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微波管电子光学系统数值模拟及CAD技术研究

胡权  
【摘要】:微波管是现代通讯器件的核心部件,其中电子光学系统主要用于产生、聚焦、维持和收集电子。电子光学系统由电子枪、磁系统和收集极组成,涉及电磁学、阴极电子学、材料学、机械加工等诸多领域,且设计和制造过程相当复杂,研制周期很长。随着计算机的应用和发展,模拟计算已成为一种高效的研究手段,可以有效地提高设计效率并节约开销。所以,微波管电子光学系统计算机辅助设计是改进和优化微波管电子光学系统的重要手段。 本论文对微波管电子光学理论进行了详细的研究,详尽分析了电子的发射机制、电磁场的求解以及电子在电磁场中的运动,考虑了电子的热发射和二次发射、空间电荷效应和相对论效应等因素的影响。同时对数值模拟理论也进行了深入的分析,分别讨论了有限差分法和有限元法如何应用到微波管的电子光学系统模拟中,比较了有限元法中线性插值和二次插值的不同。另外,为了分析器件的瞬时效应引入了时域计算,为了提高计算速度提出了三维局部对称计算技术。 本论文延续了总装备部军事电子预研“九五”重点项目“宽带大功率行波管×××研究”的工作,得到了总装备部军事电子预研“十五”重点项目“微波管×××研究”和总装备部军事电子预研“十一五”重点项目“微波管×××研究”的资助。通过对微波管电子光学系统理论和数值模拟方法的研究,采用面向对象的软件设计思路,完成了二维有限差分模拟软件:电子枪模拟软件(UESTC_Gun)、周期永磁聚焦系统模拟软件(UESTC_PPM)和多级降压收集极模拟软件(UESTC_MDC),完成了二维和三维的有限元模拟软件:电子光学系统模拟器(EOS)和磁场模拟器(MFS)。主要用于模拟轴对称电子枪、栅控电子枪、多注电子枪、轴对称和非轴对称降压收集极、周期永磁聚焦系统等。经过大量的模拟计算和实验证明,这些软件具有较高的精度,能够满足工程设计的需要。目前,这些模拟软件已经广泛用于微波管模拟和设计中。


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