【摘要】：在高功率微波的發(fā)展過程中,高功率、高頻率、高效率和小型化成為大多數(shù)高功率微波源的發(fā)展方向,隨著微波頻率的提高,器件的尺寸將逐步減小,較小的空間使得器件的饋入功率容量受到限制。相同條件下增加電壓或電流雖然可以解決饋入功率減小的問題,但將引起絕緣設(shè)計的困難,同時束流密度的增加將導(dǎo)致束波轉(zhuǎn)換效率減小和引導(dǎo)磁場系統(tǒng)重量和功耗的增加。徑向電子束由于具有較大的發(fā)射截面,相同輸入功率下較低的電流密度可以使系統(tǒng)具有較高束波轉(zhuǎn)換效率的潛力,同時避免了過大的束流密度對引導(dǎo)磁場系統(tǒng)和微波源性能的不利影響,因此對高功率微波源中使用徑向電子束開展研究具有重要的意義。徑向電子束的產(chǎn)生與傳輸是徑向電子束微波源研究中需要首先解決的問題,而對于該問題的研究和報導(dǎo)相對較少,在此背景下,本文對產(chǎn)生徑向電子束的同軸無箔二極管和聚焦徑向束流傳輸?shù)囊龑?dǎo)磁場系統(tǒng)進行了設(shè)計,并就徑向電子束產(chǎn)生與傳輸中的相關(guān)問題開展了研究,論文的研究內(nèi)容主要包含以下幾個方面:首先對徑向電子束的產(chǎn)生進行了研究。設(shè)計了一種產(chǎn)生徑向電子束的同軸無箔二極管結(jié)構(gòu),對二極管的I-V關(guān)系、阻抗特性和發(fā)射電流特性進行了仿真分析和數(shù)值計算,進一步對二極管絕緣子結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計;分析了二極管內(nèi)角向磁場空間分布的非對稱特性,結(jié)合單電子運動理論對徑向電子束的偏移特性進行了理論分析,進一步分析了相同輸入功率下二極管阻抗和束流偏移幅值的關(guān)系。其次對徑向線內(nèi)電子束的空間極限電流進行了研究。建立了徑向電子束的空間電荷場模型,通過求解徑向線內(nèi)電勢滿足的泊松方程和邊界條件,得到了徑向電子束的電勢、電場分布和空間電荷限制流的解析表達式;接下來對電勢滿足的非線性方程進行了數(shù)值計算,求解得到了該條件下的空間電荷限制流;最后將兩種求解結(jié)果進行了對比,給出了徑向線結(jié)構(gòu)和束流參數(shù)對空間電荷限制流和空間電荷場的影響規(guī)律,對束流密度在截面上的非均勻分布特性進行了分析。接下來對浸沒式聚焦徑向電子束進行了研究。首先分析了螺線盤產(chǎn)生磁場的空間分布特性,研究了單根線圈、單層螺線盤和多層螺線盤的空間磁場分布規(guī)律;建立了浸沒式聚焦徑向電子束的傳輸模型,根據(jù)單電子運動理論對浸沒式聚焦徑向電子束的束流傳輸特性進行了理論分析,并給出了所需引導(dǎo)磁場強度和二極管阻抗的關(guān)系,進一步研究了浸沒式聚焦方式下束流偏移可忽略的條件;設(shè)計了一種螺線盤聚焦徑向電子束的引導(dǎo)磁場系統(tǒng),在束流參數(shù)為電壓300kV,電流7.3kA的條件下獲得了徑向100mm范圍內(nèi)穩(wěn)定的束流傳輸;接下來分析了磁場軸向分量和初始端磁場分布的均勻性對束流傳輸?shù)挠绊?并設(shè)計了 一種螺線盤和永磁體混合聚焦的引導(dǎo)磁場系統(tǒng),在電壓300kV,電流7.5kA的束流參數(shù)下實現(xiàn)了徑向100mm范圍內(nèi)的穩(wěn)定束流傳輸。最后對非浸沒式聚焦徑向電子束進行了研究。設(shè)計了一種帶聚焦電極的同軸無箔二極管,分析了徑向電子束在無引導(dǎo)磁場條件下的束流偏移幅值和二極管阻抗的關(guān)系;理論分析了非浸沒式聚焦徑向電子束的束流傳輸特性,給出了電子的運動狀態(tài)和受力過程,進一步設(shè)計了一種由線圈和屏蔽板組成的非浸沒式聚焦系統(tǒng),仿真研究了非浸沒式聚焦徑向電子束的傳輸過程;接下來數(shù)值分析了有限長陰極桿電流產(chǎn)生磁場的分布規(guī)律,理論分析了雙端饋入電流模型的誤差,給出了陰極桿長度對非浸沒式聚焦徑向電子束的影響規(guī)律;最后理論分析了徑向周期磁場聚焦徑向電子束的基本原理;對靜態(tài)理想電子束在周期磁場下的傳輸過程進行了仿真研究,進一步設(shè)計了一種周期永磁聚焦系統(tǒng),對二極管產(chǎn)生的電壓200kV,電流100A的徑向電子束在徑向周期永磁聚焦系統(tǒng)下的束流傳輸特性進行了仿真研究,分析了周期磁場的幅值對束流軌跡的影響。
【圖文】：

