微波管电子光学系统数值模拟及CAD技术研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微波管发展史概述
• 1.2 微波管数值模拟技术发展概述
• 1.3 电子光学CAD 技术及软件发展概况
• 1.4 论文的立题背景及主要工作和创新
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 电子光学系统的基本理论
• 2.1 基本方程
• 2.1.1 麦克斯韦方程
• 2.1.2 运动方程
• 2.1.3 电流连续性方程
• 2.1.4 强流电子光学基本方程组
• 2.2 轴对称系统中的基本方程
• 2.2.1 电位和电场强度
• 2.2.2 磁矢位和磁感应强度
• 2.2.3 运动方程
• 2.2.4 轨迹方程
• 2.3 非轴对称系统中的基本方程
• 2.4 小结
• 第三章 电子发射模型
• 3.1 热发射模型
• 3.1.1 纯金属的热电子发射现象
• a－－3/2 次方定律'>3.1.2 空间电荷限制条件下的阳极电流j_a－－3/2 次方定律
• 3.1.3 热电子初速对二分之三次方定律的影响
• 3.2 二次电子发射模型
• 3.2.1 真二次电子
• 3.2.2 背散射电子
• 3.3 小结
• 第四章 有限差分法在电子光学中的应用
• 4.1 静电场求解
• 4.1.1 差分方程
• 4.1.2 边界条件
• 4.2 静磁场求解
• 4.2.1 差分方程
• 4.2.2 边界条件
• 4.3 电子轨迹求解
• 4.4 空间电荷分配
• 4.5 小结
• 第五章 电子光学有限差分CAD 软件的设计与实现
• Gun'>5.1 二维电子枪模拟软件——UESTC_Gun
• 5.1.1 建模
• 5.1.2 网格划分
• 5.1.3 模拟计算
• MDC'>5.2 二维收集极模拟软件——UESTC_MDC
• 5.2.1 建模
• 5.2.2 网格划分
• 5.2.3 模拟计算
• PPM'>5.3 二维周期永磁聚焦模拟软件——UESTC_PPM
• 5.3.1 建模
• 5.3.2 网格划分
• 5.3.3 模拟计算
• 5.4 小结
• 第六章 有限元法在电子光学中的应用
• 6.1 二维有限元分析
• 6.1.1 边值问题
• 6.1.2 变分公式
• 6.1.3 有限元分析
• 6.1.4 静电问题的应用
• 6.1.5 静磁问题的应用
• 6.1.6 二次单元
• 6.2 三维有限元分析
• 6.2.1 边值问题
• 6.2.2 变分公式
• 6.2.3 有限元分析
• 6.2.4 静电问题的应用
• 6.2.5 静磁问题的应用
• 6.2.6 二次单元
• 6.3 小结
• 第七章 电子光学有限元CAD 软件的设计与实现
• 7.1 软件设计思路
• 7.2 软件实现
• 7.2.1 建模
• 7.2.2 网格划分
• 7.2.3 发射模型
• 7.2.4 场分布求解
• 7.2.5 大型稀疏矩阵的存储和求解
• 7.2.6 轨迹及空间电荷分布求解
• 7.2.7 时域求解
• 7.2.8 局部对称计算
• 7.2.9 后处理
• 7.3 软件验证
• 7.3.1 不同网格尺寸对结果的影响
• 7.3.2 不同阴极材料属性对结果的影响
• 7.3.3 精度测试
• 7.3.4 二维与三维软件的模拟比较
• 7.3.5 永磁聚焦模拟比较
• 7.3.6 与实验结果的比较
• 7.3.7 电子注分析试验
• 7.4 小结
• 第八章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果