行波管电子枪热初速的理论及分析

摘要

行波管是一种利用电子注与微波信号发生相互作用来实现微波放大功能的微波电子真空器件，由于其具有高输出功率、高效率、宽频带的特点被广泛用于雷达、电子对抗、毫米波通信等领域。电子枪作为行波管产生电子注的唯一器件，其性能对整个行波管起着至关重要的作用。电子枪中的阴极发射是影响电子注质量的关键因素，而阴极发射模型中的热初速效应会严重影响电子注的形状，特别是在低导流系数电子枪中热初速效应的影响尤为明显。因此在仿真设计中电子枪阴极发射模型的研究是非常有必要的。 本文对行波管电子枪热阴极发射模型进行了深入研究。推导了数值计算中的热阴极发射模型，根据热初速分布函数，并参考 MICHELLE 软件中的离散方法，把热初速分布函数归一化处理并用区域离散的方法把连续的函数变成便于数值计算的离散的点。行波管电子枪中的阴极大多采用球面结构，并且仿真计算中每个阴极面上的网格内的所有电子用一条宏粒子轨迹表示，该轨迹代表着多个电子的整体效应，该三角形发射面的电子发射被看作了平面进行发射，因此发射模型需要考虑形状的影响，本文利用电子在电磁场中的运动与光在媒质中传播的相似性，把阴极面等效成焦点为球心的聚焦透镜从而计算出球面阴极约束下的发射角度，得到了球面阴极结构电子枪中热初速的离散模型。 本文仿真并分析了热初速效应在球面阴极结构电子枪下的影响。分析了电子枪中的参数对热初速效应的影响，分析得到阴极半径与阴极曲率半径比值越大、导流系数越大、阳极电压越大、阴极工作温度越小的电子枪中热初速效应的影响越小。通过对栅控电子枪的仿真与分析，得出栅网的存在会使热初速效应的影响增大。CST 软件中能量分为均匀分布和 Maxwell 分布，用这两种发射方式来对比MTSS软件中电子枪的模拟结果，并分析产生误差的原因，原因是由于网格划分、发射方式以及角度设置的不同引起的误差。 本文提出了行波管电子枪中抑制热初速效应的方法。电子枪中的热初速离散模型是实际物理模型的近似，其误差不可避免，如果能在满足设计要求的情况下设计出热初速效应影响很小的电子枪，就可以提高设计与加工装配之间的吻合度。根据前面的研究可知通过增大导流系数、增大阳极电压或者增大阴极半径与阴极曲率半径比等方法可以抑制热初速效应的影响，并给出了电子枪的优化实例。

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