基于回旋諧振機(jī)制的特殊電真空器件研究.pdf

1、運(yùn)動電子在恒定導(dǎo)引磁場與交變電磁場中的回旋諧振是一種十分重要的物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，而且也已被人們廣泛利用。直到今天，人們?nèi)栽诓粩嗯?，研發(fā)新型的基于回旋諧振機(jī)制的電子器件。在已經(jīng)開發(fā)的這類器件中，最廣為人知的是回旋管。實(shí)際上，還有一些工作機(jī)理與回旋管不同的同樣基于回旋諧振現(xiàn)象的電子器件也是值得我們關(guān)注的。
　　 回旋波整流器和潘尼管就是兩種基于與回旋管不同機(jī)理的特殊回旋波器件，它們不依賴相對論效應(yīng)，而且所有電子

2、都同時處于加速或減速狀態(tài)，因此具有很高的注波互作用效率?；匦ㄕ髌魇菬o線輸電技術(shù)和空間太陽能電站的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以高效地把微波能變成電能。潘尼管具有在高次回旋諧波高效工作的潛力，有利于發(fā)展永磁包裝高效率的大中功率毫米波、亞毫米波源，在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、波束武器與新能源研發(fā)等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。俄羅斯、美國以及美國、日本都分別對這兩種器件有深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究，但到目前為止，除少數(shù)理論研究文章和綜述性報(bào)道外，國內(nèi)還沒有人從真正

3、意義上深入研究這兩種特殊的電真空器件。本論文根椐實(shí)驗(yàn)室的安排，以建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、研制實(shí)用器件為最終目標(biāo)，對這兩種器件開展系統(tǒng)的理論研究。
　　 本論文采用了等效電路與CST電磁仿真，粒子模擬相結(jié)合的快速、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，較好地處理了注波互作用，腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，阻抗匹配與互作用系統(tǒng)效率等問題。采用數(shù)值計(jì)算方法優(yōu)化了能量轉(zhuǎn)換區(qū)的磁場分布，以及降壓收集極的電極形狀、電勢分布。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了一只2.85GHz的回旋波整流器，其器件總

4、效率達(dá)83％。首次研究了回旋波整流器的場分布不均勻和空間電荷力對注波互作用的影響，給出了選擇電流參數(shù)的指導(dǎo)；并分析了板間距、引導(dǎo)磁場、場強(qiáng)以及頻率等因素對提高電壓的影響，指出，研制厘米波段兆瓦級的回旋波整流器是可能的。
　　 利用小信號理論和自洽非線性理論對Ka波段三次回旋諧波潘尼管進(jìn)行較為深入的研究，分析了電子引導(dǎo)中心漂移以及能量分布規(guī)律，提出了通過優(yōu)化磁場分布提高效率的方法，研究了影響互作用效率的因素，表明在實(shí)驗(yàn)可達(dá)到的電子

5、注質(zhì)量下，研制實(shí)用的高效高次諧波潘尼管是可行的。為解決目前由cusp電子槍產(chǎn)生的大回旋電子注質(zhì)量較差，各參數(shù)不易調(diào)節(jié)的現(xiàn)狀，提出了采用Cuccia耦合器產(chǎn)生線狀大回旋電子注的方法。采用數(shù)值計(jì)算以及PIC仿真分析了這種新型的大回旋電子注特性，證明了這種新型的電子注源不僅參數(shù)易于調(diào)節(jié)，而且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，線狀電子注激勵的三次諧波潘尼管可獲得8kW的輸出功率，微波能量轉(zhuǎn)換效率為50％，器件效率為43％，證明了電子注質(zhì)量完全滿足潘尼管的要求，為高