高效的设计要与思维“互动”——中国电子科技集团公司第十二研究所(北京真空电子技术总公司)

Inventor软件开发了大量的简单使用功能,这些功能与设计者的设计思想相辅相成。这些实用的功能可以大大简化设计中的建模步骤,Inventor软件的知识驱动模式更是减轻的设计者的劳动强度,提高设计效率。

铁磁性加载复合管壳电子注聚焦性能的研究

大功率行波管通常利用复合管壳提升高频系统的集成度和散热特性。宽带行波管采用复合管壳高频制造工艺时,由于加载翼片含有铁磁性材料(纯铁)使得聚焦系统的横向磁场分量变大,径向和角向磁场分量呈非均匀性,电子注聚焦困难。本文研究了周期永磁聚焦系统横向磁场产生的原因并建立理论模型,并对磁场分量和其对电子注形态的影响进行了仿真,仿真结果与理论计算结果一致。根据横向磁场分布模型对加载翼片的形状和数量进行优化仿真,结果表明9片齿形加载翼片方案可在保持慢波电路参数的同时,降低聚焦系统的横向磁场分量,改善电子注聚焦效果。

低抖动激光触发伪火花开关的研究

伪火花开关已经成功地应用于各种脉冲功率应用,包括欧洲大型强子对撞机、反导雷达系统、航空发动机点火等。对于这样的应用,降低开关的延迟和抖动来提升稳定性是非常重要的。设计了一种激光触发伪火花开关,使用波长532 nm的激光,在不同气压、工作电压和触发能量下,测试激光触发伪火花开关的阳极着火延迟时间和抖动两项参数。测试结果表明,增加激光能量可以降低开关的延迟和抖动,实现开关稳定性的激光能量阈值在1.5 mJ,可以使得开关的抖动小于1 ns,继续增大触发能量,开关的延迟和抖动不再明显变化;此外,增大管内的氢气压强可降低开关的延迟和抖动;当触发能量足够大时,改变阳极电压,开关的延迟和抖动不随开关电压而改变。

辉光放电触发重频伪火花开关研究

伪火花开关是工作在帕邢曲线左支的低气压开关,具有纳秒级击穿时间、百千安级脉冲电流、工作寿命长等特点。具有高重频性能的伪火花开关民用领域以及军事领域均有广泛的应用需求。基于双脉冲辉光放电触发结构,设计出一种具有重频能力的伪火花开关;在10 kV阳极电压下进行了整管测试,观察不同气压,预、主触发电压对重频性能以及触发性能的影响;结合仿真软件计算不同气压与触发电压下,触发电流的变化,最终总结了两个脉冲对触发过程的影响。测试结果表明,最低仅100 V触发电压,开关重复频率即可从沿面放电触发的100 Hz提升至400 Hz。

基于太赫兹真空器件的微型阴极抑制膜特性研究

为满足太赫兹真空器件对阴极的大电流密度、小电子注尺寸需求,利用双离子束辅助沉积技术在浸渍钪酸盐阴极表面沉积Ta/Zr抑制膜,并利用聚焦离子束刻蚀技术制备出发射面直径为100μm的微型热阴极。在此基础之上着重研究这种阴极的抑制膜特性,研究表明,Ta/Zr膜层比Zr膜层临界附着力更强,双离子束辅助沉积制备的Ta/Zr抑制膜比磁控溅射制备的Ta/Zr抑制膜更加致密,并且抑制发射寿命更长。阴极良好的抑制效果一方面是因为Ba扩散至Zr中形成高功函数物质,另一方面是因为Ta/Zr复合膜层高度致密有效抑制了Ba的扩散。

1.03THz折叠波导慢波结构及电子光学系统研究

太赫兹真空电子器件成为未来主要的发展方向,本文对1.03 THz折叠波导慢波结构及电子光学系统进行了研究,分析了不同电子注通道形状对于折叠波导特性的影响,包括色散特性、耦合阻抗、衰减特性、功率、增益等,并且利用OPERA 3D软件设计了电子光学系统。仿真结果表明,在中心1.03 THz频率处,与矩形电子注通道折叠波导慢波结构相比,圆形电子注通道的结构色散曲线更为平缓,耦合阻抗提升6.9%,损耗降低6.8%;在10 GHz带宽内功率提升47.4%,增益提升1.2 dB,互作用长度缩短12.3%。在工作电压为17.4 kV时,阴极发射电流大于3 mA,电子注半径为0.012 mm,在均匀区永磁聚焦系统中可稳定传输。

