电子光学系统由电子枪、聚焦系统和降压收集极三部分组成,内容涉及电子注的产生、成形、维持和收集,是微波管的重要组成部分。在微波管中,电子枪用来产生具有一定几何形状,能量和电流的电子注,由聚焦系统维持一定的形状通过高频系统,与行波场相互作用,产生电子群聚和能量交换,达到将高频信号放大的目的。电子光学系统提供的电子注质量和相关参量从根本上决定了诸如效率、增益、工作稳定性和噪声特性等微波管的重要参量。近几十年来人们设计了各种不同的电子枪来满足不同的需求。轴对称收敛型电子枪是在O型微波管中应用最为广泛的电子枪,这种枪的基本设计思想是在球形二极管电子注中,“切割”出一部分形成需要的电子注,并用外电极来代替被“切去”的电子注的作用。设计出符合整管要求的电子枪,以使电子注具有要求的导流系数,足够的射程,合适的注腰半径,计算阳极孔造成的电子注发散和补偿阳孔效应,改善电子注的层流性,是电子枪设计的主要内容。计算机技术的发展与应用,极大地促进了微波管技术的进步,同时,CAD已经成为研制行波管的主要手段,提高微波管的设计能力,缩短开发周期,减少整管硬件实验,改善微波管性能,固化已有经验,也愈来愈离不开计算机辅助设计。近年来,等离子体粒子模拟(PIC:Particle In Cell)技术在电磁场数值计算中得到了广泛的应用。与一般的计算机模拟不同,通常的计算机数值模拟只是数值求解本身已经抽象和简化了的宏观方程,而粒子模拟的特点在于直接从最基本的电磁场运动规律和粒子运动的力学规律出发利用高速计算机直接求解完整的Maxwell方程组和Lorentz方程,追踪宏粒子的运动,它能更真实地反映实际物理过程。本文将采用粒子模拟方法(PIC)对皮尔斯电子枪的模拟进行研究,主要工作在于:1.本文首先对粒子模拟方法进行了综述,重点介绍粒子模拟方法的基本原理,包括宏粒子模型、有限尺寸大小粒子模型以及本文程序设计模拟电子枪系统PIC模拟采用的静电模型。对粒子模拟软件MAGIC和MAFIA所具有的特点及其应用情况进行了介绍。2.介绍了皮尔斯电子枪的发展,总结了皮尔斯电子枪的关键设计参量,研究了在空间电荷效应及发射电子热初速影响下发射电流在极间的流通规律并对3/2规律进行了修正,阴极电子初始热速度对电子注成形和电子注质量的影响,并对栅控电子枪的进行了简单介绍。3.讨论了微波管电子光学系统的数值计算方法。首先讨论了静态场的求解方法;之后介绍了电子运动方程、轨迹方程的求解方法;空间电荷效应是强流电子光学的一个重要特征,空间电荷密度分配的准确对于电子光学问题中的求解具有重大的影响,本章讨论了空间电荷密度的几种求解方法,并进行了对比分析。4.利用Fortran语言进行程序设计,用粒子模拟的方法对无限大平行板间粒子的运动进行了一维、二维模拟,对《强流电子枪优选系列》手册上A12型电子枪内粒子的运动进行了数值模拟,并与MAGIC程序模拟的结果进行了对比。