（电子科学与技术专业论文）行波管电子枪的设计与模拟.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv a c u u me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h er e q u i r e m e n tf o rt h e p e r f o r m a n c eo ft r a v e l i n g w a v et u b e n v t f r o mm i l i t a r ye l e c t r o n i ci n d u s t r ya n d c o m m e r c i a lu s eb e c o m e sm u c hh i g h e r t w tp 1 呵sa ni m p o r t a n tr o l ea sh i g hp o w e ra n d w i d eb a n dm i c r o w a v eg e n e r a t o ra n dm i c r o w a v ea m p l i f i e r t h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o r t w ti sa l s ob e i n gp r o m o t e db ym o d e r ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s p a c ec o m m u n i c a t i o n p h a s ea r r a yr a d a ra n de t c f r o mt h ea s p e c to fs m a l l e rs i z e l o n ga g e h i g h e rr e l i a b i l i t y a n ds oo n t r a v e l i n gw a v et u b eh a st h ec h a r a c t e r so fh i g hp l u s w i d ef r e q u e n c y l o n g e v i t ya n d h i g hr e l i a b i l i t y s ot w t i st h ec o r ea p p a r a t u so fc o m m u n i c a t i o n r a d a ra n de l e c t r o n a n t a g o n i z i n g t w tp l a yv e r yi m p o r t a n tr o l ei nm o d e r nh i g h t e c hw a r u pt on o w t h e r e i sn oo t h e ra p p a r a t u sc a ns u b s t i t u t ei t e l e c t r o ng u ni sa l li m p o r t a n tp a r to ft w t i tc a n p r o d u c ee l e c t r o nb e a mw i t hac e r t a i ns h a p ea n dc u r r e n t i no r d e rt og u a r a n t e et h e r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft w t t h ed e s i g no fe l e c t r o ng u nh a v et o m e e tt ot h e r e q u i r e m e n t n o t o n l yo f e l e c t r i c p a r a m e t e r b u t a l s oa l lk i n d so fs u b s i d i a r y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sf i l a m e n tp y r o g e n a t i o ne f f i c i e n c y w a r mu pt i m ea n dt h ea b i l i t yt o b ea b l et ob e a rt h ep r e s s t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fe l e c t r o ng u no ft w ti sv e r y i m p o r t a n t t h em a n u f a c t u r ep r o c e s so ft w ti n v o l v em a n yk i n d so fs u b j e c t s s u c ha s m i c r o w a v ee l e c t r o n i c s e l e c t r o no p t i c s e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d