带状注电子枪的研究

论文摘要

随着电子对抗、卫星通信、深空探测等对高功率毫米波及THz器件的迫切需求,人们就迫切需要寻求一种高亮度大电流的电子注源,而带状电子注就是其中最为重要的一种。与传统的柱状和管状电子注相比,在更高频电真空器件中使用带状电子注具有很多的优点:首先,带状注宽度可以无限延展,也就是说,理论上只要我们需要,我们可以无限制的增加带状注的电流,从而使器件可以有更高的功率。而对于环形和圆柱形电子注来说,由于空间电荷力的影响,电子注密度并不能无限增加,功率也就受到一定的限制;另外,在更高的频率下,波长短,传统的单模工作的圆柱慢波结构由于尺寸过小难以加工,而采用带状电子注可以采用平板状的慢波结构,利于加工。为此,本文对带状注电子枪进行了研究。本文从动力学原理和皮尔斯电子枪的原理出发,采用浸没式聚焦磁场,对小型带状注电子枪的基本原理和设计技术进行了分析。采用二维和三维粒子模拟技术对电子枪进行了仿真,分别研究了电子枪的轴向磁场、极间距离、覆盖层厚度和极间电压对电子注传输特性的影响。模拟结果表明:强磁场对带状电子注的成形起到很重要的作用,它可以减低电子注的脉动振幅和脉动波长,并可以有效的抑制电子注的变形和扭曲;阴极覆盖层的存在解决了电子枪微小阴极的设计和加工问题,对覆盖层结构进行了改进后使得电子在射出阴极表面后基本保持水平的运动状态;电极间距的增加,有利于减小电子注的脉动振幅,也有利于电子注的成形,但同时也减小了电子注电流;电极电压的增加,可以增加电子枪的输出电流,但是加大了电子注的脉动波长和振幅,同时也加大了电子注在传输过程中的不稳定性。为了进一步提高电流密度同时减低电子注在传输过程中的扭曲和变形,尝试采用阳极孔加栅板的情况,并对此进行了粒子模拟。模拟结果发现,阳极孔加栅板时,虽然电子注传输过程中的扭曲和形变未能得到改善,但是电子枪的输出电流和电流密度得到明显提高,因此对改善电子枪性能有一定帮助。本文对国内发展小型化的高频真空电子器件具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 皮尔斯电子枪
• 1.2 带状注电子枪的研究进展
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 强流电子光学的束流传输理论方法
• 2.1 电子在均匀场中的运动
• 2.1.1 直角坐标系中的电子运动方程和电子运动速度
• 2.1.2 电子在均匀电场中的运动
• 2.1.3 电子在均匀磁场中的运动
• 2.2 电子光学透镜
• 2.3 强流电子光学
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 电子注空间电荷效应的度量——导流系数
• 2.3.3 基本方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 带状注电子枪的设计技术
• 3.1 带状注电子枪设计基本原理
• 3.2 带状注电子枪中电子运动理论的分析
• 3.2.1 带状电子注的外形
• 3.2.2 边界电子的轨迹方程及其求解
• 3.2.3 电子注的脉动分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 带状注电子枪的二维粒子模拟
• 4.1 引言
• 4.2 边界条件
• 4.3 假定条件
• 4.4 聚焦磁场的选择
• 4.5 阴极的设计
• 4.6 电子枪光学性能的模拟计算
• 4.6.1 电极间距对输出电流的影响
• 4.6.2 覆盖层厚度对输出电流的影响
• 4.6.3 覆盖层厚度对阴极区电子束的聚焦
• 4.6.4 纵向磁场对电子束聚焦的影响
• 4.6.5 结构优化
• 4.7 本章小结
• 第五章 带状注电子枪的三维粒子模拟
• 5.1 引言
• 5.2 结构模型
• 5.3 轴向磁场对电子注的影响
• 5.4 电极间距对电子注的影响
• 5.5 电极电压对电子注的影响
• 5.6 优化设计
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 对今后工作的思考
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的成果