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W波段扩展互作用器件电子光学系统的研究

W波段扩展互作用器件电子光学系统的研究

作者：刘海敬电子科技大学

学位级别：硕士

电子光学系统主要由电子枪和磁聚焦系统两部分组成,其作用是作为真空电子器件的能量源,为其提供满足应用要求的电子注,电子枪负责电子注的产生,磁聚焦系统负责使电子注聚焦,电子光学系统在许多方面均有重要应用,如在高功率微波源、粒子... 详细信息

电子光学系统主要由电子枪和磁聚焦系统两部分组成,其作用是作为真空电子器件的能量源,为其提供满足应用要求的电子注,电子枪负责电子注的产生,磁聚焦系统负责使电子注聚焦,电子光学系统在许多方面均有重要应用,如在高功率微波源、粒子加速器、自由电子激光等。由于真空电子技术向毫米波、亚毫米波甚至太赫兹波段的的迅速发展,电子光学系统的研究又迎来了新的机会和挑战。本论文工作主要是对扩展互作用器件电子光学系统展开了研究与设计,主要内容和相关结论如下:对W波段扩展互作用器件(EID,Extended Interaction Device)均匀磁聚焦电子光学系统进行了研究设计,采用了三个线圈和一个磁极实现所需要的均匀磁场分布。根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM,Finite Element Method Magnetics,)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化。根据理论分析,结合仿真软件,对电子枪的各个参数进行分析,并总结了各个参数对电子注的影响,以及聚焦磁场对电子注流通率的影响,总结得出:对于电子注电流,聚焦极对其影响较大,这也正是聚焦极存在的意义之一。而对于聚焦磁场,磁极对过渡区磁场影响最大;对于注波动而言,阴极发射面半径在3mm附近时电子束的波动最小。通过一系列仿真优化,得到的最优结果为,在工作电压为14-17kV,阴极发射电流密度小于20A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下良好的传输,通过率为100%,得到了导流系数为0.175?P的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,注平均电流密度达到546.17 A/cm2,注压缩比为33,电子注横纵速度比为7.2%。根据优化得出电子光学系统的各个参数,在高电流密度电子枪提供的微波源的条件下,对矩形耦合腔慢波结构的扩展互作用振荡器,进行了仿真优化。在电子枪导流系数为0.175?P和阴极发射电流密度小于20A/cm2的条件下,PIC模拟仿真得出最优结果为,在电压值为15.8kV时,得到最优电子注互作用效率为10.5%,工作频率为92.83GHz。

关键词： W波段扩展互作用器件均匀磁场高电流密度

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毫米波扩展互作用器件收集极设计和模拟

毫米波扩展互作用器件收集极设计和模拟

作者：秦政电子科技大学

学位级别：硕士

扩展互作用器件具有重量轻、体积小以及结构较为紧凑等特质,能够将大功率输出实现在毫米波甚至频率更高的太赫兹频段上,对于毫米波及太赫兹技术领域的发展具有极其重要的意义。在扩展互作用器件中,高频场能够与电子注进行互作用,电子注... 详细信息

扩展互作用器件具有重量轻、体积小以及结构较为紧凑等特质,能够将大功率输出实现在毫米波甚至频率更高的太赫兹频段上,对于毫米波及太赫兹技术领域的发展具有极其重要的意义。在扩展互作用器件中,高频场能够与电子注进行互作用,电子注将小部分能量传递给高频场,但大部分能量会通过热量的形式散失,使得电子效率很低。提高扩展互作用器件效率的重要方法之一是采用多级降压收集极(MDC)。通过多级降压收集极从互作用后的电子中回收大量的能量,使得扩展互作用器件的效率得到很大的提升。计算机模拟计算与辅助设计在器件的设计中发挥着重要作用。本论文通过计算机辅助设计软件研究设计了轴对称结构多级降压收集极,通过优化使收集极的效率得到了提高,并达到了提高整管效率的目标。论文中首先对多级降压收集极的相关理论进行了较为深入的分析,然后利用三维计算机辅助设计软件CST对扩展互作用振荡器(EIO)及三级降压收集极进行了设计,最后通过CST联合仿真进行了热稳态分析。本文的主要工作内容如下:(1)阐述了扩展互作用振荡器的工作原理,同时阐述了多级降压收集极的显著优势及工作原理。(2)通过CST的冷腔仿真和热腔仿真设计工作于35Ghz的EIO,功率达到3059.33W,效率达到了19.24%。(3)通过CST得到电子注进入EIO后与高频场互作用的结果,分析得到电子注的能量分布曲线作为收集极入口条件,对多级降压收集极进行计算。(4)通过改变收集极的电极电压以及椎体长度,比较使用不同形状发射面时收集极的效率,得到了效率达到75.6%的多级降压收集极。(5)运用CST软件对单级降压收集级和多级降压收集极进行了热稳态分析,比较了这两种收集极的热分布。(6)对已完成的工作进行总结,并对下一步工作提出计划。