st h e o r y m a t e r i a ls c i e n c e c a t h o d ee l e c r o n i c s m e c h a n i c sa n dc a l o r i f i c s w i t hd e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o n so f c o m p u t e r s t h et e c h n o l o g i e so n 州矿th a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d i nt h ep a p e r w eu s e o r i o ns o f t w a r et os i m u l a t ea n dd e s i g nt h ee l e c t r o ng u no ft w t t h i ss o f l r w a r ei s s i m p l et om a n i p u l a t ea n dc a l lp r o v i d ee n o u g hp r e c i s i o n t h e r e f o r e i ti sac o n v e n i e n t t o o lf o rt w td e s i g n e r g i v i n gt h e mm o r ed e s i g ne f f i c i e n c ya n ds a v i n gc o s t t h e s t r u c t u r a ld e s i g ni sa ni m p o r t a n ts t e pf o rt h ee l e c t r o ng u n i ti su s e f u lt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo ft w tb a s i cr e q u i r e m e n t so nt h es t r u c t u r a ld e s i g no fe l e c t r o ng u na r e p r e s e n t e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ep r i n c i p a lo fg r i d d e dg u na n dt h er e q u i r e m e n to f a b s t r a c t t w t t h ed e s i g no fan o n i n t e r c e p t i n gg r i d d c dg u ni sg i v e ni nt h ep a p e r t h ed e s i g n r e s u l t ss h o wt h a tt h el a m i n a r i t yo fm i l l i m e t e r w a v et w ti se a s i l ya f f e c t e db o t hb yt h e s h a p eo ft h ee l e c t r o d e sa n dt h ef a b r i c a t i o n e r r o r s a tl a s t w eu s eo r i o ns o t h z e a r et o s i m u l a t ea n dd e s i g nt h eg r i d e de l e c t r o ng u na n dn o n g r i d e de l e c t r o ng u n t h er e s u l tn o t o n l yh a sa t t a i n e dt h eg o a lo ft h ed e s i g nb u ta l s oh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d e l e c t r o no p t i c ss y s t e m g r i d e de l e c t r o ng u n c i r c u l a r r a d i a lg r i d i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意 签名 皂 日期 2 州7 年多月殷日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 王乓新繇变虚窒 导师签名 交立z2竺 日期 2 矿叩年 月j 2 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 微波真空电子器件指的是在微波频率范围内 在真空或气体媒质中 由于电 子或离子在电极间的传输而使信号放大的有源器件 其基本特点为 1 电子在真空中的运动速度可以被加速到接近光速 因而具有快速转换功 能 2 电子可以在很高的电压和电流的条件下工作 因而输出功率高 3 电子在真空中的速度可控 