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基于回旋谐振机制的特殊电真空器件研究

赵晓云  
【摘要】:运动电子在恒定导引磁场与交变电磁场中的回旋谐振是一种十分重要的物理现象,这种现象在自然界中广泛存在,而且也已被人们广泛利用。直到今天,人们仍在不断努力,研发新型的基于回旋谐振机制的电子器件。在已经开发的这类器件中,最广为人知的是回旋管。实际上,还有一些工作机理与回旋管不同的同样基于回旋谐振现象的电子器件也是值得我们关注的。 回旋波整流器和潘尼管就是两种基于与回旋管不同机理的特殊回旋波器件,它们不依赖相对论效应,而且所有电子都同时处于加速或减速状态,因此具有很高的注波互作用效率。回旋波整流器是无线输电技术和空间太阳能电站的关键技术之一,可以高效地把微波能变成电能。潘尼管具有在高次回旋谐波高效工作的潜力,有利于发展永磁包装高效率的大中功率毫米波、亚毫米波源,在雷达、通信、电子战、波束武器与新能源研发等多个领域有广泛的应用前景。俄罗斯、美国以及美国、日本都分别对这两种器件有深入的理论与实验研究,但到目前为止,除少数理论研究文章和综述性报道外,国内还没有人从真正意义上深入研究这两种特殊的电真空器件。本论文根椐实验室的安排,以建立实验系统、研制实用器件为最终目标,对这两种器件开展系统的理论研究。 本论文采用了等效电路与CST电磁仿真,粒子模拟相结合的快速、实用的设计方法,较好地处理了注波互作用,腔体结构设计,阻抗匹配与互作用系统效率等问题。采用数值计算方法优化了能量转换区的磁场分布,以及降压收集极的电极形状、电势分布。在此基础上系统地设计了一只2.85GHz的回旋波整流器,其器件总效率达83%。首次研究了回旋波整流器的场分布不均匀和空间电荷力对注波互作用的影响,给出了选择电流参数的指导;并分析了板间距、引导磁场、场强以及频率等因素对提高电压的影响,指出,研制厘米波段兆瓦级的回旋波整流器是可能的。 利用小信号理论和自洽非线性理论对Ka波段三次回旋谐波潘尼管进行较为深入的研究,分析了电子引导中心漂移以及能量分布规律,提出了通过优化磁场分布提高效率的方法,研究了影响互作用效率的因素,表明在实验可达到的电子注质量下,研制实用的高效高次谐波潘尼管是可行的。为解决目前由cusp电子枪产生的大回旋电子注质量较差,各参数不易调节的现状,提出了采用Cuccia耦合器产生线状大回旋电子注的方法。采用数值计算以及PIC仿真分析了这种新型的大回旋电子注特性,证明了这种新型的电子注源不仅参数易于调节,而且通过优化设计,线状电子注激励的三次谐波潘尼管可获得8kW的输出功率,微波能量转换效率为50%,器件效率为43%,证明了电子注质量完全满足潘尼管的要求,为高次谐波,低磁场潘尼管的实际应用提供了一种有效的解决途径。


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