冷阴极在高频真空器件中的应用研究

摘要

冷阴极电子源由于其诸多的优点，例如可以直接发射密度调制后的电子流，被认为是传统热阴极电子源的理想替代，已被广泛应用于高频真空器件，从而能使高频真空器件变得质量轻，小型化和高效率，因而迅速成为各国研究热点之一。 高工作频率、高稳定性的脉冲发射冷阴极一直是高频真空器件电子源的研究重点，已有研究表明冷阴极能够发射的脉冲调制（密度调制）电流频率可达10-30 GHz，但是由冷阴极产生的高频、脉冲电子注在慢波系统中的群聚特性、该电子注与时变电磁场之间的相互作用机制，利用冷阴极产生的高频、脉冲电子注获得的微波信号放大特性等方面的研究文献并不是很多。而将高频脉冲发射冷阴极作为电子源应用在微波管中，对于减小微波器件长度，降低成本，提高器件的输出功率和工作效率有着重要意义。因此本论文重点针对脉冲发射冷阴极电子源在螺旋线行波管中的应用，通过模拟分析其对行波管内电子群聚、注-波互作用等器件性能的影响，为脉冲发射冷阴极电子源在高频真空器件中的应用提供重要的理论指导。本论文的主要内容如下： 首先介绍冷阴极和场致发射的原理，并详细讨论了现阶段计算场与粒子互作用的首选PIC（Particle-in-Cell）方法的原理，包括场方程，粒子方程，场和粒子耦合以及它们的边界条件等。同时还对基于PIC方法的软件原理和使用做了归纳总结。本论文采用PIC软件作为仿真工具。 接着回顾了脉冲发射冷阴极电子源的发展现状，然后本论文以螺旋线行波管为研究对象，模拟三种电子源模式：发射高幅值脉冲电子注的冷阴极、发射低幅值脉冲电子注的冷阴极和发射密度均匀连续电子注的热阴极，通过分析管内电子注运动速度和电流的调制，得出不同电子源模式对行波管内电子群聚现象的影响。本文通过大量的数值计算和分析发现，与传统的热阴极发射直流电子注相比较，采用冷阴极发射高频脉冲电子注可以提高电子群聚的效果。这对于提高微波信号的放大能力具有重要的意义。 最后对冷阴极螺旋线行波管内注波互作用过程进行数值分析，包括分析注-波互作用物理过程，获得高频场纵向电场的放大特性和功率的输出。通过以上的研究，本文发现输入脉冲调制电子注电流的变化幅度越大，输出纵向电场放大的比例也大，继而得到较大的输出功率。当电子源模式为发射高幅值脉冲电子注的冷阴极时，与输入功率相比较，输出功率放大了62倍。而在同样的工作情况下，采用热阴极发射直流电子注的模式，其输出功率的放大倍数仅为4．37。因此，采用冷阴极发射高频脉冲电子注，可以有效地提高行波管中微波信号的放大能力。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 阴极电子学

1.1.1 热电子发射

1.1.2 场致电子发射

1.1.3 其他电子发射

1.2 冷阴极在高频真空器件中的应用

1.2.1 FEA在微波器件中的应用

1.2.2 碳纳米管作为冷阴极场发射材料及其在微波管中的应用

1.3 论文的研究意义及主要工作

参考文献

第二章 计算机模拟方法介绍

2.1 基于PIC(PARTICLE—IN—CELL)方法的模拟软件

2.1.1 PIC方法综述

2.1.2 PIC方法的物理依据

2.2 PIC模拟软件的原理与方法

2.2.1 PIC模拟软件的基本原理

2.2.2 PIC软件模拟的具体流程

2.3 小结

参考文献

第三章 冷阴极螺旋线行波管电子群聚的研究

3.1 行波管的基本工作原理

3.2 脉冲发射冷阴极电子源的研究

3.3 粒子模拟软件

3.3.1 MAGIC

3.3.2 CHIPIC

3.4 螺旋线行波管内电子的群聚

3.4.1 关于模型的说明

3.4.2 电子注运动速度的调制

3.4.3 电子注电流的调制

3.5 小结

参考文献

第四章 冷阴极螺旋线行波管内注波互作用粒子模拟计算

4.1 电子注-波互作用理论研究

4.1.1 电子的运动方程

4.1.2 场的激励方程

4.2 螺旋线行波管内注-波互作用模拟计算

4.2.1 纵向电场的调制

4.2.2 功率模拟结果

4.3 小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

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