在电子完成互作用后 通过多级降压收集极 将电子能量回收 因而总效率很高 4 电子在真空中运动的方向和位置通过静电场或磁场可以控制 因而可以 更加灵活的运用 目前在频率很高 功率较大的微波设备中各种微波真空电子器件起着重要的 作用 比如行波管就被广泛用作微波设备中的末级功率放大器 在国民经济和国 防装备的各部门中真空电子器件都发挥着重要的作用 它可用作电视台的发射源 卫星通讯的转发器等 被誉为电子对抗 遥测遥控和精密制导设备的心脏 l 行波管之所以在微波设备中能够得到广泛的应用主要是由于在微波波段中普 通电子管已经不能胜任振荡 放大等重要任务 2 行波管是k o m p f n e r 在1 9 4 3 年发 明的 同年他验证了行波管放大理论 微波的特点是频率高 频带宽 这对用于 微波接力通信设备中的元器件提出了一些新的要求 比如 频带宽 增益高 输 出功率较大 结构简单 工作稳定可靠 寿命长等 在行波管发明以前 微波放 大主要依靠静电控制的三极管或速调管 在这两种器件中 与电子注互作用的电 磁场通过谐振激励 因此工作带较窄 这就使得它们在通讯 雷达和电子对抗等 技术中的应用受到了影响 行波管的优点是宽频带 单管高增益 优良的非线性 性能 较低的噪声 足够高的功率 采用收集极降压技术可以获得很高的总效率 窄频带内可以达到很高的电子效率 空间行波管 如通信卫星转发器行波管 可 以达到1 0 1 5 年以上的超长寿命 恶劣环境中可靠性好和结构较简单等 这些特点 使得行波管在电子对抗 雷达和通信领域成为了十分关键 不可取代的微波 毫米 电子科技大学硕士学位论文 波放大器 输入耦合结构 输出耦合结构 图1 l行波管结构示意图 随着军事电子和空间技术的发展 对毫米波器件特别是高功率毫米波行波管 的要求逐渐紧迫 很多非军事微波的应用均以进入毫米波段 如交通控制 环境 监控 卫星 通信 农业改良 半导体芯片电阻率监控等 近十年来行波管的研 制取得了很大的进步 例如 倍频程螺旋线毫米波行波管的功率电平达1 0 0 w 用 于地面站的k a 波段螺旋线行波管输出功率达2 0 0 w 带宽为1 0 某公司推出的 m i l l i t r o n 将传统耦台腔行波管改为整体式的梯形结构从而克服了由于焊接 装配 引起的累积误差 提高了制管的成品率 同时使高频电路的散热能力得到了改善 h u g h e s 公司采用计算机控制电火花加工技术 研制成三种折叠波导毫米波周期聚 焦行波管 4 5 g h z l k w 6 0 g h z 2 0 0 w 9 4 g h z 1 0 0 w 该公司采用改善阻抗 匹配 增大分布损耗以及减小输出段增益的技术 极大的减小了高功率毫米波行 波管的增益和功率波 在k a 波段耦台腔行波管中首次应用相位调整渐变技术 使 高额互作用效率从9 6 提高到2 2 6 功率由4 2 0 w 增加到1 0 0 0 w 研制的 5 9 g h z 6 4 g h z 行波管总效率大于4 1 目前 固体器件在微波频段低端和小功率范围内占有优势 但在高功率电平 和毫米波段 还是主要用真空电子器件 栅控电子枪在高功率行波管 速调管 线性加速器和自由电子激光器中应用广泛 它是器件获得高质量的电子注光学特 性 良好的整管特性和高的整管效率的关键之一 行波管电子效率 寿命 增益 等主要性能指标受电子枪性能参数的影响较大 空间行波管的高效率 长寿命等 特性不仅要求电子注具有好的刚性和层流性 还要求具有大的占空比 以及小的 阴极电流发射密度和热子损耗 所以合理设计电子枪是行波管整体设计中的一个 重要环节 行波管电子枪的设计在很大程度上依赖分析软件的建模和模拟能力 目前可用于电子枪的仿真设计的电子光学软件很多 仿真设计过程中要不断调整 电子枪的各个结构参数 进行大量的重复计算 导流系数 注腰半径 注腰位置 2 第一章绪论 和层流性都是设计电子枪要考虑的主要指标 1 2 微波真空电子器件与毫米波技术 毫米波的工作频率介于微波与红外线及光之间 从3 0 g h z 直到3 0 0 0 g h z 人 们往往把波长1 毫米以下的毫米波专门称为亚毫米波 实际上它已经进入了红外 线的范畴 毫米波的最大特点在于其波长短 频带宽 范围频率波长相应尺寸 如 量三二 歹h 一鞯 r a lt i 1 m 童 三箩卜一萨 耽 i 微朴后 空间电荷密度很大 各种矛盾将要激 化 必须考虑更多的因素 对电极作各种修正 c 它表征了电子枪的结构情况与尺寸大小 p 大 阴极与阳极距离一定较近 p 大 电子半锥角一定较大 即阴极直径较大 对于轴对称收敛型电子枪 有 雎萼确历青 1 4 6 7 寄 2 1 7 2 注腰半径 即电子注最小截面半径 定义为包含有9 5 电流的电子注 半径所可能得到的最小值 3 射程z 表示电子枪阴极到枪所形成的注腰之间的距离 又称注腰的位置 一般来说 希望射程要足够大 4 面积压缩比m m r r 2 2 1 8 面积压缩比m 指的是阴极面积与注腰截面面积之比 也是注腰平均电流密度 厶与阴极发射平均电流密度以之比 在注电流密度一样的情况下 m 大一些 可 以减小阴极的负荷 但与此同时带来的是电子注性能的变坏 5 阴极发射电流密度以 j ik k 2 1 9 式 2 1 9 中 厶为阴极发射电流 吒为阴极半径 6 电子的热初速 