皮爾斯電子槍的PIC模擬.pdf

1、電子光學系統(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，達到將高頻信號放大的目的。電子光學系統(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。近幾十年來人們設計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型微波管中應用最為廣泛的電子槍，這種槍的基本設計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。設計出符合整管要求的電子槍，以使電子注具有要求的導流系數(shù)，足夠的射程，合適的注腰半徑，計算陽極孔造成的電子注發(fā)散和補償陽孔效應，改善電子注的層流性，是電子槍設計的主要內(nèi)容。計算機技術(shù)的發(fā)展與應用，極大地促進了微波管技術(shù)的進步，同時，CAD已經(jīng)成為研制行波

3、管的主要手段，提高微波管的設計能力，縮短開發(fā)周期，減少整管硬件實驗，改善微波管性能，固化已有經(jīng)驗，也愈來愈離不開計算機輔助設計。近年來，等離子體粒子模擬(PIC：Particle In Cell)技術(shù)在電磁場數(shù)值計算中得到了廣泛的應用。與一般的計算機模擬不同，通常的計算機數(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，而粒子模擬的特點在于直接從最基本的電磁場運動規(guī)律和粒子運動的力學規(guī)律出發(fā)利用高速計算機直接求解完整的Maxwell方

4、程組和Lorentz方程，追蹤宏粒子的運動，它能更真實地反映實際物理過程。本文將采用粒子模擬方法(PIC)對皮爾斯電子槍的模擬進行研究，主要工作在于： 1．本文首先對粒子模擬方法進行了綜述，重點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計模擬電子槍系統(tǒng)PIC模擬采用的靜電模型。對粒子模擬軟件MAGIC和MAFIA所具有的特點及其應用情況進行了介紹。 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)鍵設計參量，研究了在空間電荷效應及發(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行了簡單介紹。 3．討論了微波管電子光學系統(tǒng)的數(shù)值計算方法。首先討論了靜態(tài)場的求解方法；之后介紹了電子運動方程、軌跡方程的求解方法；空間電荷效應是強流電子光學的一個重要特征，空間電荷密度分配的準確對于電子光學問題中的求解具有重大的影響，本章討論