径向电子束的产生与传输

发布时间：2019-11-15 04:15

【摘要】：在高功率微波的发展过程中,高功率、高频率、高效率和小型化成为大多数高功率微波源的发展方向,随着微波频率的提高,器件的尺寸将逐步减小,较小的空间使得器件的馈入功率容量受到限制。相同条件下增加电压或电流虽然可以解决馈入功率减小的问题,但将引起绝缘设计的困难,同时束流密度的增加将导致束波转换效率减小和引导磁场系统重量和功耗的增加。径向电子束由于具有较大的发射截面,相同输入功率下较低的电流密度可以使系统具有较高束波转换效率的潜力,同时避免了过大的束流密度对引导磁场系统和微波源性能的不利影响,因此对高功率微波源中使用径向电子束开展研究具有重要的意义。径向电子束的产生与传输是径向电子束微波源研究中需要首先解决的问题,而对于该问题的研究和报导相对较少,在此背景下,本文对产生径向电子束的同轴无箔二极管和聚焦径向束流传输的引导磁场系统进行了设计,并就径向电子束产生与传输中的相关问题开展了研究,论文的研究内容主要包含以下几个方面:首先对径向电子束的产生进行了研究。设计了一种产生径向电子束的同轴无箔二极管结构,对二极管的I-V关系、阻抗特性和发射电流特性进行了仿真分析和数值计算,进一步对二极管绝缘子结构进行了设计;分析了二极管内角向磁场空间分布的非对称特性,结合单电子运动理论对径向电子束的偏移特性进行了理论分析,进一步分析了相同输入功率下二极管阻抗和束流偏移幅值的关系。其次对径向线内电子束的空间极限电流进行了研究。建立了径向电子束的空间电荷场模型,通过求解径向线内电势满足的泊松方程和边界条件,得到了径向电子束的电势、电场分布和空间电荷限制流的解析表达式;接下来对电势满足的非线性方程进行了数值计算,求解得到了该条件下的空间电荷限制流;最后将两种求解结果进行了对比,给出了径向线结构和束流参数对空间电荷限制流和空间电荷场的影响规律,对束流密度在截面上的非均匀分布特性进行了分析。接下来对浸没式聚焦径向电子束进行了研究。首先分析了螺线盘产生磁场的空间分布特性,研究了单根线圈、单层螺线盘和多层螺线盘的空间磁场分布规律;建立了浸没式聚焦径向电子束的传输模型,根据单电子运动理论对浸没式聚焦径向电子束的束流传输特性进行了理论分析,并给出了所需引导磁场强度和二极管阻抗的关系,进一步研究了浸没式聚焦方式下束流偏移可忽略的条件;设计了一种螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统,在束流参数为电压300kV,电流7.3kA的条件下获得了径向100mm范围内稳定的束流传输;接下来分析了磁场轴向分量和初始端磁场分布的均匀性对束流传输的影响,并设计了 一种螺线盘和永磁体混合聚焦的引导磁场系统,在电压300kV,电流7.5kA的束流参数下实现了径向100mm范围内的稳定束流传输。最后对非浸没式聚焦径向电子束进行了研究。设计了一种带聚焦电极的同轴无箔二极管,分析了径向电子束在无引导磁场条件下的束流偏移幅值和二极管阻抗的关系;理论分析了非浸没式聚焦径向电子束的束流传输特性,给出了电子的运动状态和受力过程,进一步设计了一种由线圈和屏蔽板组成的非浸没式聚焦系统,仿真研究了非浸没式聚焦径向电子束的传输过程;接下来数值分析了有限长阴极杆电流产生磁场的分布规律,理论分析了双端馈入电流模型的误差,给出了阴极杆长度对非浸没式聚焦径向电子束的影响规律;最后理论分析了径向周期磁场聚焦径向电子束的基本原理;对静态理想电子束在周期磁场下的传输过程进行了仿真研究,进一步设计了一种周期永磁聚焦系统,对二极管产生的电压200kV,电流100A的径向电子束在径向周期永磁聚焦系统下的束流传输特性进行了仿真研究,分析了周期磁场的幅值对束流轨迹的影响。
【图文】：

电子束由速度调制转变为密度调制的过程是在漂移管中依靠电子的惯性逡逑运动完成的，由于漂移管是一个等位空间，当忽略空间电荷场时，电子在漂移逡逑管内运动速度不变，到达某一点的位置与时间关系可以绘成如图１－３所示的电逡逑子时空图形。电子由于速度受到高频场的调制，在漂移空间中会发生相互追赶逡逑的现象，速度快的电子会追上速度慢的电子，最终会在同一时刻到达漂移空间逡逑的某一点，即图中直线相交的部分，大量的电子在这一点集中，电子在漂移管逡逑中形成群聚块的过程称为电子群聚。逡逑ｆｔ邋＿逡逑－逦逦＾＾邋ａｉ逡逑’？逦ｕ逦逦９。逦逡逑图１－２电子在间隙内运动示意图逦图１－３电子的时间一空间图逡逑正弦速度调制的电子注在漂移空间引起了正弦电流调制，进而在输出腔中逡逑激励起感应电流。由于谐振腔具有频率选择特性，速调管的腔体总是设计在信逡逑号频率上的，，高次谐波电流由于频率是信号频率的＃倍，并不能在腔中建立逡逑

电子束由速度调制转变为密度调制的过程是在漂移管中依靠电子的惯性逡逑运动完成的，由于漂移管是一个等位空间，当忽略空间电荷场时，电子在漂移逡逑管内运动速度不变，到达某一点的位置与时间关系可以绘成如图１－３所示的电逡逑子时空图形。电子由于速度受到高频场的调制，在漂移空间中会发生相互追赶逡逑的现象，速度快的电子会追上速度慢的电子，最终会在同一时刻到达漂移空间逡逑的某一点，即图中直线相交的部分，大量的电子在这一点集中，电子在漂移管逡逑中形成群聚块的过程称为电子群聚。逡逑ｆｔ邋＿逡逑－逦逦＾＾邋ａｉ逡逑’？逦ｕ逦逦９。逦逡逑图１－２电子在间隙内运动示意图逦图１－３电子的时间一空间图逡逑正弦速度调制的电子注在漂移空间引起了正弦电流调制，进而在输出腔中逡逑激励起感应电流。由于谐振腔具有频率选择特性，速调管的腔体总是设计在信逡逑号频率上的，高次谐波电流由于频率是信号频率的＃倍，并不能在腔中建立逡逑
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN101

【参考文献】

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本文编号：2561140