使电子注发散的原因 除了空间电荷的排斥力外 还有电子的热初速度 所 谓热初速度 是指电子从热阴极发射出来时由于热运动而具有的初速度 横向热 初速度是引起电子注发散的一个因素 它将引起电子轨迹的偏离和造成电子注截 面中电流密度分布的不均匀 7 电子注的层流性 1 3 电子科技大学硕士学位论文 设计电子枪时电子注的层流性是我们要重点考虑的指标之一 电子注的层流 性好主要表现在电子没有横向运动 电子轨迹没有交叉 这样平行射入螺旋线中 的电子注就能在纵向磁场的聚焦下很好地与高频场交换能量 如果层流性不好 电子存在着剧烈的横向运动 那么电子就很容易打到阳极和螺旋线上去 因而和 高频场相互作用的电子数就会减少 可见改善电子注的层流性是很重要的 2 3阴极电子热初速对发射电流的影响 金属表面不存在外加电场时其热电子发射电流密度或叫零场发射电流密度由 下式决定 石 以 么r 2 e x p i 一塑丝l 2 2 0 一lk t 式中 a 为考虑了平均透射系数d 和逸出功温度系数口影响下的发射常数 实验典型值为6 0 a c m 2 k 2 t 为金属温度 k 为玻尔兹曼常数 唬材为t o k 时 阴极材料的逸出功 而在实际应用中为支取电流和引出电子必然要外加电场 它 对发射电流的影响可由 理想 二极管的全伏安特性曲线来描述 如图2 3 所示 从 图上可以看出理想二极管伏安特性曲线可以分为三个区域 第一区域是l g 与眈 成直线上升的部分 称为拒斥场区 这段曲线是在阴极表面有拒斥场情况下得到 的 第二区为眈为正l g 厶随眈缓慢上升至饱和的一段 称为加速场区 这时阴极 表面电场对电子起加速作用 两者之间为过渡区 也称空间电荷限制区 一般微波 器件都工作在这一区域 这三个区域的形成是由于空间电荷对电场分布影响造成 的 通过阴 阳区域间电位分布图2 4 就可以清楚地看到这一点 絮 鹫 制 v o 的 过渡区 一 j 多 萎厂 一 莎 厂 加速场区 盏f i f最 j 悖蓑 o 2 0 u 曩 伏 氧化物阴极二极管的伏安特性曲线 1 4 阴 极 0 图2 4 阴 阳区域间电位分布图 第二章行波管电子枪的基本理论 图2 4 中阳极电压玩为实际的阴阳极之间的电位差 等于外加阳极电压与接 触电位差之和 从图中可以看出 当阴极不发射电子时 极间电位分布是一条直 线 其间电场是均匀的 但当阴极发射了电子而极间存在空间电荷时 这些电荷 将对极间电场和电位有所贡献 使极间各处电位有所下降 即电位下沉 电场分 布不再是均匀的了 在一定范围内极间会出现一个电位最低平面 在这个平面处 电场自然为零 我们称这个平面为虚阴极 虚阴极处的最低电位用乩表示 距真 实阴极处的距离用瓦表示 当 0 时 空间电荷引起的虚阴极位于阴 阳极距 离阴极较近处 如图中曲线1 所示 当酽几为负时 虚阴极逐渐向阳极靠拢 当配 负到使虚阴极落到阳极面上时 这时 玑 极间处处都是拒斥场 如图中曲线 2 所示 当彰为正值时 虚阴极将向阴极一边移动 虚阴极电位绝对值也将变小 如曲线3 所示 继续提高 当它等于某一定值玑时 虚阴极恰好落在阴极表面 阴极表面上的电场强度正好为零 如曲线4 所示 再进一步提高彰就进入加速场 区了 如果保持配不变而提高阴极温度 阴极发射电子增多 则空间电荷效应将 加强 使得虚阴极向阳极方向移动 而玑的绝对值也将增大 由于绝大多数微波 器件都工作在空间电荷限制区 因此下面对这一区域中的电流 电压特性重点进行 描述 在空间电荷限制条件下 对于理想二极管 以平板二极管为例 通过求解泊 松方程即可得到阳极电流与电压之间的近似关系 即著名的3 2 方定律 厶 p 皑2 芸 瓦鲁吲2 2 2 1 7 口 式中 尸为导流系数 d 为极间距离 只为阳极面积 采用同样的方法 对 于圆柱形二极管和球形二极管 也可以得到3 2 次方的关系 a p u a 3 2 詈砜 2 刁南吲2 q 乏2 l 尸秽 等确 瓦 咿 2 2 3 y t a 口j 式中 吃为阳极半径 z 为圆柱二极管阴极发射长度 屁为圆柱二极管朗谬尔 函数 口 为球形二极管朗谬尔函数 上述式中的共同特点是没有反映电流与阴极 温度的关系 因此在实际使用中存在一定的限制 1 3 2 次方关系是针对理想二极管模型推导出来的 而实际工程使用的电子 枪与理想模型相去甚远 如阳极开孔将破坏空间电位分布 进而也将影响电子轨 1 5 电子科技大学硕士学位论文 迹和电子注的形状 2 上述关系式的推导是假设电子在阴极面的速度为零 即是忽略了电子的热 初速的结果 因此它只适用于阳极电压较高而阴极温度不是很高时 电子初速影 响较小的情况 3 假设阴极表面电场为零 这相当于图2 2 中的曲线4 而在空间电荷限制 区阴极表面存在着由虚阴极引起的拒斥场 因此只能适用于虚阴极不明显的情况 在空间电荷限制情况下 要真实求解l 随眈和阴极温度丁变化的关系式是非常复 杂的 因为在空间电荷区 极间存在电位最低点 即虚阴极 而虚阴极的位置和 该处的电位值的大小又是随虬 r 和厶变化的 如果认为热发射电子的初速不能 忽略 且初速分布满足麦克斯韦一玻尔兹曼分布规律 则可以导出更准确的阳极 电流 电压关系表达式 完整考虑阴极电子热初速和空间电荷效应 作为对3 2 次 方关系的修正 由于存在虚阴极 构成阳极电流的电子其能量必然要足以克服虚阴极势垒 即满足去聊1 2 