-15
第二章强流电子枪基本理论  15-19
  2.1 强流电子光学与弱流电子光学  15-16
  2.2 强流电子枪  16
  2.3 强流电子枪基本结构  16-17
  2.4 皮尔斯原理  17-19
第三章片状注电子枪理论研究  19-40
  3.1 空间电荷限制流  19-22
    3.1.1 空间电荷限制流的概念  19-20
    3.1.2 形成空间电荷限制流的物理解释  20-22
  3.2 无限大平板二极管系统中的空间电荷流  22-25
  3.3 矩形片状注电子枪  25-27
  3.4 椭圆柱坐标系  27-28
  3.5 椭圆形片状注电子枪  28-40
第四章片状电子注电子枪的三维粒子模拟  40-59
  4.1 CST粒子模拟软件介绍  40
  4.2 矩形片状注电子枪三维粒子模拟  40-48
    4.2.1 模型的建立  40-42
    4.2.2 电子枪的激励源  42
    4.2.3 边界条件设置  42
    4.2.4 栅格划分  42
    4.2.5 电子枪结构参数对电子注收敛性的影响  42-48
      4.2.5.1 平行注的获得  42-44
      4.2.5.2 阴极聚焦电极倾角对电子注收敛性的影响  44-45
      4.2.5.3 阳极倾角对电子注收敛性的影响  45-46
      4.2.5.4 阳极电位对电子注收敛性的影响  46-47
      4.2.5.5 对仿真结果的理论分析  47-48
  4.3 椭圆形片状注电子枪三维粒子模拟  48-59
    4.3.1 模型的建立  48-50
    4.3.2 CST粒子模拟软件中的参数设置  50
    4.3.3 电子枪结构参数对电子注收敛性的影响  50-59
      4.3.3.1 平行注的获得  50-51
      4.3.3.2 短轴方向倾角对片状注收敛性的影响  51-53
      4.3.3.3 同时改变阴极聚焦电极长短轴方向倾角对电子注收敛性的影响  53-54
      4.3.3.4 同时改变阳极长短轴方向倾角对电子注收敛性的影响  54-55
      4.3.3.5 阴阳极间距对电子注收敛性的影响  55-56
      4.3.3.6 阳极电压对电子注收敛性的影响  56-57
      4.3.3.7 对仿真结果的理论分析  57-59
第五章结论  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-63
攻硕期间取得的研究成果  63-64

片状电子注电子枪理论研究

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