【摘 要】
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太赫兹拥有高频率、大带宽、保密性高的特点,有着广阔的应用前景。而太赫兹源是太赫兹技术应用的重要环节,行波管作为应用广泛的大功率太赫兹源器件被重点研究。行波管中的电子光学系统能否提供高质量电子注对行波管的性能至关重要。同时,由于工作频率在太赫兹频段,电子器件尺寸小,其结构精密加工和装配难度大,太赫兹行波管的电子光学系统的设计和实现往往成为人们研究的重中之重。传统电子枪设计需要对各电极结构进行大量的优
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太赫兹拥有高频率、大带宽、保密性高的特点,有着广阔的应用前景。而太赫兹源是太赫兹技术应用的重要环节,行波管作为应用广泛的大功率太赫兹源器件被重点研究。行波管中的电子光学系统能否提供高质量电子注对行波管的性能至关重要。同时,由于工作频率在太赫兹频段,电子器件尺寸小,其结构精密加工和装配难度大,太赫兹行波管的电子光学系统的设计和实现往往成为人们研究的重中之重。传统电子枪设计需要对各电极结构进行大量的优化,而且带状注电子枪由于结构本身不具有轴对称性,不能采用二维模型来缩短设计时间,从而导致目前带状注电子枪设计占较多计算资源,更多地依赖于设计人员的经验。本文以旁轴轨迹方程和Ovcharov理论为基础,对带状注电子枪的二维综合方法进行了编程实现。利用该方法对一把带状注电子枪进行了快速设计,在此基础上建立三维模型进行仿真计算,最终得到一高压缩比（面积压缩比为22）长射程带状注电子枪。针对220GHz正弦波导行波管输出功率100W的指标要求,本论文完成了对电子枪、磁聚焦系统以及降压收集极的优化设计。在快速综合设计基础上,利用CST软件优化设计出符合设计指标的电子枪。该电子枪工作电压23.5k V,电子注电流200m A,电子注注腰截面尺寸0.646mm×0.09mm。接着对均匀磁聚焦系统进行了快速设计,最终得到了磁场峰值0.9T,均匀段长度48mm的磁聚焦系统,满足设计要求。之后对带状注电子枪、磁聚焦系统联合仿真,实现了带状电子注在横向尺寸为0.75×0.14mm、长度为48mm的漂移管内无截获传输,符合互作用的要求。随后对电子光学系统在实际加工装配过程中可能出现的误差做了敏感性分析。最后设计了两个降压收集极,在考虑二次电子影响下,单级降压收集极效率为88.79%,二级降压收集极效率为91.46%此外由于电子枪采用热阴极发射电子,而随着器件工作频率的升高,电子枪中电极尤其是阴极的热形变将导致电流大小、电子轨迹发生明显的改变。因此在完成220GHz带状注电子枪电参数优化设计和结构设计后,采用ANSYS软件对其进行热分析和热形变分析。
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