D波段行波管电子光学系统设计

提出一种用于D波段行波管的电子光学系统设计方案,包括电子枪和永磁聚焦系统,并进行了验证。电子枪采用经典皮尔斯电子枪结构,阴极发射面的外层设置阴极套壳,抑制阴极边缘杂散发射;采用圆柱形控制极替代锥形控制极,同时在聚焦极加负偏压,调节电子注的压缩状态。所设计电子枪工作电压为19 kV,提供电子注电流57 mA,注腰半径为0.068 mm,射程为14.9 mm。为在半径0.15 mm的电子通道中稳定地聚焦和传输电子注,永磁聚焦系统采用周期永磁聚焦系统。峰值磁场为布里渊磁场的2.9倍,增加了电子注刚性。模拟结果显示,传输的电子注最大波动半径小于0.1 mm。按所设计的电子光学系统加工组装了试验流通短管,测试结果显示电子注电流为49.83 mA,收集极电流为49.6 mA,对应电子注流通率达到99.5%,实现了设计目标。

毫米波/太赫兹真空器件中的带状电子注和新型慢波结构

采用带状电子束是在毫米波和太赫兹波段产生大功率输出的一种重要方法,为了提高工作频率、提高输出功率、拓展工作频带,对带状电子束的形成、传输和收集以及新型慢波结构进行研究,是真空电子学的热点研究方向之一。本文概述了目前国内外带状电子束真空电子器件的研究动态和发展趋势,并提出了今后发展的若干建议。

真空电子太赫兹器件研究进展

太赫兹波因其具有电子学与光子学的特性,所以在深空探测、无损检测、通信及安检等领域有巨大应用潜力。近些年,太赫兹技术的迅猛发展离不开太赫兹真空电子器件的不断进步。由于尺寸共度效应及电子束发射性能的限制,这类器件在迈向更高频段过程中遇到了不小的困难。针对这些问题,研究人员通过改良高频结构、控制加工精度、制备更优性能的材料、更精准的计算手段等一系列措施进行解决。本文介绍几种主流小型化太赫兹器件研究过程中的解决方案及最新进展,最后根据现阶段发展情况总结未来可能会遇到的问题及解决方法。

微波管电子光学模拟器新进展

电子光学模拟器(Electron Optics Simulator,EOS)是微波管模拟器套装的重要组成部分。EOS是一个用于模拟设计微波管中轴对称电子枪、栅控电子枪、多注电子枪、带状注电子枪和轴对称及非轴对称多级降压收集极的二维和三维有限元模拟软件。本文介绍了EOS的最新进展。为进一步提高计算精度和计算速度,EOS主要作了以下七点改进:①引入了比一次插值函数精度更高的二次插值函数;②增加了瞬态计算模块以模拟瞬态特性;③采用局部对称计算方法,减少了计算资源消耗,提高了计算速度;④增加了二维模块,提高了轴对称电子枪和收集极的计算速度;⑤研发了64位版本EOS,突破了32位版本的内存限制;⑥使用LU分解法求解矩阵,提高了有限元矩阵求解速度;⑦基于OpenMP并行计算技术,提高了计算效率。

多注集成带状注微波管电子光学传输特性研究

带状注在高频率、高功率、大电流密度等方面具有很好的前景,且其平面形的结构对于多注集成来说极具优势。为此该文选取了相对便于多注集成的均匀磁场、Wiggler磁场和周期会切(PCM)磁场,使用微波管模拟器套装的电子光学模拟器对带状电子注的传输特性进行了研究。结果表明:均匀磁场下带状注可以稳定传输最远;随着带状电子注电流密度的增大,相对不易获取的磁场结构依次是PCM磁场(最难获得)、Wiggler磁场和均匀磁场;Wiggler磁场相对而言,是比较便于工程应用,并保证电流密度较大带状电子注可以稳定传输的最好选择。给出了Wiggler磁场3×3多注集成的模拟结果,其电流密度为110 A/cm2,该Wiggler磁场结构的凹槽可以使带状电子注在传输过程中具有一定的聚束效果,对于约束互作用后的电子注将有良好的效果。