关键词：扩展互作用器件多级降压收集极收集极效率热分析

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140GHz带状注扩展互作用器件的研究

140GHz带状注扩展互作用器件的研究

作者：孙真真电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹波具有工作带宽高、波束指向性好、抗干扰、等物理特性,在6G通信、超快计算、卫星中继、国土安全等诸多尖端领域有着广泛应用。目前随着太赫兹技术的飞速发展,系统功率的生成与传输也成为了设计的重点。作为系统最为核心器件的太... 详细信息

太赫兹波具有工作带宽高、波束指向性好、抗干扰、等物理特性,在6G通信、超快计算、卫星中继、国土安全等诸多尖端领域有着广泛应用。目前随着太赫兹技术的飞速发展,系统功率的生成与传输也成为了设计的重点。作为系统最为核心器件的太赫兹源,其输出功率水平直接决定着整个系统的运行效能。因此,带状电子注器件作为一种高频率有效提高功率的重要方法应运而生,并且被电子真空器件领域作为技术前沿的研究。采用带状电子注和扩展互作用振荡器的结合,不仅解决了多间隙高频结构带来的特性阻抗较大的问题,同时匹配了高频率扩展互作用器件尺寸小带来的互作用电路的长度较小的问题,使得带状注可以在较小尺寸的高频间隙中传输并且在磁聚焦磁场的作用下进行有效的电子注的速度调制以及漂移群聚等问题,进行有效的注波互作用。本文主要是针对140GHz的带状注扩展互作用振荡器展开的系列研究。研究内容主要包括对140GHz的带状注扩展互作用振荡器高频结构的研究以及优化工作点的粒子模拟和为了进一步提高功率容量,更好的进行功率输出而设计的包含方圆过渡和圆波导半径渐变的EIO输出系统,具体研究内容如下:1、研究对该模型高频结构的冷腔特性进行仿真计算,通过同步条件分析、色散特性和电场分布特性的研究分析,确定选择TM的2π模作为本文扩展互作用腔体的工作模式,进而可以有效地避免模式竞争问题,维持单模的稳定工作同时减小加工的复杂性等问题。2、研究了高频结构进行粒子模拟效果,同时对变量进行调试不断优化仿真结果。通过分析理论工作电压下粒子模拟情况分析,电子没有进行有效的高频互作用,为了使得现有器件结构下达到有效注波互作用对电子注电压电流,聚焦磁场强度以及输出口位置进行单一变量调试进而优化注波互作用效果,得到最佳的输出功率、最少的电子截获和高效的注波互作用效果。3、为了提高功率容量设计了过渡波导模式变换和蓝宝石封接窗结合的EIO输出系统,利用耦合波理论和半径圆波导的耦合波方程对过渡波导模式变换器进行仿真计算,具体包括模式转换效率和传输效率使得在波导内部进行了非常高效的模式变换和耦合,提高能量转换效率,使得能量尽可能全部集中在轴线上。

关键词：太赫兹波带状注扩展互作用器件 EIO输出系统

220GHz带状注扩展互作用器件高效互作用研究

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220GHz带状注扩展互作用器件高效互作用研究

作者：高家昊电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹波是一种处于远红外与毫米波之间的电磁辐射,其频率范围为0.1THz至10THz,波长在308)～38)8)范围内,同时其也具备诸多优越的性质,在很多领域中有极其重要的研究意义。太赫兹辐射源是太赫兹波快速发展的阻碍因素之一。因而研究发展... 详细信息

