皮爾斯電子槍的PIC模擬.pdf

1、電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、聚焦系統(tǒng)和降壓收集極三部分組成，內(nèi)容涉及電子注的產(chǎn)生、成形、維持和收集，是微波管的重要組成部分。在微波管中，電子槍用來產(chǎn)生具有一定幾何形狀，能量和電流的電子注，由聚焦系統(tǒng)維持一定的形狀通過高頻系統(tǒng)，與行波場相互作用，產(chǎn)生電子群聚和能量交換，達(dá)到將高頻信號放大的目的。電子光學(xué)系統(tǒng)提供的電子注質(zhì)量和相關(guān)參量從根本上決定了諸如效率、增益、工作穩(wěn)定性和噪聲特性等微波管的重要參量。近幾十年來人們設(shè)計(jì)了各種不同的電子槍來滿足不

2、同的需求。軸對稱收斂型電子槍是在O型微波管中應(yīng)用最為廣泛的電子槍，這種槍的基本設(shè)計(jì)思想是在球形二極管電子注中，“切割”出一部分形成需要的電子注，并用外電極來代替被“切去”的電子注的作用。設(shè)計(jì)出符合整管要求的電子槍，以使電子注具有要求的導(dǎo)流系數(shù)，足夠的射程，合適的注腰半徑，計(jì)算陽極孔造成的電子注發(fā)散和補(bǔ)償陽孔效應(yīng)，改善電子注的層流性，是電子槍設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，極大地促進(jìn)了微波管技術(shù)的進(jìn)步，同時，CAD已經(jīng)成為研制行波

3、管的主要手段，提高微波管的設(shè)計(jì)能力，縮短開發(fā)周期，減少整管硬件實(shí)驗(yàn)，改善微波管性能，固化已有經(jīng)驗(yàn)，也愈來愈離不開計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。近年來，等離子體粒子模擬(PIC：Particle In Cell)技術(shù)在電磁場數(shù)值計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。與一般的計(jì)算機(jī)模擬不同，通常的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬只是數(shù)值求解本身已經(jīng)抽象和簡化了的宏觀方程，而粒子模擬的特點(diǎn)在于直接從最基本的電磁場運(yùn)動規(guī)律和粒子運(yùn)動的力學(xué)規(guī)律出發(fā)利用高速計(jì)算機(jī)直接求解完整的Maxwell方

4、程組和Lorentz方程，追蹤宏粒子的運(yùn)動，它能更真實(shí)地反映實(shí)際物理過程。本文將采用粒子模擬方法(PIC)對皮爾斯電子槍的模擬進(jìn)行研究，主要工作在于： 1．本文首先對粒子模擬方法進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹粒子模擬方法的基本原理，包括宏粒子模型、有限尺寸大小粒子模型以及本文程序設(shè)計(jì)模擬電子槍系統(tǒng)PIC模擬采用的靜電模型。對粒子模擬軟件MAGIC和MAFIA所具有的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。 2．介紹了皮爾斯電子槍的發(fā)展，總結(jié)了

5、皮爾斯電子槍的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參量，研究了在空間電荷效應(yīng)及發(fā)射電子熱初速影響下發(fā)射電流在極間的流通規(guī)律并對3/2規(guī)律進(jìn)行了修正，陰極電子初始熱速度對電子注成形和電子注質(zhì)量的影響，并對柵控電子槍的進(jìn)行了簡單介紹。 3．討論了微波管電子光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法。首先討論了靜態(tài)場的求解方法；之后介紹了電子運(yùn)動方程、軌跡方程的求解方法；空間電荷效應(yīng)是強(qiáng)流電子光學(xué)的一個重要特征，空間電荷密度分配的準(zhǔn)確對于電子光學(xué)問題中的求解具有重大的影響，本章討論