一种量子级联激光器能带电子温度计算新方法

基于电子动能与温度的关系以及费米黄金定律,对速率方程进行了优化,使其能够计算电子温度,进而实现了更为精准的速率方程求解。与已有的动能平衡法比较,该方法对能带电子温度变化过程进行了详细的描述,故无需采用优化算法求解,所以可以避免因陷入局部最优解而带来的多次计算的收敛值一致性较差的问题。计算结果表明,该方法在选取不同的初始温度时,通过自洽求解,即可解出各能级电子温度,且均可获得一致性较好的收敛值。

电子光学系统的三维有限元局部对称计算

根据电子光学系统的局部对称特性,介绍了电子光学系统的三维有限元局部对称计算方法,分析了电场的对称边界条件和电子运动轨迹的对称边界条件。在此基础上改进了三维有限元的电子光学模拟器EOS,模拟和分析了轴对称电子枪和栅控电子枪,对比了局部对称计算结果与全区域计算结果。由此得出局部对称计算可以在不降低计算精度的情况下,极大地减少计算时间和计算机资源消耗,从而缩短设计周期,提高设计效率。

电子束-等离子体系统激发太赫兹辐射的研究

电子束-等离子体系统是一种新型的高功率太赫兹源。本文综合评论了国内外对于该系统的一系列理论、仿真以及实验研究成果,全面地展示了该领域的研究状况。总结了该系统工作在太赫兹波段时的主要特征和优势,并根据不同的工作机理,对基于该系统的多种太赫兹源方案进行了分类介绍。最后对未来的发展方向以及关键问题进行了展望,为此类新型高功率太赫兹源的开发提出了建议。

三维电子光学模拟器的网格自适应研究

根据微波管电子光学系统有限元数值分析的特点,介绍了微波管电子光学系统有限元网格自适应的后验误差估计方法和网格自适应加密策略,并成功地在微波管模拟器套装电子光学模拟器中实现了网格自适应技术。以单阳极无栅电子枪为例,给出了网格自适应方法的计算结果,同时比较了均匀加密与网格自适应加密的计算结果,结果表明:网格自适应加密具有更好的收敛性以及更快的收敛速度,同时也表明提出的网格自适应方法是有效的。

基于等离子体电子枪的束-等离子体系统研究

采用PIC模拟研究了基于等离子体电子枪的小型化束-等离子体系统,探索了等离子体电子枪发射电流随加速电压、阴极等离子体密度、电子束通道半径以及电子束通道长度的变化规律,展示了电子束在高密度等离子体中的聚焦传输行为。

微波等离子体光源研究

微波等离子光源(LEP)是利用微波激发等离子体发光的无极放电光源。由于其热光源的发光特性,决定了其光谱分布连续,并且接近太阳光光谱,是国际公认的高效、节能、高品质光源。LEP采用无电极发光模式,消除了传统的照明技术中的失效模式和光通量退化,即使长时间使用,也不会因为电极失效或内壁变暗而影响系统性能。本文首先分析微波等离子体光源的基本构成和工作原理,然后简要描述该光源的发光特性和优势,以及典型的应用领域,最后介绍作者在微波等离子体光源研究方面的进展。

微波管永磁聚焦系统三维有限元CAD技术

介绍了微波管永磁聚焦系统三维二阶有限元方法的理论和非线性材料的处理技术,同时这些技术已经应用到三维微波管模拟套装的磁场模拟器(MFS)。通过MFS和商业软件ANSYS-Maxwell分别对单磁环和单周期结构进行仿真,并把MFS计算结果与ANSYS-Maxwell结果进行对比,结果表明:MFS和ANSYS-Maxwell轴线磁场峰值误差小于3%;同时对单磁环结构仿真时,MFS的计算时间只有ANSYS-Maxwell的41%;对单周期结构仿真时,MFS的计算时间占ANSYS-Maxwell的92%。通过这些数值实例说明了本文提出的非线性处理技术是有效的,同时也表明MFS能够用于永磁聚焦结构的工程设计。

太赫兹电磁生物效应及生物表征技术研究

太赫兹因其自身优异的穿透性和非电离特性受到研究人员的广泛关注。本文根据研究对象属性的不同,将太赫兹生物效应分为细胞膜的通透性、离子通道和基因表达三个层次的内容;又介绍了生物神经信号的研究进展;最后根据检测方式和信号处理方法的不同,将太赫兹生物表征技术分为太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术两大类。目前,太赫兹生物领域的研究尚处于起步阶段,本文尝试较为全面的对太赫兹生物效应、生物神经信号以及生物表征技术等领域的成果进行归纳和总结,旨在为太赫兹生物方面的研究提供参考。