i 仑 i 所以阳极电流密度以与阴极发射电流密度山有如下关系 以 j o e 冲 等 2 4 因此要求以必须先求出虚阴极电位 这仍可通过泊松方程求解 但首先要 求出空间电荷密度夕 x 对于速度从1 到 咖的电子 所构成的电流密度与所造 成的空间电荷密度有以下关系 d p x 型 2 2 5 考虑到阴极热发射电子初速满足麦克斯韦一玻尔兹曼分布规律 可以求得 彬 v 嘞詈唧 焉卜 2 2 6 式中 为单位时间从单位阴极面积面发射出的电子 通过对式 2 2 5 进行 积分即可求出p x 1 但必须注意到在虚阴极两边电子流通情况的差别 在 x 吃范围内 只有去 z 话 l p 巩i 的那些电子才能流通 它们是发射电子中能 克服虚阴极势垒的那部分电子 这些电子在z 处形成的空间电荷密度p x 可表示 为 p 工 一 两e n o 寿te x p l 一2 所f f 吒j 1 咖 2 2 7 1 6 第二章行波管电子枪的基本理论 在o 工 范围内 既有寺巩诟 k 瓯i 的电子向虚阴极方向运动并越过势垒到 达阳极 也有i 1m v 0 2 i p i 的电子受阴极表面的拒斥场作用而返回阴极 这两部分 的电子在z 处形成的空间电荷密度可表示为 p 工 一k 而p 吾t e x p 一嘉卜 2 搦 这样二极管泊松方程可表示为 竺 土嫱p exp dx e on o f f 一鲁p 2 2 9 一2 一上厕而p一荔尸v 埋 2 式中的空间电荷密度p x 是将式 2 2 7 和 2 2 8 结合在一起 号对 应从虚阴极到阳极的区域 一 号对应从阴极到虚阴极的区域 为求解方便 引入 两个无量纲的变量 叩 兰 三 二 善 2 l x 一靠 2 3 这相当于将坐标原点移动到了x u 处 如图2 5 所示 式中l 是与丁 和以有关的参量 d 砜 r l 一 z 图2 5 虚阴极的位置及变量毛 t 1 的引入 2 工 簪时 协3 由式 2 3 0 可将式 2 2 9 改写为鲁的表达式并进行求解 当刁的数值比 较大时求解结果可用级数表示 并取级数的前两项 从而导出也与 的表达式 1 7 电子科技大学硕士学位论文 式中r 的值 以寺历错 瓦2 6 6 3 2 p 吃一叱 1 1 6 0 0 w 一 一 一 船t 但用上式进行计算时需要知道 x r n 可从式 2 3 0 和 2 3 1 求出 在阴极面上工 o 菩 磊 2 砜 则 x z 厶一丽矗舞砰 2 引 式中磊 与r k 有关 而仇y 取决 k l j o 所以上式又可以写成 科阱 志 私 2 3 5 其中尸是五 厶的函数 如果以 厶 o 0 5 尸可以用0 0 1 5 代替 引起的误差 将不超过1 0 这样 式 2 2 4 2 3 2 2 3 3 和 2 3 5 就构成了同时考虑空间电荷效 应和热初速效应的l a n g m u i r 二极管发射电流计算模型 1 3 1 4 与式 2 2 1 相比 这组方程考虑了阴极温度 点子热初速度以及虚阴极的影响 是一种更准确和符 合实际情况的计算模型 不过 在方程组中要计算以与配的关系就必须事先知道 的值 而 的计算公式又都包含也 在计算时可以采用逐次近似的迭代 计算求出达到精度要求的阴极发射电流密度值 2 4 初始热速度对电子注的影响 2 3 节对阳极电流受阴极电子热初速度的影响进行了较深入的讨论与研究 从 而得出了考虑空间电荷效应和热初速效应的l a n g m u i r 二极管发射电流的计算模 型 空间电荷力 阳孔效应和电子横向热初速度是造成电子枪中电子注发散的主 要因素 不同的因素对不同类型的电子枪的影响大小不同 热初速度效应主要对 低导细束弱流电子枪中的电子注起发散作用 而空间电荷效应则是高导强流电子 枪中的电子注发散的主要因素 虽然热初速度对高导流系数电子枪和低导流系数 33二 以一厶 h r一 灯一e 1 1 出求 42二 式从可 第二章行波管电子枪的基本理论 电子枪的影响大小不同 但也不能忽略 在这一节中就来讨论一下电子热初始速 度对电子注成形的影响 理论和实验都表明电子的热初始速度将破坏电子注的层 流性 主要表现有 热初速使电子在飞离阴极后要偏离轴线向外运动 这就会影 响电子注的会聚 起了附加的发散作用 由于热初速的存在会使电子注的密度不 均匀 同时还使原来很清晰的边界向外扩散 使边界变得模糊 由热阴极发射的电子有动能即有初速度 我们知道热运动是杂乱的无规则的 因此 这些电子的运动方向也是各不相同的 有沿轴方向的 也有沿电子注截面 半径方向的 即所谓横向的热初速 以平行二极管为例 如图2 6 所示电子从阴 极上的0 点发射出来 假设电子的初始横向速度为u 如果没有横向速度 电子 应当落在阳极上的0 点 由于电子有热初速 所以轨迹向旁边偏了一段距离 2 咋 r v 丽1 土丽d z2 两3 d v 2 36 如果采用等效电压砜来表示平均初始横向速度 则 删d 悟 协3 7 a 0 7 7 7 一 一 一 二i a v z0 7 z d 一r cr er 图2 6 热初速导致电子轨迹偏离图2 7 注电流密度分布 由式 2 3 7 可知 由于横向热初速的影响使得电子注发散 发散的程度与阳 极电压的平方根成反比 与阴阳极的距离成正比 热初速除了会使电子注向外发 散外 还会使得电子注内的电流密度重新分布 使注边界变得模糊 如图2 