行波管电子光学发射模型及数值模拟分析

摘要

行波管是一种高增益的宽带微波/毫米波功率放大器件，广泛用于数据通信、电子对抗、预警飞机、雷达、精密制导中。行波管电子光学系统由电子枪，磁聚焦系统和多级降压收集极三部分组成，内容涉及电子注的产生、成形、维持和收集。电子枪用于产生电子注，通过聚焦系统维持一定的截面形状，在互作用区产生能量交换和信号放大。电子注的质量和相关参量从根本上决定了诸如效率、增益、工作稳定性和噪声特性这样一些行波管的重要参量。多级降压收集极用于收集“工作完了”电子的能量，提高装置的总的效率、节约能源。采用计算机模拟和CAD技术是改进和优化设计，提高行波管参量的重要手段。本论文是总装备部军事电子预研“十五”重点项目：“宽带大功率行波管CAD技术研究”中的“电子枪CAD技术研究”及“多级降压收集极CAD技术研究”子课题的相关研究。 本论文主要工作和创新之处在于： 1.系统地介绍了电子光学系统国内外的研究现状，最新进展和今后的发展方向。分析和讨论了电子光学CAD技术中常用的数值计算方法。研究和建立了行波管电子光学系统的基本方程以及旋转轴对称系统中静电场，静磁场的物理模型和物理方程。建立了考虑相对论修正的电子运动方程和电子轨迹方程。 2.推导了轴对称收敛电子枪的球面发射模型，以改善利用平板发射模型对电子枪进行模拟计算引入的误差。采用球面发射模型对一系列电子枪进行了模拟，将计算结果中的导流系数，面积压缩比，注腰半径与实验数据以及国内外主要电子光学软件计算结果进行了对比分析。同时结合研究所的管型实验数据，在充分考虑温度，相对论效应影响情况下对球面发射模型下的阴极电流发射密度J进行了一定的修正。 3.系统地研究了二次电子发射模型。考虑了真二次电子，弹性反射电子以及非弹性发射电子的发射系数，角度分布，能量分布。选用了几种电极材料进行模拟，比较了考虑和不考虑二次电子以及电极材料对计算结果的影响。同时考虑了二次电子的二次电子发射。将该二次电子发射模型应用到了模拟软件中。 4.在UESTC_GUN以及UESTC_MDC软件基础上，将所研究的发射模型应用其中。在VC++6.0平台上利用C++语言设计了新的模拟程序，并进行了一系列验算。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概述

1.1行波管概述

1.2行波管电子光学系统研究现状及进展

1.2.1电子枪

1.2.2多级降压收集极

1.2.3电子光学系统CAD研究现状

1.3论文立题背景及组织结构

第二章强流电子光学系统的理论分析

2.1强流电子光学系统基本方程组的建立

2.2轴对称系统中的基本方程

2.2.1轴对称静电场

2.2.2轴对称静磁场

2.2.3电子运动方程及轨迹方程

第三章电子光学数值计算处理

3.1高性能数值计算的特点

3.2静电场数值计算方法

3.2.1有限差分法

3.2.2边界条件数值处理方法

3.2.3电场计算

3.3静磁场计算方法

3.4电子轨迹计算方法

3.5计算空间电荷密度

第四章行波管电子枪发射模型与数值模拟

4.1电子枪模拟软件程序介绍

4.2模拟软件设计

4.3模拟软件应用

4.3.1平板发射模型

4.3.2球面发射模型

4.4对平板与球面两模型计算结果的分析讨论

第五章行波管多极降压收集极二次电子发射模型与数值模拟

5.1降压收集极模拟软件功能介绍

5.2多级降压收集极的工作原理

5.3二次电子发射模型

5.3.1真二次电子

5.3.2背散射电子

5.4模拟软件设计

5.5模拟软件应用

5.6收集极计算结果分析及其再设计

第六章结语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果