微波硫灯的研究与实现

微波硫灯是新型环保的绿色光源,具有光效高、无污染和寿命长等优点。微波硫灯与一般的光源不同,它具有独特的工作原理和发光机理。微波硫灯由电源、磁控管、高频传输系统和硫泡等部件组成,这里主要介绍了电源、高频传输系统和硫泡的制作过程和自制各部件的实物图。最后对自制不同填充物的硫灯和外购硫灯做了测试,可以看出自制硫灯的系统光效达到55.34lm/W,高于外购硫灯,红光比高于外购硫灯,这就弥补了以前硫灯光色偏绿的缺陷。分析了光参数随不同填充物的变化趋势,得出了最佳填充量为硫粉17mg和氩气为532Pa左右。

微波硫灯局部热平衡理论研究

目前国内对于微波硫灯的仿真研究集中于对工程结构的验证及优化,采用的方式是:在冷状态下,对整灯结构的电磁模型进行仿真或转化为等效电磁模型进行仿真。本文则是将关注点放在了发光机理中很重要的能量平衡部分,在热状态下采用自洽的局部热平衡理论,详细阐述了其用于仿真的迭代过程,并推导了其中各参量的计算公式。

140GHz菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算

提出了一种新型的菱形微带曲折线慢波结构。该结构可适用于低电压、宽带宽、中等功率水平的高效率毫米波行波管。和传统的慢波结构相比,微带曲折线是一种平面结构,因此其加工工艺可采用2维微细加工技术。该结构可以用带状电子束进行注-波互作用,并且不需要额外的电子束通道。给出了菱形微带曲折线慢波结构在140 GHz的色散曲线和注-波互作用模拟分析。研究结果显示：在输入功率为40 mW,带状电子束的电流和工作电压分别为90 mA和7 kV的条件下,该微带曲折线行波管可以获得数十W功率输出,互作用效率可达14.3%,瞬时3 dB带宽为18 GHz（132~150 GHz）。

螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟

建立了三维非线性返波互作用模型,用于精确分析大功率螺旋线行波管中返波振荡非线性过程问题,并提出了计算返波振荡功率的方法及磁场抑制手段.该理论模型包括三维线路场方程、三维运动方程以及三维空间电荷场.首先比较三维模型与原有一维模型之间的差异,发现一维空间电荷场的径向交流电流分布模型与三维模型的差异是导致振荡频率偏大及起振长度缩短的主要原因.然后计算返波饱和输出功率大小并揭示返波饱和功率和振荡频率与互作用长度的关系,并探讨了磁场对返波振荡的抑制影响.最后以某一毫米波行波管为例,实验对比了一维与三维模型计算的振荡频率与热测的差异,其中三维模型的相对误差小于4.8%.

800V行波管研究

提出了一种角度对数周期微带曲折线慢波结构,该结构具有微带型慢波结构尺寸小、易加工的特点,同时特殊的结构使得它可以工作在极低的电压下,可用于低工作电压、宽频带毫米波径向束行波管。给出了这种慢波结构在Ka波段的色散特性和传输特性,并进行了注波互作用的分析。计算结果表明:该新型慢波结构的工作电压可低至809V,输出功率26W,3dB带宽约为19GHz(27～46GHz),虽然单个角度对数周期微带曲折线慢波结构的输出功率较小,但是这种结构通过功率合成,可以达到数百W的功率输出。

大功率同轴与波导窗的结构与设计原理综述

大功率微波输能窗是微波电子管、电子直线加速器、正负电子对撞机、等离子体加热等装置的关键部件之一,其性能直接影响到器件的工作带宽、功率容量、寿命和可靠性等性能,甚至研制的成败。本文总结了几种大功率同轴窗和波导窗的结构和设计方法,并对大功率微波输能窗设计过程中存在的主要问题与发展趋势进行了分析,希望对各种应用场合下微波输能窗的选择和设计起到一定的引导作用。

650GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示：在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15~25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。