7 所示 下面对热初速产生的影响进行定量的分析 定义仃为电子注在热初始速度作 用下的偏差 则口 x f 瓦 m z x t 其中a t 为从阴极发射的电子的渡越时间 4 f m 为电子的平均热速度 对于轴对称收敛型电子枪 由热初始速度效应而造成的注 腰半径的增量盯如下式所示 1 9 电子科技大学硕士学位论文 盯 r x n z e kv u x f r 咒 6 5 7 1 0 3 疋 责 r t i r o 2 3 8 其中 f r k r o 为电子在阳极后面空间的渡越时间 为了减小电子热初始速度对电子枪中电子注层流性的破坏 可以采用以下几 种方法 一是可以选择降低阴极的温度以达到降低电子热初始速度的目的 二是 电子枪参数的适当选择 比如尽量减小r k d o 和电子注的面积压缩比m 等 但 采用第二种方法与降低阴极发射电流密度的要求是相冲突的 第三种方法是在电 子枪中引入磁场 这样就形成了部分屏蔽电子枪 理论和实验证明这种方法是很 有效的 电子注的过度扩散和电流密度的再分布由于磁场的引入而被阻止 从而 改善了电子注的质量 实践表明 磁场不仅可以有效的抑制电子横向热初速度 而且还可以防止使电子注出现非层流性的其它因素 2 5 栅控电子枪 和普通三极管中利用栅极控制原理一样 可以在轴对称收敛型枪中利用或设 置比阳极更靠近阴极的某个电极来控制阴极的发射电流 达到以小的功率 或电 压 控制大的注电流的目的 这种利用设置栅极来控制注电流的电子枪称为栅控 电子枪 在栅控电子枪中利用栅极对电子注进行调制 由于栅极电压比阳极电压 小得多 并且对电流的截获也很较小 从而使脉冲调制器的功率得到了显著的降 低 这样就解决了制作高压大电流脉冲电源的困难 目前 栅控电子枪广泛应用 在脉冲功率行波管和直线加速器中 l 孓1 9 尽管栅控枪在实际上有很多种结构型式 但可按栅极是否截获电流化分为两 大类 无截获栅控枪和有截获栅控枪 有截获栅控枪 是在阴极前面设置一个网 状栅极 也有用几根平行栅丝作为栅极的 在这种栅控枪中 栅网不仅离阴极近 而且能有效地屏蔽阳极对阴极的作用 因此 可以使栅极的工作电压低和截止负 电压小 如阳极电压的几十分之一到几百分之一 可是由于栅网要截获一部分电 流 一般在2 0 以下 因而在某些大功率管中不能应用 近几十年来无截获阴影 栅控电子枪得到了迅速的发展 它的特点是 工作电压低 截止负压小等 无截 获栅控电子枪的这些特点使它广泛应用于大功率脉冲工作行波管中 收敛型无截 获栅控电子枪的设计方法是先设计出轴对称收敛型电子枪 然后在电子枪的适当 位置加上阴影栅和控制栅 栅网的网孔形状有正方形 六角形和轮辐形 一般栅 2 0 第二章行渡管电子枪的基本理论 网是非轴对称的 栅网的网孔就象一个小透镜 不同的网孔对电子注的影响不同 行波管电子枪中用得最广泛的栅冈是轮辐栅 由于引入栅网会导致电场的局部扰 动 从而影响了电子注的聚焦特性 园此 对栅控枪进行严格的理论分析和解析 计算是比较困难的 通常我们借助电子光学软件对电子枪进行模拟仿真 若要精 确模拟栅控电于枪则需要对电子枪进行三维数值模拟 还荽完整考虑栅网几何状 的非轴对称性 并且还要研究栅同的引入对电场 电子注及其聚焦特性的影响叫 藐们也可以在对电子枪进行在二维模拟的基础上引入栅网等效模型 并根据实验 结果进行一定韵修正来近似模拟栅控电子枪1 2 1 2 3 图2 1 8 电子枪剖面圈 皿 一阳撮 一向瓷耳 控制撮 一曩目 一w 一w 一热孵茸 电子科技大学硕士学位论文 第三章电子枪的设计 3 1电子枪的主要参量 1 导流系数 芦 观加 x1 0 6 3 一1 导流系数表征了电子注空间电荷的大小 反映了电子注电流和电压之间的关 系 它仅取决于电子枪的几何尺寸 其中u 为阳极电位 2 面积压缩比 面积压缩比砰指的是阴极面积和注腰截面积之比 也是注腰的平均电流密 度厶与阴极发射平均电流密度以之比 为了方便 一般用阴极截面积代替阴极球 面积 于是 砰 聋 五 3 2 以 式中 厶2 去 3 以 去 4 压缩比的大小主要决定于阴极发射电流密度 有时也决定于磁聚焦等的要求 3 射程 射程乙表示电子枪阴极与注腰之间的距离 一般来说 希望z 足够大 使得 电子注能以最佳的注入条件进入聚焦场作用区 以上所述的导流系数 压缩比和射程是一般电子枪的主要参量 电子枪的质 量通常用它所产生的电子注层流性的好坏来衡量 所谓层流性只是定性的概念 它的好坏也只是相对的 通常以轨迹交叉与否或交叉的严重程度来判别 层流性 好的电子注 在磁聚焦时可以用较低的磁场值获得好的流通率 电子注和高频系 第三章电子枪的设计 统的能量交换比较充分 高频场引起电子注的散焦截获小 即电子效率高 反之 层流性差的电子注会使流通率和效率低 高频散焦截获大 3 2 无栅枪的初始值设计 通用的微波管电子枪的设计方法为 在电子枪性能的参数基础上 采用皮尔 斯原理加经验数据 或者采用皮尔斯电子枪综合设计方法 描绘出电子枪基本形 状 再由数值软件进一步优化电子枪的聚焦极 阳极等的形状 从而设计出所需 求的电子枪结构 综合设计方法需求的经验数据 假设条件越少 得到的结构形 状的在精练所花费的时间和形状的改变就会越少 并能得到最佳设计 皮尔斯电 子枪的初始结构参数值可由阳极电压u 电流 注腰半径 及阴极发射电流密度 这4 个参数唯一确定 