太赫兹波是一种处于远红外与毫米波之间的电磁辐射,其频率范围为0.1THz至10THz,波长在308)～38)8)范围内,同时其也具备诸多优越的性质,在很多领域中有极其重要的研究意义。太赫兹辐射源是太赫兹波快速发展的阻碍因素之一。因而研究发展太赫兹辐射源相关技术以及新机理成为科学家们的当务之急,掌握发展高功率太赫兹辐射源的关键技术成为太赫兹波在军事领域和民用方向的广泛应用的关键。带状注扩展互作用速调管（Sheet Beam Extended Interaction Klystron,SBEIK）是一种太赫兹辐射源,在具有速调管增益高和大功率优点的情况下,还具有行波管宽带宽的优势,而且其还具有小巧轻便、结构很紧凑以及大功率输出等优点,使之在太赫兹应用上有着出色的表现。本文主要研究的是太赫兹波段带状注扩展互作用器件的高效注-波互作用,提出了一种新型优化方案,并设计了G波段大功率的SBEIK高频结构模型。文章主要内容如下:本文介绍了带状注扩展互作用器件国内外发展现状,介绍了速调管的工作原理。并根据速调管工作原理结合MATLAB平台设计了一种基于空间步长的非线性数值计算程序,大幅度减少计算耗时,提升计算性能,能够快速计算扩展互作用器件输出功率和效率。本文对220GHz带状注扩展互作用振荡器（Sheet Beam Extended Interaction Oscillator,SBEIO）进行分析。包括模式分析、谐振腔结构参数、互作用间隙数量等进行了研究,并进行了粒子模拟验证。本文在220GHz SBEIO研究基础上继续探究220GHz SBEIK的高效注-波互作用。提出了一种包含2个输出腔的220GHz 8间隙5腔SBEIK高频结构,并对该结构进行PIC仿真验证。提出了一种改进的快速高效优化方案,对220GHz 8间隙5腔的SBEIK高频结构进行了多参数全局优化,优化后得到的参数用于建立新的模型,并通过PIC粒子模拟仿真验证。

关键词：太赫兹带状注扩展互作用器件注-波互作用非线性程序优化

高电流密度实心电子束均匀磁场聚焦电子枪的设计

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真空科学与技术学报 2014年第2期34卷 148-152页

作者：殷勇刘海敬陈玲王彬李海龙蒙林电子科技大学物理电子学院成都610054

针对W波段小型化扩展互作用器件对电子枪及其对电子束的需求,设计了采用均匀磁场聚焦的高电流密度实心电子束电子枪。首先考虑现阶段阴极发射能力和扩展互作用器件对电子束的需求下完成了静电电子枪的设计;在此基础上,将电子枪分为静电... 详细信息

针对W波段小型化扩展互作用器件对电子枪及其对电子束的需求,设计了采用均匀磁场聚焦的高电流密度实心电子束电子枪。首先考虑现阶段阴极发射能力和扩展互作用器件对电子束的需求下完成了静电电子枪的设计;在此基础上,将电子枪分为静电聚焦区、过渡区和均匀磁场区三个部分,通过理论计算得出了理想的均匀聚焦磁场分布。在此基础上建立了高电流密度实心电子束均匀磁场聚焦电子枪的三维粒子仿真模型,工作电压为17 kV,阴极发射电流为19.3 A/cm2的条件下得到了压缩比为33,束电流为668 mA,平均束半径为0.182 mm,平均束电流密度为642.4 A/cm2的高电流密度实心电子束。仿真结果表明,该电子束在半径为0.25 mm的电子通道内的流通率达到了100%,理论计算和三维粒子仿真的结果符合得很好。

关键词：电子枪均匀磁场聚焦实心电子束高电流密度扩展互作用器件

带状注扩展互作用振荡器高效注波互作用技术研究

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带状注扩展互作用振荡器高效注波互作用技术研究

作者：李宵宵电子科技大学

学位级别：硕士

毫米波在电磁波波谱中位于微波和亚毫米波之间,波长在1 cm mm范围内,其频率范围是30 GHz到300 GHz。毫米波技术被广泛应用于电子对抗、雷达、探测等领域。在国防军事领域,对机载、星载等方面装备的大功率、高频率、小型化等特性要求越... 详细信息

