基于回旋諧振機(jī)制的特殊電真空器件研究.pdf

1、運(yùn)動(dòng)電子在恒定導(dǎo)引磁場(chǎng)與交變電磁場(chǎng)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(duì)論效應(yīng)，而且所有電子

2、都同時(shí)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(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。俄羅斯、美國(guó)以及美國(guó)、日本都分別對(duì)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(guó)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(duì)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(chǎng)分布，以及降壓收集極的電極形狀、電勢(shì)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(chǎng)分布不均勻和空間電荷力對(duì)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(chǎng)、場(chǎng)強(qiáng)以及頻率等因素對(duì)提高電壓的影響，指出，研制厘米波段兆瓦級(jí)的回旋波整流器是可能的。
　　 利用小信號(hào)理論和自洽非線性理論對(duì)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(chǎng)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(lì)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