電子束由速度調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏日{(diào)制的過程是在漂移管中依靠電子的慣性逡逑運動完成的，由于漂移管是一個等位空間，當忽略空間電荷場時，電子在漂移逡逑管內(nèi)運動速度不變，到達某一點的位置與時間關(guān)系可以繪成如圖１－３所示的電逡逑子時空圖形。電子由于速度受到高頻場的調(diào)制，在漂移空間中會發(fā)生相互追趕逡逑的現(xiàn)象，速度快的電子會追上速度慢的電子，最終會在同一時刻到達漂移空間逡逑的某一點，即圖中直線相交的部分，大量的電子在這一點集中，電子在漂移管逡逑中形成群聚塊的過程稱為電子群聚。逡逑ｆｔ邋＿逡逑－邐邐＾＾邋ａｉ逡逑’？邐ｕ邐邐９。邐逡逑圖１－２電子在間隙內(nèi)運動示意圖邐圖１－３電子的時間一空間圖逡逑正弦速度調(diào)制的電子注在漂移空間引起了正弦電流調(diào)制，進而在輸出腔中逡逑激勵起感應(yīng)電流。由于諧振腔具有頻率選擇特性，速調(diào)管的腔體總是設(shè)計在信逡逑號頻率上的，，高次諧波電流由于頻率是信號頻率的＃倍，并不能在腔中建立逡逑

電子束由速度調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)槊芏日{(diào)制的過程是在漂移管中依靠電子的慣性逡逑運動完成的，由于漂移管是一個等位空間，當忽略空間電荷場時，電子在漂移逡逑管內(nèi)運動速度不變，到達某一點的位置與時間關(guān)系可以繪成如圖１－３所示的電逡逑子時空圖形。電子由于速度受到高頻場的調(diào)制，在漂移空間中會發(fā)生相互追趕逡逑的現(xiàn)象，速度快的電子會追上速度慢的電子，最終會在同一時刻到達漂移空間逡逑的某一點，即圖中直線相交的部分，大量的電子在這一點集中，電子在漂移管逡逑中形成群聚塊的過程稱為電子群聚。逡逑ｆｔ邋＿逡逑－邐邐＾＾邋ａｉ逡逑’？邐ｕ邐邐９。邐逡逑圖１－２電子在間隙內(nèi)運動示意圖邐圖１－３電子的時間一空間圖逡逑正弦速度調(diào)制的電子注在漂移空間引起了正弦電流調(diào)制，進而在輸出腔中逡逑激勵起感應(yīng)電流。由于諧振腔具有頻率選擇特性，速調(diào)管的腔體總是設(shè)計在信逡逑號頻率上的，高次諧波電流由于頻率是信號頻率的＃倍，并不能在腔中建立逡逑
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN101

【參考文獻】

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本文編號：2561140