论文摘要
近年来，在抗干扰高精度雷达、电子对抗、定向能武器等重大应用需求的强烈推动下，高功率相干毫米波源的研究在国际上得到高度重视，并迅速发展成为微波真空电子学的前沿与热点。回旋行波管是一种快波器件，具有工作频率高、平均功率容量大、宽频带等特性，是高性能雷达和电子对抗干扰系统理想的功率源。然而，回旋行波管放大器的放大特性对电子注质量极其敏感及竞争模式振荡等问题是回旋行波管难以达到理论预测的主要障碍。双CUSP电子枪可以产生大回旋低速度零散的高质量电子注。大回旋电子注对模式耦合的选择性，可以大大地克服回旋行波管放大器的放大特性对电子注质量敏感性和竞争模式振荡。不仅如此，双CUSP电子枪可以产生小回旋电子注和线性电子注，可以应用于其它真空器件。本文着重对产生大回旋电子注的双CUSP电子枪进行了研究，同时对双CUSP电子枪产生小回旋电子注和线性电子注的情形进行了分析研究。本文的数值模拟结果是在稳态轨迹模拟软件EGUN和PIC粒子模拟软件MAGIC的基础上共同完成的。本文对影响电子注性能的各种因素进行了详细的数值模拟和分析，给出了数值模拟结果。首先阐述电子光学系统的基本方程，建立双CUSP电子枪的物理模型，对双CUSP电子枪的基本理论，以及产生大回旋电子注、小回旋电子注、线性电子注的机理和物理特性进行了分析和讨论。建立了可用于工程设计的非理想会切磁场模型。基于电子轨迹模拟程序和PIC粒子模拟程序，完成了产生大回旋电子注的双CUSP电子枪的模拟计算，给出了电子注性能参数，该枪适用于Ka波段二次谐波回旋行波管。研究了影响电子注性能的各种因素，分析了阳极电压、CUSP磁场变换宽度、CUSP磁场的轴向位置等对电子注性能带来的影响。结合模拟分析的结果，对优化的双CUSP电子枪产生大回旋电子注的情形进行了模拟，得到了较好的电子注性能参量结果。基于双CUSP电子枪的工作机理，采用所设计的产生大回旋电子注的双CUSP电子枪的物理结构，分别完成了小回旋电子注和线性电子注的模拟计算。小回旋双CUSP电子枪适用于低频段回旋管器件，线性双CUSP电子枪适用于太赫兹波段。同时对影响电子注性能的各种因素分别进行了分析，得到了用于双CUSP电子枪设计的指导性结论。通过对双CUSP电子枪产生大回旋电子注、小回旋电子注和线性电子注的模拟计算，明确了双CUSP电子枪设计中结构参量对电子注的影响特性，为下一步的优化设计提供了非常有意义的参考依据。