基于磁控注入式纳米冷阴极电子枪行波管仿真研究

发布时间：2020-09-07 12:34

　　传统微波真空电子器件的电子发射源多采用热阴极作为电子发射材料,但是热阴极其本身具有不可忽视的缺陷,然而场致发射冷阴极相比热阴极其具有很大优势,比如其能够提高系统的响应速度,降低系统的功耗和便于器件制备的小型化等,因此对场致发射冷阴极的研究得到了越来越多的科研学者的关注,尤其是碳纳米管的问世,让碳纳米管取代传统热阴极成为新一代新型电子发射源材料成为了可能。慢波系统是行波管能够激励起微波信号并将其进行放大输出的关键结构,因此把碳纳米管应用到行波管中以发挥其冷阴极的优势具有极大的研究价值和应用前景。本论文正是基于上述背景下开展了对基于磁控注入式纳米冷阴极电子枪行波管的仿真研究,论文的主要工作如下:1.介绍了场致发射冷阴极的优势以及碳纳米管冷阴极材料在行波管中的应用,同时也对行波管工作的原理及其慢波结构进行简要的描述。2.在理解磁控注入式电子枪原理的基础上,开始在CST仿真软件中对磁控注入式纳米冷阴极电子枪进行建模设计并对其进行模拟计算研究,最终在不断的优化调试后,得到满足需求的电子注,在对计算结果进行后处理后,可以看出电子注的横向速度和纵向速度分别在变大和减小,最终横纵速度比稳定在?=1。3.采用螺旋线作为行波管慢波系统,并分析研究螺旋线慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,采取对慢波系统切断和设置集中衰减器的方法来抑制行波管的自激振荡,并对整个慢波系统的传输特性进行了仿真计算。4.在完成对电子枪和慢波系统研究工作后,开始对基于磁控注入式纳米冷阴极电子枪行波管进行PIC粒子仿真研究,从计算结果看出,行波管在工作时能够得到稳定的输出功率,最后我们在其他参数不变的情况下通过改变电子注的横纵速度比和电子注的离散来分析对应输出功率的变化。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN124
【部分图文】：

Spindt型阴极结构示意图

同素异形体,碳纳米管,金刚石

电子科技大学硕士学位论文的条件、发射电流大等[14,15]诸多优点,把碳纳米管作为电子发射材料，在大量验基础上可以得到其作为阴极发射出的电流密度可以达到 109A/cm2[16],由于以上的性能优势，碳纳米管一度被科研人员视为可以完美取代金属作为场致材料，吸引了越来越多的科研学者的目光。然而，从目前来看，我国科研人碳纳米管的研究和国外相比有一定的差距，属于起步上升时期。实验表明，科研人员在把碳纳米管作为场致阴极发射材料并可将其制备成一块面积mm2大小的发射阵列时，在开启电压不高的情况下对其进行实验测试，同时极和阴极两者间隔大小调整为 0.25mm，可以得到阴极发射出的电流密度达5A/cm2 [17]，而国内目前得到的电流密度只能达到毫安级水平。

慢波结构,螺旋线

电场强度来保证，因此慢波结构需要具备高电场强度的能力。当前应用比较多的慢波结构可以分为：螺旋线慢波结构、曲折波导慢波结构耦合腔慢波结构和其他类型慢波结构，（1）螺旋线慢波结构螺旋线慢波结构在行波管中是应用的最为成熟，它拥有设计结构简单、容易加工、工作带宽大等特性，在行波管中备受青睐。普通的螺旋慢波结构主要由三大部分构成即：一根一定宽度和厚度的螺旋线、一定数目和不同形状的加持干、形状各异的金属壳，如图 1-3(a)所示，此外为了提高行波管的工作性能，增加其工作带宽，工程上一般会在金属壳侧壁上添加特定数目与外形各异的金属材质薄片如图 1-3(b)所示。返波震荡在行波管中是普遍存在的，主要是因为，负一次空间谐波总是存在周期性慢波结构当中，而谐波的阻抗受同步电压影响，会跟随电压的增大而提高，因此管子的输出功率会受到阻抗增大的影响。考虑到上述的影响，在实际应用中主要把螺旋线行波管使用在工作频带要求大，但对输出功率要求不高的工程领域当中。考虑到行波管应用时在转效率、频带宽度、输出功率等方面的影响，螺旋线慢波结构在 MPM 的小型化行波管中得到广泛应用。

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