径向电子束的产生与传输

摘要

在高功率微波的发展过程中，高功率、高频率、高效率和小型化成为大多数高功率微波源的发展方向，随着微波频率的提高，器件的尺寸将逐步减小，较小的空间使得器件的馈入功率容量受到限制。相同条件下增加电压或电流虽然可以解决馈入功率减小的问题，但将引起绝缘设计的困难，同时束流密度的增加将导致束波转换效率减小和引导磁场系统重量和功耗的增加。径向电子束由于具有较大的发射截面，相同输入功率下较低的电流密度可以使系统具有较高束波转换效率的潜力，同时避免了过大的束流密度对引导磁场系统和微波源性能的不利影响，因此对高功率微波源中使用径向电子束开展研究具有重要的意义。径向电子束的产生与传输是径向电子束微波源研究中需要首先解决的问题，而对于该问题的研究和报导相对较少，在此背景下，本文对产生径向电子束的同轴无箔二极管和聚焦径向束流传输的引导磁场系统进行了设计，并就径向电子束产生与传输中的相关问题开展了研究，论文的研究内容主要包含以下几个方面:
　　首先对径向电子束的产生进行了研究。设计了一种产生径向电子束的同轴无箔二极管结构，对二极管的I-V关系、阻抗特性和发射电流特性进行了仿真分析和数值计算，进一步对二极管绝缘子结构进行了设计;分析了二极管内角向磁场空间分布的非对称特性，结合单电子运动理论对径向电子束的偏移特性进行了理论分析，进一步分析了相同输入功率下二极管阻抗和束流偏移幅值的关系。
　　其次对径向线内电子束的空间极限电流进行了研究。建立了径向电子束的空间电荷场模型，通过求解径向线内电势满足的泊松方程和边界条件，得到了径向电子束的电势、电场分布和空间电荷限制流的解析表达式;接下来对电势满足的非线性方程进行了数值计算，求解得到了该条件下的空间电荷限制流;最后将两种求解结果进行了对比，给出了径向线结构和束流参数对空间电荷限制流和空间电荷场的影响规律，对束流密度在截面上的非均匀分布特性进行了分析。
　　接下来对浸没式聚焦径向电子束进行了研究。首先分析了螺线盘产生磁场的空间分布特性，研究了单根线圈、单层螺线盘和多层螺线盘的空间磁场分布规律;建立了浸没式聚焦径向电子束的传输模型，根据单电子运动理论对浸没式聚焦径向电子束的束流传输特性进行了理论分析，并给出了所需引导磁场强度和二极管阻抗的关系，进一步研究了浸没式聚焦方式下束流偏移可忽略的条件;设计了一种螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统，在束流参数为电压300kV，电流7.3kA的条件下获得了径向100mm范围内稳定的束流传输;接下来分析了磁场轴向分量和初始端磁场分布的均匀性对束流传输的影响，并设计了一种螺线盘和永磁体混合聚焦的引导磁场系统，在电压300kV，电流7.5kA的束流参数下实现了径向100mm范围内的稳定束流传输。
　　最后对非浸没式聚焦径向电子束进行了研究。设计了一种带聚焦电极的同轴无箔二极管，分析了径向电子束在无引导磁场条件下的束流偏移幅值和二极管阻抗的关系;理论分析了非浸没式聚焦径向电子束的束流传输特性，给出了电子的运动状态和受力过程，进一步设计了一种由线圈和屏蔽板组成的非浸没式聚焦系统，仿真研究了非浸没式聚焦径向电子束的传输过程;接下来数值分析了有限长阴极杆电流产生磁场的分布规律，理论分析了双端馈入电流模型的误差，给出了阴极杆长度对非浸没式聚焦径向电子束的影响规律;最后理论分析了径向周期磁场聚焦径向电子束的基本原理;对静态理想电子束在周期磁场下的传输过程进行了仿真研究，进一步设计了一种周期永磁聚焦系统，对二极管产生的电压200kV，电流100A的径向电子束在径向周期永磁聚焦系统下的束流传输特性进行了仿真研究，分析了周期磁场的幅值对束流轨迹的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高功率微波和高功率微波源

1．2 电子束密度对高功率微波源的影响

1．2．1 电流密度对束波转换效率的影响

1．2．2 电流密度对微波源性能的影响

1．3 高功率微波源中电子束的发展趋势

1．4 径向电子束微波源的研究现状

1．5 论文的主要研究内容

第2章 同轴无箔二极管

2．1 引言

2．2．1 同轴无箔二极管结构

2．2．2 同轴无箔二极管I-V关系

2．2．3 同轴无箔二极管阻抗和发射电流特性

2．3 同轴无箔二极管绝缘子的设计

2．3．1 阴极处绝缘子结构

2．3．2 阳极处绝缘子结构

2．4 同轴无箔二极管内磁场分布

2．5 径向电子束偏移特性的理论分析

2．6 相同输入功率下束流偏移与二极管阻抗关系的分析

小结

第3章 径向线内电子束的空间极限电流

3．1 引言

3．2 径向线内电子束空间极限电流的解析分析

3．3 径向线内电子束空间极限电流的非线性分析

3．4 计算结果及分析

3．4．1 电势和电场分布

3．4．2 空间极限电流

3．4．3 电子密度的非均匀分布

小结

第4章 浸没式聚焦径向电子束的研究

4．1 引言

4．2 螺线盘产生磁场的空间分布特性

4．2．1 单层螺线盘产生磁场的空间分布特性

4．2．2 多层螺线盘产生磁场的空间分布特性

4．3 螺线盘聚焦径向电子束的分析

4．3．1 浸没式聚焦径向电子束传输特性的理论分析

4．3．2 引导磁场幅值与二极管阻抗关系的分析

4．3．3 浸没式聚焦下束流偏移可忽略条件的分析

4．3．4 螺线盘聚焦径向电子束引导磁场系统的设计

4．4 螺线盘与永磁体混合聚焦径向电子束的分析

4．4．1 轴向磁场Bz对浸没式聚焦径向电子束传输影响的理论分析

4．4．2 初始端引导磁场分布对束流传输的影响

4．4．3 混合聚焦径向电子束引导磁场系统的设计

小结

第5章 非浸没式聚焦径向电子束的研究

5．1 引言

5．2 带聚焦电极的同轴无箔二极管

5．2．1 带聚焦电极的同轴无箔二极管结构

5．2．2 无引导磁场下束流偏移与二极管阻抗关系的分析

5．2．3 带聚焦电极同轴无箔二极管的静电轨迹

5．3 非浸没式聚焦径向电子束的分析

5．3．1 非浸没式聚焦径向电子束的理论分析

5．3．2 非浸没式聚焦径向电子束的仿真研究

5．4 有限长阴极杆电流对非浸没式径向束流传输的影响

5．4．1 有限长阴极杆电流产生磁场的分布规律

5．4．2 双端馈入电流模型的误差分析

5．4．3 阴极杆长度对非浸没式径向电子束传输影响的仿真研究

5．5 径向周期磁场聚焦径向电子束的分析

5．5．1 径向周期磁场聚焦径向电子束的理论分析

5．5．2 径向周期磁场聚焦理想静态电子束的仿真研究

5．5．3 径向周期磁场聚焦二极管产生电子束的仿真研究

小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果