需要设计的几个关键参数是 阴极半锥角口 阴极截面 半径 阴极曲率半径尺 阳极半径 阳极曲率半径r 阳极头位置乙 射程 乙 等 典型皮尔斯电子枪的结构参数如图3 1 所示 其中厶是角臼在阳极头位置z 处的半径 z c z t cz tz 宙 图3 1典型皮尔斯电子枪的结构参数示意图 用v a u g h a l l 迭代综合法设计电子枪初始值 既快又准 不依赖于设计者的经 验 v a u g h a n 迭代综合法的设计流程如图3 2 所示 其中 尸为导流系数 单位是 u a v 一办 目的单位是 其它的几何参数如 阴极截面半径 阴极曲率半径尺 阳极半径 阳极随率半径r 阳极头位置互 射程z 等的单位均为m m 一口 y r z 是中间变量 r 为阳极透镜修正因子 除了取1 2 5 之外 还可取1 1 等 k 为阴极半锥角口及阴极曲率半径足的修正因子 电子科技大学硕士学位论文 蛐 上 i 羁辨t 弛 k 工 螂埘啦船 蜊i l 皤厂t l 2 5 i e 9 0 5 l o p t o 2 r t 币弓 巧 p l 一 声 一 ln p 嘧 互 l 硝p m u g p 伪 瞄 唯 一蚴箕吨 2 n 0 6 3 o 0 0 6 叫 6 z 暑 f 霸溉羁峭h 妒l i f l n 6 y 柏 2 2 5 尹 o 田卯3 o o l o y 0 0 2l 广m 3 嘲j 勘最 飞 2 o 卿啪 o 1 7 4 0 如露晤茨 o o 妒 毋 i f i 孑 丽 li t 1 置 i s d n o 1 2 j 墨 托f 0 3 z l a 瓦 0 4 瓦 足一焉 f 1 8 蚌 1 功z z 1 a 蕊 1 筏露 1 0 0 6 1x 露一1 2 0 0 0 6 x e i p 0 6 z 冠 函醑 l 乃 啦 万 f i 够站 r d s i e 岛 l a 缸1 j 图3 2v a u g h a n 迭代综合法的计算流程图 3 3 栅控枪的设计方法 3 3 1 栅控枪的主要参量 除了与无栅枪相同的几个参量 导流系数p 压缩比m 2 和射程乙 以外 有 关栅控枪栅极特性的主要参量如下 1 栅极工作电压哝和放大倍数以 在栅控枪正常工作状态下 放大倍数心定义为阳极电压眈和栅极电压吼之 比 心 琶 3 5 放大倍数是借用了普通三极管中的一个参量的名称 但两种放大倍数的意义 不完全一样 2 栅极截止电压瓯 和截止放大倍数心 当阳极加上额定电压虬时 使阴极电流为零 或一个很小的量 所需的栅极 负电压称为栅极截止电压址 眈与l 眈 f 之比称为截止放大倍数 第三章电子枪的设计 舻尚 3 6 3 栅极屏蔽系数 和透明度q t 定义为每个网络中栅丝所占面积与网格面积之比 对于正方形网格 屏蔽 系数篷为 t 掣2 笃掣寺 7 透明度色是栅网的几何透过率 显然 d g 卜 3 3 2 栅网几何形状和位置的确定 3 8 1 阴栅距离的计算 在无栅枪中引入栅极之后 可以把电子枪区看成两部分 一是阴极 栅极空间 一是栅极 阳极空间 由于阴栅距离较小 可以把阴极一栅极空间近似当作平板二极 管处理 计算表明 这种近似方法与球形二极管的精确解是很接近的 令在阴极一 栅极平板二极管的发射电流等于阴极 阳极球形二极管的电流 则可得到计算阴栅 距离d k 的近似公式 驴苦寺 9 2 截止放大倍数的计算 把栅极 阳极空间看成平行平面系统 在屏蔽系数小于1 6 和阴栅距离较大的 情况下 可导出以 的近似公式 驴 2 万叱心山珐 石 必咖 万 3 1 0 式中 心 栅阳距离 吒 一个网孔中栅丝长度与网孔面积之比 对于正方形网孔 2 d 一2 名 2 吒2 产 了 3 1 1 电子科技大学硕士学位论文 2 习订 4 万钐一h 砌f 4 万 3 1 2 显然 截止放大倍数随莓栅网屏蔽系数 及栅阳距离与网孔距离之比 彳增 大而增加 3 4 栅控枪的设计步骤 l 设计无栅枪 根据微波管对电子注的要求 电压眈 电流 和注半径 由迭代综合法确 定无栅枪的参量p m 2 p 咒 足 z 等 设计时要注意以下几点 1 加入栅网后要截获一部分电流 故设计无栅极枪的导流系数昂应比最后 要求的有栅枪导流系数只大一些 若只考虑栅网的屏蔽系数 近似可取 e o 1 是 乞 3 1 3 其中s 值可按后面第4 点的原则选取 实际的只可选得比上式略大些 2 由于网孔透镜效应和栅丝厚度等因素 使得加上栅网后电子枪的注腰和 射程都要发生变化 因此应根据导流系数 压缩比 阳孔大小 阴栅距离和阳栅 距离的不同 预先对无栅枪注腰半径和射程进行修正 经验指出 有栅枪的注腰 大约比相应无栅枪的注腰大2 5 而射程则和无栅极的射程相近 同时 在设计 无栅枪时阳孔也要大2 5 左右 3 为了改善散热条件 聚焦极是与栅网连成一体的 在设计无栅枪的外电 极时 应该让聚焦极处于栅极工作电位 而不是如通常那样处于阴极电位 枪内 此电极电位的等位面就是有栅枪栅网的位置 2 阴栅距离d r 的确定 根据微波管准备使用的栅极工作电压u 以及心 查出阴栅距离d g x 对于不同的管型和功率 d r 可能处在一个很宽的范围内 从零点几毫米至数毫 j 米 为了使放大倍数提高 应取得小些 但若 2 3m m 2 其它要求 1 耐高压性能好 工作可靠 2 电子注层流性好 电流密度均匀 3 栅截获电流小 从给定的参数不难看出 