随着短毫米波技术的发展,真空电子器件在短毫米波的开发应用中扮演着重要的角色,它们具有工作频率高、频带宽、输出功率大、增益高等特点,主要应用在电子对抗、生物医学、卫星通信和雷达探测等领域。作为大多数真空电子器件的“心脏”,电子光学系统(EOS)为真空电子器件正常工作提供符合规范的电子束,其作用是为高频信号放大提供能量。行波管(TWT)是重要的真空电子器件之一,它依靠电子束与慢波电路中的高频信号相互作用才能使得高频信号功率放大。由于行波管属于“O”型真空电子器件,它的尺寸与工作的电磁波长形成正比关系。到了短毫米波段,工作波长变短导致电子光学系统的尺寸变小。因此,短毫米波行波管电子光学系统设计的目标是完成高束流密度、强空间电荷效应、束层流性良好、低电子束脉动以及高束流通率等指标。这对于电子光学系统设计是一个很大挑战。本文根据课题组对于不同频段行波管设计的需求,完成的设计包括两套经典皮尔斯电子枪和一套太赫兹电子枪以及相应的磁聚焦系统。以短毫米波行波管电子光学系统为研究对象,本文主要工作内容介绍如下:一、根据确定的行波管工作参数,如行波管的工作电压、电流、电子通道半径以及阴极表面的电流密度等,利用Vaughan迭代算法完成皮尔斯电子枪基本轮廓设计。为了确定电子枪的结构参数,在二维乌克兰软件ORION中初步完成电子枪结构参数的模拟仿真。为了改善电子束,利用OPERA-3D软件,介绍了电子枪结构优化方法。二、基于电子枪工作参数,如电压、电流以及电子束腰半径等参数,初步展开了对周期永磁(PPM)聚焦系统设计研究。通过计算电子束的布里渊磁场Bb和等离子体波长λp,可以得到PPM聚焦系统周期和轴向磁场的合适范围。介绍PPM结构参数计算方法,利用OPERA-3D软件完成仿真优化。将电子枪和PPM聚焦系统联合建模和仿真,介绍了磁场过渡区设置方法和磁场注入方式。三、根据行波管未来发展趋势,设计了G波段折叠波导行波管电子光学系统。详细介绍了电子枪和磁聚焦系统的设计过程,利用三维电磁仿真软件OPERA-3D计算优化电子枪结构和磁聚焦系统。在电子束高压缩比和层流性不理想的情况下,通过在阴极外面增加一个厚度为0.1mm的保护壳,改善了电子束的层流性。磁聚焦系统采用了 PPM聚焦系统和均匀磁场聚焦系统两种方案,仿真计算结果为:电子束流通率为100%,均匀磁场聚焦的电子束比PPM聚焦的电子束更稳定。四、将设计完成的零件进行加工、装配和焊接,对磁系统、整管的流通率等参数进行测试和分析。最后对本人在课题组期间的工作情况进行总结,与此同时指出了未来研究工作的意见。