高功率回旋管电子光学系统的设计与优化

摘要

微波电真空器件是指在真空环境下的一种电子系统，利用带电粒子在电极间的运动使得微波信号振荡或放大。随着现代无线电技术的迅速发展需要利用频率更高的电磁波来传输信息，科学工作者相继发明了磁控管、速调管、行波管、回旋管以及各种相对论器件。微波电真空器件相对半导体器件有很大优势，其功率范围广，可以到达吉瓦量级，工作频率高。微波电真空器件与固态器件相比受核辐射和电磁辐射的影响很小，是一种重要的空间装备。回旋管相比于其它微波器件是更可靠的高功率微波源，在电磁波谱上它填补了激光和传统真空电子器件之间的空白，使微波电真空器件可以工作在更高频率、以及可以得到更高的输出功率。高功率回旋管是利用做回旋运动的电子注与场发生互作用实现能量的交换。因为回旋管的诸多优势，在军事方面如电子对抗、雷达通信，民生科技方面如生物医学、安检探测等都有着巨大的应用前景。 要得到高效率回旋管，首先需要得到具有一定横向速度且零散较小的电子注，磁控注入电子枪在阴阳极的电场和磁场作用下发射满足要求的回旋电子注。本文结合课题组实际科研项目从电子光学理论出发，通过相应的软件对磁控注入电子枪进行了仿真分析，利用电磁场分析软件设计了收集极散焦系统，本文的主要内容： 1. 从麦克斯韦方程出发，详细阐述了电子光学系统的理论基础，对磁控注入电子枪的设计方法进行了分析。用CST和MAGIC对电子枪进行了数值仿真，对影响电子注性能的关键因素进行了详细分析，设计了一只速度比为1.3，横向速度零散6.8%，工作频率为105GHz的单阳极磁控注入电子枪。 2. 对回旋管收集极区的电子注的运动轨迹进行研究，基于磁场再聚焦理论，利用CST和MAGIC为收集极设计了交流散焦线包。电子注原始落点宽度为3.33cm，在散焦线包作用下，电子注的落点在46cm的范围内来回扫动。 3. 分析了交流线圈产生的涡流损耗对散焦所产生的影响，并利用JMAG电磁场分析软件对涡流损耗的影响因素进行了分析，为设计收集极交流散焦线包提供了依据。

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