冷陰極在高頻真空器件中的應用研究.pdf

1、冷陰極電子源由于其諸多的優(yōu)點，例如可以直接發(fā)射密度調(diào)制后的電子流，被認為是傳統(tǒng)熱陰極電子源的理想替代，已被廣泛應用于高頻真空器件，從而能使高頻真空器件變得質量輕，小型化和高效率，因而迅速成為各國研究熱點之一。 高工作頻率、高穩(wěn)定性的脈沖發(fā)射冷陰極一直是高頻真空器件電子源的研究重點，已有研究表明冷陰極能夠發(fā)射的脈沖調(diào)制（密度調(diào)制）電流頻率可達10-30 GHz，但是由冷陰極產(chǎn)生的高頻、脈沖電子注在慢波系統(tǒng)中的群聚特性、該電子注與時

2、變電磁場之間的相互作用機制，利用冷陰極產(chǎn)生的高頻、脈沖電子注獲得的微波信號放大特性等方面的研究文獻并不是很多。而將高頻脈沖發(fā)射冷陰極作為電子源應用在微波管中，對于減小微波器件長度，降低成本，提高器件的輸出功率和工作效率有著重要意義。因此本論文重點針對脈沖發(fā)射冷陰極電子源在螺旋線行波管中的應用，通過模擬分析其對行波管內(nèi)電子群聚、注-波互作用等器件性能的影響，為脈沖發(fā)射冷陰極電子源在高頻真空器件中的應用提供重要的理論指導。本論文的主要內(nèi)容如

3、下： 首先介紹冷陰極和場致發(fā)射的原理，并詳細討論了現(xiàn)階段計算場與粒子互作用的首選PIC（Particle-in-Cell）方法的原理，包括場方程，粒子方程，場和粒子耦合以及它們的邊界條件等。同時還對基于PIC方法的軟件原理和使用做了歸納總結。本論文采用PIC軟件作為仿真工具。 接著回顧了脈沖發(fā)射冷陰極電子源的發(fā)展現(xiàn)狀，然后本論文以螺旋線行波管為研究對象，模擬三種電子源模式：發(fā)射高幅值脈沖電子注的冷陰極、發(fā)射低幅值脈沖電子

4、注的冷陰極和發(fā)射密度均勻連續(xù)電子注的熱陰極，通過分析管內(nèi)電子注運動速度和電流的調(diào)制，得出不同電子源模式對行波管內(nèi)電子群聚現(xiàn)象的影響。本文通過大量的數(shù)值計算和分析發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的熱陰極發(fā)射直流電子注相比較，采用冷陰極發(fā)射高頻脈沖電子注可以提高電子群聚的效果。這對于提高微波信號的放大能力具有重要的意義。 最后對冷陰極螺旋線行波管內(nèi)注波互作用過程進行數(shù)值分析，包括分析注-波互作用物理過程，獲得高頻場縱向電場的放大特性和功率的輸出。通過以