《太赫兹真空电子器件(二)》专栏发刊词

人类从未停止过探索的脚步,太赫兹波是介于光学和微波毫米波之间的电磁频谱,在宇宙科学、材料科学、物理学、通信、感知探测成像等领域具有广阔的应用前景。真空电子器件在太赫兹频段具有大功率、高效率、小型化等优势,是太赫兹系统的核心器件,因此对真空电子器件的深入研究,能从根源上提升系统的性能。随着器件提升到太赫兹频段,面临结构特征尺寸小、互作用效率低、传输损耗大等一系列挑战。

一种C波段雷达接收机防护技术研究

随着战场环境日益复杂,尤其是高对抗环境下,对现有各类装备均产生了极大威胁。设计了一款C波段雷达接收机保护器,采用充气微波开关管+波导同轴转换的结构设计,创新性地提出将固态限幅器芯片融合在波导同轴转换内部,限幅芯片采用级联的形式,提高了微带限幅器的承受功率。实现接收机保护器耐受功率10 MW以上,响应时间5 ns以内,不仅可用于雷达发射期间接收机防护,还可应对外部电磁干扰、高功率微波攻击。

电真空器件隙缝腔零件微细加工技术工艺研究

针对G波段分布作用速调管中关键零件隙缝腔零件的高精度设计要求开展微细加工技术研究。基于现有加工经验及加工设备条件,通过创新性的工艺设计、结合大量工艺试验探索,突破了微小尺寸、超高精度零件的精密加工技术,满足了毫米波及太赫兹电真空器件中关键零部件的制造需求,提升了高频段电真空器件制造技术水平。

用SEM、AES、EDS对电子发射材料(钪酸盐阴极)及其所用的多孔钨体的分析与研究

本文简要报导用Philips—SEM505、日本ANELAL公司AES—430S以及美EDAX—9100对钪酸盐阴极及多孔钨体的形貌结构、发射表面和体内的成分组成等进行实验研究的初步结果。实验表明:钨粉种类、成形方法、精加工方式等都是对多孔钨体和阴极表面性能有直接影响的因素。用俄歇谱仪对阴极发射面做纵向剖面分析可以看出,决定阴极性能的发射表面的“浅层”是发射活性物质最富集的区域。随着深度的增加,活性物质逐渐减少。深度超过约420A以后,各种成分便呈相对稳定的分布。因此,阴极性能的优劣主要取决于极薄一层发射表面的组成和性质。对该层的结构、性能等做充分的研究,对了解阴极的发射机理、改善并掌握稳定的阴极制备工艺都是十分重要的。

基于改进时间差分的视觉/惯性组合导航研究

针对全球导航卫星系统(GNSS,global navigation satellite system)在军事战争、室内和水下等情况下存在因信号缺失导致的全球定位系统(GPS,global positioning system)无法使用和惯性导航系统(INS,inertial navigation system)状态误差发散过快的问题,提出了一种基于连续帧时间差分视觉辅助导航的方法;为了抑制状态误差的快速发散,提高INS在长航时工作上的性能,分析了机器视觉连续帧间差分法,并对其进行了计算上的改进,设计了一种时间差分视觉/惯性组合系统,并进行了仿真实验和分析;结果与纯INS相比,均方根误差(RMSE,root mean square error)在北向位置上减少了19.0%,在东向误差上减少了32.1%,表明该方法有效抑制了纯惯性导航速度和位置的误差发散,延长了惯性导航的可用时间。

W波段TWT用硼掺杂金刚石衰减器的热稳定性能研究

针对大功率折叠波导行波管(TWT)对高导热衰减材料的迫切需求,开展了硼掺杂金刚石膜制备和介电性能研究,在此基础上研制出硼掺杂金刚石衰减器并探究衰减器性能的热稳定性。研究结果表明,硼掺杂浓度为1.81×10^(19) cm^(-3)的金刚石膜,在W波段介电常数和损耗角正切平均值分别为7.18和0.30;随着环境温度从室温升高至90℃,在85~110 GHz范围内,硼掺杂金刚石衰减器的|S_(11)|由19.67 dB提高至20.94 dB,|S_(21)|由44.03 dB提高至45.63 dB,呈现出较高的热稳定性。

X射线管的焦点仿真设计研究

在X射线管中焦点的形状和尺寸对影像质量起着决定性作用。本文使用CST Studio Suite软件进行仿真设计,研究了栅极电压和聚焦结构对焦点的影响,开展了焦点形成机理、电极结构与静电聚焦等理论分析,为X射线管的结构设计提供规律参照。

