徑向電子束的產(chǎn)生與傳輸.pdf

1、在高功率微波的發(fā)展過程中，高功率、高頻率、高效率和小型化成為大多數(shù)高功率微波源的發(fā)展方向，隨著微波頻率的提高，器件的尺寸將逐步減小，較小的空間使得器件的饋入功率容量受到限制。相同條件下增加電壓或電流雖然可以解決饋入功率減小的問題，但將引起絕緣設(shè)計(jì)的困難，同時(shí)束流密度的增加將導(dǎo)致束波轉(zhuǎn)換效率減小和引導(dǎo)磁場系統(tǒng)重量和功耗的增加。徑向電子束由于具有較大的發(fā)射截面，相同輸入功率下較低的電流密度可以使系統(tǒng)具有較高束波轉(zhuǎn)換效率的潛力，同時(shí)避免了過大

2、的束流密度對(duì)引導(dǎo)磁場系統(tǒng)和微波源性能的不利影響，因此對(duì)高功率微波源中使用徑向電子束開展研究具有重要的意義。徑向電子束的產(chǎn)生與傳輸是徑向電子束微波源研究中需要首先解決的問題，而對(duì)于該問題的研究和報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少，在此背景下，本文對(duì)產(chǎn)生徑向電子束的同軸無箔二極管和聚焦徑向束流傳輸?shù)囊龑?dǎo)磁場系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并就徑向電子束產(chǎn)生與傳輸中的相關(guān)問題開展了研究，論文的研究內(nèi)容主要包含以下幾個(gè)方面:
　　首先對(duì)徑向電子束的產(chǎn)生進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)

3、生徑向電子束的同軸無箔二極管結(jié)構(gòu)，對(duì)二極管的I-V關(guān)系、阻抗特性和發(fā)射電流特性進(jìn)行了仿真分析和數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步對(duì)二極管絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì);分析了二極管內(nèi)角向磁場空間分布的非對(duì)稱特性，結(jié)合單電子運(yùn)動(dòng)理論對(duì)徑向電子束的偏移特性進(jìn)行了理論分析，進(jìn)一步分析了相同輸入功率下二極管阻抗和束流偏移幅值的關(guān)系。
　　其次對(duì)徑向線內(nèi)電子束的空間極限電流進(jìn)行了研究。建立了徑向電子束的空間電荷場模型，通過求解徑向線內(nèi)電勢滿足的泊松方程和邊界條件，得到

4、了徑向電子束的電勢、電場分布和空間電荷限制流的解析表達(dá)式;接下來對(duì)電勢滿足的非線性方程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，求解得到了該條件下的空間電荷限制流;最后將兩種求解結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，給出了徑向線結(jié)構(gòu)和束流參數(shù)對(duì)空間電荷限制流和空間電荷場的影響規(guī)律，對(duì)束流密度在截面上的非均勻分布特性進(jìn)行了分析。
　　接下來對(duì)浸沒式聚焦徑向電子束進(jìn)行了研究。首先分析了螺線盤產(chǎn)生磁場的空間分布特性，研究了單根線圈、單層螺線盤和多層螺線盤的空間磁場分布規(guī)律;建立了浸沒

5、式聚焦徑向電子束的傳輸模型，根據(jù)單電子運(yùn)動(dòng)理論對(duì)浸沒式聚焦徑向電子束的束流傳輸特性進(jìn)行了理論分析，并給出了所需引導(dǎo)磁場強(qiáng)度和二極管阻抗的關(guān)系，進(jìn)一步研究了浸沒式聚焦方式下束流偏移可忽略的條件;設(shè)計(jì)了一種螺線盤聚焦徑向電子束的引導(dǎo)磁場系統(tǒng)，在束流參數(shù)為電壓300kV，電流7.3kA的條件下獲得了徑向100mm范圍內(nèi)穩(wěn)定的束流傳輸;接下來分析了磁場軸向分量和初始端磁場分布的均勻性對(duì)束流傳輸?shù)挠绊?，并設(shè)計(jì)了一種螺線盤和永磁體混合聚焦的引導(dǎo)磁場

6、系統(tǒng)，在電壓300kV，電流7.5kA的束流參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了徑向100mm范圍內(nèi)的穩(wěn)定束流傳輸。
　　最后對(duì)非浸沒式聚焦徑向電子束進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了一種帶聚焦電極的同軸無箔二極管，分析了徑向電子束在無引導(dǎo)磁場條件下的束流偏移幅值和二極管阻抗的關(guān)系;理論分析了非浸沒式聚焦徑向電子束的束流傳輸特性，給出了電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力過程，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種由線圈和屏蔽板組成的非浸沒式聚焦系統(tǒng)，仿真研究了非浸沒式聚焦徑向電子束的傳輸過程;接下來數(shù)值分