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带状注电子枪的聚焦设计

马宏安  
【摘要】: 带状电子注的产生和稳定传输涉及到微波电子学、等离子体电子学、电磁场与微波技术、真空技术、材料科学等学科,是一个综合性的应用基础研究问题。通过对它们进行深入细致的研究,不仅可以提高我国在真空电子领域的基础研究水平和自主创新能力,具有重要的科学意义,而且可以解决毫米波真空电子器件和加速器所急需的电子源,打破西方国家的技术封锁,满足我国军事和民用电子系统的急需,具有极其重要的现实意义。 带状电子注毫米波器件得到如此广泛的研究是由于带状电子注具有一系列的优点。它可以以非常小的横向尺寸来传输大的电流,因而可以使毫米波器件产生高功率;它可以大大降低空间电荷效应,从而降低对聚焦系统的要求;同时由于高频率的微波器件,波长短,因而要求慢波结构或腔体截面减少。环形电子注受到空间电荷力的限制无法减少,而带状电子注器件能在毫米波波段工作;带状电子注能和慢波结构更紧密的结合,距离更近,这样带状电子注微波管就有更高的效率。 目前,带状电子注的产生主要有两种方法,①直接法:直接由带状电子枪产生带状电子注,其中带状电子枪又分为矩形带状电子枪与椭圆形带状电子枪。②间接法:由圆形电子枪加上非对称螺线管棱镜产生带状电子注以及用磁四极子聚焦产生带状电子注。本文主要对间接产生带状注的方法进行了理论研究和模拟探讨。 本文首先基于平行注皮尔斯电子枪的设计理论,推导出了无限大平板二极管空间电荷流的电位分布,再从无限大平板系统中截取出我们所需椭圆形带状注,并确定其保持平行注所需的边界条件,最后通过求解截取的电子注所满足的物理方程,得到注外等势面表达式。 紧接着,在本文我们先是探讨采用各向异性棱镜的椭圆电子注转换,再是椭圆螺线管棱镜的聚焦性质,然后通过椭圆螺线管棱镜的高导流系数电子注转换模拟,为带状注电子枪的设计提供了重要的理论依据。 最后,我们用粒子仿真软件CST,对加载非对称螺线管后形成椭圆形带状电子注进行了模拟,验证了用非对称螺线管可以把圆形电子注转换为椭圆形带状电子注。


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