第一性原理研究掺入钒、锶的钡钨阴极表面功函数及吸附能

应用第一性原理赝势法,构建了不同的阴极表面原子模型,并计算了功函数和吸附能.以(2×2×1)W(001)面为基础,在表面的顶位、桥位和洞位分别吸附1 ML的O原子,发现O原子更倾向于吸附在顶位,并且功函数最大.将Ba原子吸附在W-O表面后,发现Ba原子更有可能吸附在洞位,表面最佳覆盖度在0.5 ML左右.在W-O-Ba表面的洞位吸附V原子和Sr原子,发现同时吸附2种原子后体系的吸附能更有可能取决于最后吸附的原子,V的吸附使表面功函数降低,Sr使表面功函数升高.最后制备了掺入3%钒酸锶的新型钡钨阴极,在1050℃下脉冲发射电流密度达8.71 A/cm^(2),高于普通铝酸盐钡钨阴极的6.77 A/cm^(2),通过实验证实理论仿真具有合理性,可以进一步优化表面结构,提高阴极发射能力.

G波段行波管电子枪设计与实验

设计了用于G波段行波管的聚焦极调制皮尔斯电子枪,电子注电压20 kV,电流50.9 mA,注腰半径0.056 mm,射程10.3 mm。利用热-结构耦合分析和电子注轨迹仿真方法,分析了热形变对电子枪性能造成的显著影响。为了消除电子枪热形变的影响,设计了装配模具进行补偿,并得到了实验验证。该电子枪已用于多种G波段行波管,解决了关键部件技术问题。

接收机保护器短恢复时间技术的研究

介绍了一种新型预放电管腔体结构,独创性地采用两只石英管,其结构、尺寸以及两个石英管之间的连接方式经过专门设计,可以有效解决现有新型长脉冲宽度、大脉冲功率雷达所带来的接收机保护器恢复时间增大问题,将恢复时间缩短至之前的1/10以下,而恢复时间指标与雷达的盲区息息相关,因此该研究将有效地减少雷达盲区距离,提升雷达性能。文章介绍了该种结构的设计原理、方法和试验结果。

《太赫兹科学与电子信息学报》2023年第10期专栏征稿主题:太赫兹真空电子器件

太赫兹真空电子器件是利用自由电子与太赫兹波在真空环境中的互作用产生或放大太赫兹辐射的电子器件,具有高频率、高功率、高效率的显著优点,在高精度成像与感知、远距离高速无线通信、高频率电磁对抗、高能物理科学研究等领域有着广泛应用前景。当前太赫兹真空电子器件的发展主要面临互作用效率低。

W波段行波管功率提升研究

行波管为发射机提供放大信号,其输出功率直接决定着系统的作用距离,是系统的核心部件之一。本文从提升电子效率和电子注功率两方面开展研究,以提升W波段行波管输出功率。基于折叠波导互用电路相速跳变设计,研制出8 GHz带宽内输出功率大于250 W的W波段行波管。提出非半圆弯曲折叠波导与相速跳变技术结合的设计方法,使W波段行波管输出功率和电子效率最高分别达到647 W和13.4%。提出一种四端口式高频结构和一种双弧弯曲折叠波导慢波结构,大幅提升了行波管对工作电流的聚焦能力,基于两种新型结构的创新研究,完成了千瓦级W波段行波管设计。

基于ASAAC标准的超宽带微波功率模块研究

以外场可更换模块为基本硬件单元的综合模块化航空电子设备已成为航电系统发展的主导。基于目前现代军用飞机航电设备的发展趋势,微波功率器件也需要向着标准化结构的方向发展以适应整机未来的应用需求。本文介绍了符合ASAAC标准的某型4~18 GHz的超宽带微波功率模块产品,通过对超宽带注波互作用、微型化高导热多级降压收集极和热管均热技术的研究,完成了具有超宽频带、高效率、低热耗和标准化结构的微波功率模块,实现了微波功率模块从“非标定制”向“通用/国际标准”结构的迈进,基于微波功率器件结构上的标准化特点,可直接应用于采用ASAAC标准结构的各类型的整机平台。

大功率速调管用氧化物阴极研究

根据大功率速调管的设计要求阴极的电流密度不低于14 A/cm^(2),目前这种类型速调管所用M阴极工作温度需要不低于1080℃,所需灯丝功率高达26~28 W。本文介绍一种适用于该类型速调管的改良氧化物阴极的制备技术,这种阴极采用镍合金活性基底代替纯镍基底,涂层采用含钪四元氧化物。结果显示:这种氧化物阴极速调管支取电流密度为15 A/cm^(2)时,阴极温度为910℃,灯丝功率为20.97 W,灯丝功率比M型阴极降低了约20%。