设计该电子枪有下面几个突出的难点 1 阳极电压 高栅控管高压打火是一个很棘手的问题 为了解决打火问 题 保证电子枪工作稳定可靠 在设计中要在确保电子枪基本参数不变的原则下 对主特性和副特性作综合平衡处理 2 栅极放大系数大从给定的参数可以看出栅极截止放大系数和工作放大 系数都很高 在一把确定的电子枪中 这是矛盾的 因此在栅网的设计和配置时 要精心处理 3 阴极负荷以大 注面压缩比m 2 高阴极负荷受发射体水平的限制 而 压缩比高会造成电子注质量的下降和聚焦的困难 因此两者选择上要折衷处理 4 栅极截获电流小这是表征无截获栅控电子枪的主要特征参数 它需 要从设计和工艺两方面来解决 3 5 2 基础枪的电参数的确定 由v a u g h a l l 迭代综合法 即根据图3 2 的流程 用m a t l a b 编程 并将3 5 1 节 的参数指标代入 通过运算我们可以得出基础阴控枪的基本参数 1 阴极曲率半径r o 1 5 7 2m m 2 阳极曲率半径r o 2m m 3 阴极半锥角0 2 0 5 4 最小注截面位置 2 6 5 m m 5 最小注截面半径0 0 2 9 m m 图3 3 基础阴控枪 2 8 第三章电子枪的设计 设计时 我们对枪的应用性能有很大影响的一些因素进行了综合分析和处理 1 电子注面压缩比m 2 所设计的电子枪用于毫米波段行波管 注电流密度很大 在无截获栅控枪中 由于栅极屏蔽系数的影响 以及荫影栅的存在造成阴极有效发射面积减小 因此 阴极的负荷是很重的 为此应加大m 2 的值 然而m 2 过大 就将给整管聚焦及收 集极的降压带来困难 但m 2 过小 阴极负荷又将达到很难接受的程度 所以要适 当的选取 在无截获栅控枪中 由于荫影栅紧贴阴极面 并与阴极同电位 其网 丝对每一个网孔中的小电子束实际上起着会聚作用 只要栅网设计合理 无截获 栅控枪的面积压缩比应该比基础阴控枪要大 2 半锥角p 常规设计中 由于导流系数和压缩比较大 为了补偿阳极孔的球面相差 一 般要加大口角 以改善注的层流性 所以p 角取得大些是有好处的 但是在无截获 栅控枪中 电子注的规一化横向速度参量仃与臼角成正比 9 大 则仃也大 这对 p p m 聚焦是不利的 另外 无截获栅控枪的口角不需要也不宜取得过大 因为 a 秒角大 栅 极的曲率就大 不仅加工困难 而且在电子枪工作时 栅丝受热向阴极方向膨胀 使得凸起严重 破坏了工作状态下栅极平面处的等位面 b 栅控枪中由于阴极 前面布了栅网 故阴极前等位面受阳极孔透镜效应影响小 在所设计的电子枪中 我们选取口约为2 0 0 3 阳极与聚焦极间最小距离d m 抽的确定 为了保证电子枪在直流高压下能可靠地工作 阳极与聚焦极 与栅极相连 之间产生的最大电场强度必须有足够的安全系数 真空中场致发射的阀值为 1 0 1 v c m 而实际上极间 预击穿电流 的出现要比它低两个数量级 为1 0 5 v c m 设计时一般要控制在低于8 1 0 4 v c l l l 由于该枪直流阳压高 导流系数和压缩比 都比较大 计算表明在电子注轨迹调整得很好的情况下 很难保证这一要求 因 此不得不在层流性和耐压特性上折衷考虑 进行反复调整运算 进量加大仉 值 使得两者都得到满意的结果 3 5 3 栅网设计 栅网设计是无截获栅控电子枪设计程序中的关键 它的设计成功与否将大大 地影响电子注质量 性能以及栅极本身的工作参数 电子荦 技大学硕士学位论文 1 栅网形状的选择 无截获栅控枪使用的栅网形状有圆孔栅 方格栅 六角蜂房栅和轮辐栅 圆 孔栅由于透明度太低 方格栅则由于透镜效应太强 注的质量差 均很少被采用 初期研制工作中 选用六角形蜂房栅的较多 这是由于其结构强度好 网孔形状 一致性好 各网孔所对应的阴极区域里发射电流密度均匀之故 但是 蜂房栅也 存在明显的缺点 i 几何透明度低 影响导流系数的提高 2 轴对称性差 特g 惺远轴捧列的网孔对称性更差 网孔设计无论采用怎 样的处理方法 束的边缘也是非圆形 这种图形的不对称性和束边缘的不等距性 造成各种像差较严重 故束的边缘不清晰 影响注的质量 3 蜂房栅网孔向心投影排列在栅极球面上 必然要造成栅丝宽度极不均匀 机械加工和制管工艺有很大困难 圈3 5 方孔栅照片 正因为如此 7 0 年代后实际使用的无截获栅控电子枪 绝大多数都采用轮辐 栅的结构 与蜂房栅相比 它有一些明显的优点 p 蠹 第三章电子枪的设计 1 几何透明度高 有利于栅控枪中高导流系数的实现和阴极负荷的减轻 2 轴对称性好 透镜效应小 故像差小 好的光学性能带来好的电子束质 量 束边缘清晰 射程远 最小注截面处变化平缓 从而有利于整管过渡区聚焦 磁场的配合和调整 3 栅网易加工 由于轴对称性好 通过工程计算完全可以用两个整体电极 分别对控制栅和荫影栅进行加工 栅丝尺寸也易于保证 4 对栅工艺简便 由于轮辐栅是一些同心圆环及按定角均分的径向辐射丝 组成 因此荫影栅和控制栅之间 对应的圆环丝在正交于轴的平面上的投影也是 同心圆环 而对应的辐射丝的投影则完全重叠 所以 装配时 对栅工艺是极为 方便的 本论文在设计电子枪的时所用的栅网也是轮辐栅 图3 6 轮辐栅网实体模型 2 栅网设计计算 对于轮辐栅 由于各层的网孔尺寸不一致 图形也不相同 这给栅网本身的 设计造成了困难 处理不好 电子枪就有可能形成遥