回旋行波管電子光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及激光等離子體互作用研究.pdf

1、回旋行波管是毫米波頻段重要的信號放大器，可以應(yīng)用于毫米波通信、大功率雷達(dá)系統(tǒng)、電子對抗等多個(gè)微波領(lǐng)域?；匦胁ü芟啾扔谄渌娬婵掌骷?，在毫米波頻段具有大功率輸出、寬頻帶、高增益等特點(diǎn)，因而對它的研究一直受到極大的關(guān)注?；匦胁ü艿母吖β瘦敵觥⒎€(wěn)定性工作受到收集極容量以及電子注傳輸穩(wěn)定性的限制。對于大功率回旋電子注的產(chǎn)生與控制、大功率收集極的功率容量優(yōu)化，是近年來國內(nèi)外回旋行波管研制工作的重點(diǎn)。
　　本學(xué)位論文結(jié)合本?！皣腋呒?/p>

2、術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃-XX管技術(shù)”項(xiàng)目，對 Q波段回旋行波管電子光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新性的研究與探索。近年來電子科技大學(xué)針對介質(zhì)加載高頻結(jié)構(gòu)，對多個(gè)頻段的回旋行波管進(jìn)行了研制工作。在 Ku、Ka、Q以及W波段得到了112 kW-190 kW的峰值輸出功率，飽和增益38-69 dB，效率18％-23.3%。但要進(jìn)一步提高回旋行波管的峰值功率、平均功率，電子注穩(wěn)定性以及剩余高能量電子收集成為至關(guān)重要的問題。其次為了提升回旋行波管的設(shè)計(jì)效率以及

3、設(shè)計(jì)質(zhì)量，開發(fā)了回旋行波管軟件設(shè)計(jì)平臺，為回旋行波管的信息化設(shè)計(jì)與管理提供了良好的平臺基礎(chǔ)。另外針對提高THz輻射信號強(qiáng)度，對激光等離子體互作用機(jī)理進(jìn)行了研究，改進(jìn)了THz輻射實(shí)驗(yàn)平臺，提升了THz信號強(qiáng)度。
　　電子注的速度零散是影響電子注傳輸穩(wěn)定性的重要因素之一。通過理論分析，設(shè)計(jì)了Q波段雙陽極磁控注入電子槍，電子注速度比1.09，縱向速度零散1.43%；為了進(jìn)一步降低電子注的速度零散，采用遺傳算法，編制了磁控注入電子槍優(yōu)化程

4、序，優(yōu)化后電子注速度比1.104，縱向速度零散0.72%，電子注速度一致性得到了提高。通過分析電子注速度零散的來源，引入曲線結(jié)構(gòu)陽極，通過遺傳算法優(yōu)化，降低了陰極區(qū)電磁場分布不匹配，電子注縱向速度零散降為0.39%，電子注速度一致性得到了進(jìn)一步提高。同時(shí)，為了提高電子槍陰極壽命，對磁控注入電子槍陰極展開熱分析，優(yōu)化陰極加熱結(jié)構(gòu)，陰極的加熱效率提升1倍多。
　　收集極是回旋行波管中電子注回收的器件，其功率容量是限制回旋行波管輸出功率

5、的重要因素。為了增加收集極的功率容量，電子注的有效耗散是關(guān)鍵。通過采用曲線結(jié)構(gòu)收集極，增加了電子注的耗散面積及均勻性。曲線結(jié)構(gòu)通過遺傳算法優(yōu)化后，最大電子注耗散密度為0.46 kW/cm2，與常規(guī)圓柱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)收集極相比較，最高耗散密度下降57%；同時(shí)研究收集極中二次電子發(fā)射，分析二次電子發(fā)射能力、發(fā)射能量以及發(fā)射角度分布，研究了二次電子對收集極耗散密度分布的影響；對收集極展開熱分析，得出在曲線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)收集極下，收集極內(nèi)壁溫度分布更加均勻

6、，內(nèi)壁最高溫度從227℃下降至142℃。由此可見曲線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)收集極具有更大的功率容量。
　　從提升回旋行波管的設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量出發(fā)，開發(fā)了集協(xié)同仿真、質(zhì)量管理、創(chuàng)新設(shè)計(jì)為一體的回旋行波管設(shè)計(jì)平臺。根據(jù)回旋行波管各個(gè)零部件的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了能夠滿足多物理場仿真、自主優(yōu)化的協(xié)同仿真平臺。在此基礎(chǔ)上，編寫了回旋行波管零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊，包括磁控注入電子槍設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊、高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊、收集極設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊。并利用設(shè)計(jì)平臺優(yōu)化了一支 Q

7、波段大功率回旋行波管，在設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自主傳遞、結(jié)構(gòu)自動(dòng)優(yōu)化、冗余度分析、自動(dòng)生成工程圖的一體化流程?；匦胁ü茉O(shè)計(jì)平臺提高了回旋行波管的設(shè)計(jì)效率以及容錯(cuò)率，為回旋行波管的信息化管理提供良好的平臺基礎(chǔ)。
　　美國密歇根大學(xué)訪學(xué)期間研究激光等離子體互作用機(jī)理。在Lambda Cubed激光器平臺下，構(gòu)建了THz輻射實(shí)驗(yàn)平臺，并在實(shí)驗(yàn)中觀測到了THz頻段電磁輻射信號。為了得到更大的THz輻射信號，通過對THz輻射實(shí)驗(yàn)的研究，分析