毫米波在电磁波波谱中位于微波和亚毫米波之间,波长在1 cm mm范围内,其频率范围是30 GHz到300 GHz。毫米波技术被广泛应用于电子对抗、雷达、探测等领域。在国防军事领域,对机载、星载等方面装备的大功率、高频率、小型化等特性要求越来越高,毫米波真空电子器件在这些方面有着无可替代的地位。带状注扩展互作用振荡器（the sheet beam extended interaction oscillator,SBEIO）具有大功率、小型化、高效率等特性,使之在机载、星载等微波武器领域有着突出优势。随着军事领域对器件的功率、效率要求越来越高,SBEIO的效率、功率也应该有相应地提高。腔体的注-波互作用换能过程是决定着SBEIO的功率和效率的主要物理过程,因此对SBEIO高效注-波互作用技术的研究有着重要的意义。本文研究的主要内容是SBEIO的高效注-波互作用技术。提出了一种新型的全局优化方案,并设计了高效率的Ka波段SBEIO。主要内容如下:在速调管的工作原理的基础上,分析了SBEIO的注-波互作用过程,并采用了一维宏-电子模型用于研究注-波互作用的过程。设计了一个非线性数值计算程序,用来模拟计算SBEIO的注-波互作用过程,得到效率、功率等参数,并绘制电子相空间图、输出功率曲线等。提出了一种新型的基于智能算法的多参数全局优化方案,通过对现有的多个智能算法的分析,选择模拟退火算法为本方案的优化算法。使用本文提出的优化方案进行优化工作,经过多次模拟退火算法的优化,得到了能够获得高效率的注-波互作用过程的纵向电场分布,以此纵向电场分布为参考,设计了具有高效率的高频结构模型,并进行了粒子模拟计算。

关键词：毫米波带状注扩展互作用器件注-波互作用模拟退火算法

毫米波高效率低损耗多腔带状注扩展互作用振荡器研究

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毫米波高效率低损耗多腔带状注扩展互作用振荡器研究

作者：秦少乾电子科技大学

学位级别：硕士

毫米波是指频率范围位于30～300GHz的电磁波。毫米波对国家发展尤其是军事领域的发展尤为重要,带状注扩展互作用振荡器(Sheet Beam Extended Interaction Oscillator,SBEIO)作为毫米波真空电子器件中发展前景较好,性能优越的器件之一,... 详细信息

毫米波是指频率范围位于30～300GHz的电磁波。毫米波对国家发展尤其是军事领域的发展尤为重要,带状注扩展互作用振荡器(Sheet Beam Extended Interaction Oscillator,SBEIO)作为毫米波真空电子器件中发展前景较好,性能优越的器件之一,有着重要的研究价值和研究意义。传统单腔SBEIO功率容量较小,带宽不大,损耗较高,体积较大,小型化特征不明显,不能很好的满足毫米波频段的使用需求,因此本文基于单腔SBEIO设计的基础上,提出了多腔SBEIO的设计理念,并分别对比了Ka波段和W波段下单腔和多腔SBEIO在功率和损耗上的差别。影响多腔SBEIO工作效率的关键在于如何在不同的高频谐振腔中实现更加理想的电子注调制群聚和更加高效的注-波互作用换能,因此本文针对多腔SBEIO的高效互作用技术研究,提出了全新的设计和优化思路,并设计了Ka波段5加5间隙,W波段7加9间隙,W波段7加11间隙的双腔高效率SBEIO,主要内容如下:针对多腔SBEIO,本文提出了一套高效可靠的设计思路,并设计出一套非线性互作用计算程序,可以准确的模拟多腔SBEIO谐振腔内部的注波互作用过程,并能通过绘制功率曲线图、电子相空间图、电场分布图、谐波电流图等对互作用过程实现更加细致的分析和理解。提出了一套针对多腔SBEIO全新的高效优化方案,基于算法多样性,采用多种算法结合的模式和二次优化实现了快速可靠的多腔SBEIO优化。利用本文提出的设计思路和设计的非线性互作用计算程序对W波段双腔SBEIO的部分参数作了详细的分析和优化,最终设计出了高效率低损耗的高频结构模型,并利用CST-PIC对非线性互作用计算程序作了相关的准确性验证。

关键词：毫米波带状住扩展互作用器件多腔SBEIO