微波管永磁聚焦系統(tǒng)三維有限元理論.pdf

1、作為一類重要的微波/毫米波電真空器件，微波管在衛(wèi)星通信、雷達、電子對抗等領域具有不可替代的作用。永磁聚焦系統(tǒng)是微波管中使用頻率最高的一種聚焦系統(tǒng)，也是微波管電子光學系統(tǒng)的組成部分之一。它主要被用于維持電子注形狀，保證電子注的穩(wěn)定傳輸。其設計的優(yōu)劣對微波管的性能有直接影響。微波管磁系統(tǒng)的設計以往是通過一定假設條件下經(jīng)過簡化而得到的近似式，它只能是給出磁系統(tǒng)結構、磁體形狀尺寸的一種簡便估算方法，更精確的設計還是需要通過計算機模擬來實現(xiàn)。此外

2、，一些新型永磁聚焦結構如Wiggler, PMQ, PCM等，都具有非對稱的特性，必須進行全三維的磁場仿真模擬，以便設計、驗證和優(yōu)化磁聚焦結構。因此，永磁系統(tǒng)的CAD軟件是微波管設計工作必備的基礎工具之一，它為永磁系統(tǒng)的設計提供強有力的保障。本論文就是在這樣的背景下立題的，在深入研究微波管永磁聚焦系統(tǒng)的有限元理論基礎上，開發(fā)了微波管永磁聚焦系統(tǒng)磁場分析軟件，本文主要工作及創(chuàng)新點如下：
　　1、對微波管永磁聚焦系統(tǒng)的磁矢勢和磁標勢有

3、限元理論進行研究。首先從麥克斯韋方程組出發(fā)，建立了永磁聚焦系統(tǒng)磁場求解的磁矢勢有限元理論和磁標勢有限元理論。通過一個單磁環(huán)的仿真，表明在三維的有限元仿真中磁標勢有限元方法計算效率高于磁矢勢有限元方法。
　　2、對非線性材料的磁場計算方法進行研究，提出了處理非線性極靴材料牛頓迭代+拋物線算法。通過一個四周期永磁聚焦系統(tǒng)的仿真，分析了這幾種非線性材料的模擬計算方法的收斂性和計算效率，結果表明牛頓迭代+拋物線算法的效果最好。同時，本文還

4、提出了專門處理非線性永磁材料的迭代算法，通過一個單磁環(huán)實例驗證了算法的收斂特性。
　　3、對開域磁場問題的邊界處理技術進行研究。從磁矢勢和磁標勢有限元理論出發(fā)，建立了軸對稱永磁結構和非軸對稱永磁結構的漸近邊界條件。對于軸對稱結構，通過單磁環(huán)和三周期永磁結構的模擬，結果表明隨真空大小變化漸進邊界計算結果收斂會快于要截斷邊界。對于非軸對稱永磁結構，通過三周期永磁結構，帶開口磁環(huán)的三周期永磁結構和Wiggler結構的模擬，結果表明隨真空

5、大小變化漸近邊界技術會略優(yōu)于諾曼邊界技術和截斷邊界技術。
　　4、基于永磁系統(tǒng)某些結構的對稱性，在三維永磁系統(tǒng)模擬器中采用了局部對稱的計算方法，在不損失計算精度的前提下，通過對稱性減小計算區(qū)域來提高計算效率，減少計算資源消耗。
　　5、對網(wǎng)格自適應的后驗誤差估計和網(wǎng)格加密策略進行研究，設計了一個能夠有效控制網(wǎng)格加密數(shù)的加密策略。通過PPM和Wiggler結構分析了本文網(wǎng)格自適應方法的收斂特性。同時，本文還把網(wǎng)格自適應技術應用

6、到電子光學和高頻電路的有限元模擬。另外，本文針對電子槍和螺旋線高頻結構提出了專門的網(wǎng)格加密處理技術。
　　6、在上述微波管永磁系統(tǒng)有限元理論及關鍵技術基礎上，開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權的三維微波管永磁系統(tǒng)磁場仿真設計軟件——永磁系統(tǒng)磁場模擬器(MFS)。MFS包含二維和三維的磁場計算程序，支持對永磁系統(tǒng)涉及的結構參數(shù)和材料參數(shù)進行優(yōu)化，能夠方便的把永磁系統(tǒng)計算結果導入本實驗室開發(fā)的電子光學模擬器(EOS)和注波互作用模擬器(BWI