從拉氏方程出發(fā)，推導(dǎo)了大回旋電子槍(CUSP) 的理論，得到了用于Ka 波段螺紋波導(dǎo)回旋行波管大回旋電子槍的基本參數(shù)。通過CST-Particle Stuido 3D 粒子模擬軟件，分析了不同參數(shù)對大回旋電子槍橫縱速度比、速度離散的影響，理論計算與粒子模擬結(jié)果相互吻合。研究發(fā)現(xiàn)，影響大回旋電子注質(zhì)量的主要因素是陰極所處的位置，所以文中重點分析了陰極裝配誤差對電子注質(zhì)量帶來的影響。通過將理論與仿真設(shè)計相結(jié)合，最終得到一種工作電壓70 kV，電流5 A，速度比1.0 的大回旋電子槍，滿足Ka 波段螺紋波導(dǎo)回旋行波管對高質(zhì)量電子槍的要求。

　　回旋管作為在毫米波、亞毫米波段獲得高峰值功率寬頻帶的快波器件，在等離子體加熱、電子對抗、高功率毫米波亞毫米波雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，受到國際上普遍的關(guān)注。根據(jù)電子注回旋中心所在的位置，可以將回旋器件分為兩類：由磁控注入式電子槍( MIG) 產(chǎn)生的小回旋電子注器件以及由CUSP 電子槍產(chǎn)生的大軌道回旋器件。

　　為了增大腔體的尺寸并減小所需的磁場，很多回旋器件在高頻段都工作在高次諧波狀態(tài)。小軌道回旋行波管由于激烈的模式競爭問題很難穩(wěn)定有效地工作在高次諧波狀態(tài)。由于螺紋波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)，電子注與波導(dǎo)要發(fā)生耦合必須滿足條件mi-mk ± mB = 0，mi和mk分別代表TE11模和TE21模的角向變化次數(shù)，mB為螺紋波導(dǎo)橫截面在角向的變化次數(shù)。這對抑制回旋器件內(nèi)的模式競爭十分有利，并使得螺紋波導(dǎo)回旋行波管能夠穩(wěn)定地工作在較高的諧波狀態(tài)，減小回旋器件工作所需的磁場，使得回旋行波管可以利用永磁體代替超導(dǎo)磁體，整個系統(tǒng)變得小型化、輕便化。螺紋波導(dǎo)是一種在傳輸方向上非對稱的不規(guī)則周期波導(dǎo)，改變了原本光滑波導(dǎo)中工作模式在截止頻率附近的色散特性，使得電子注和高頻場在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)相互耦合從而大大展寬器件帶寬。俄羅斯Denisov 等研制的螺紋波導(dǎo)X 波段回旋行波管，獲得了1. 1 MW 峰值功率， 47 dB 增益，相對工作帶寬達(dá)到了20%。美國加利福利亞大學(xué)戴維斯分校S. B. Harriet 等研制的大回旋二次諧波回旋行波管在中心頻率30 GHz，獲得了效率20%，增益30dB，輸入為定值時帶寬3%。國內(nèi)大回旋電子器件的研究起步較晚，主要集中在中科院電子所，中電十二所以及電子科技大學(xué)，但是至今尚未有相關(guān)的實驗報道。

　　大回旋電子槍是靠皮爾斯電子槍產(chǎn)生的環(huán)形電子束在電場力作用下，通過磁場反轉(zhuǎn)以及電場的減弱和縱向磁場的增加，電子束軸向速度減小而橫向速度增加，從而產(chǎn)生繞軸旋轉(zhuǎn)的電子束。雖然大回旋電子槍的理論與實驗發(fā)展了幾十年，但是直到1983 年才第一次被利用于微波器件中。相對于小軌道回旋器件來說，很少有成功的高次諧波潘尼管和回旋管的實驗報道，主要原因是很難得到高質(zhì)量的大回旋電子注�？茖W(xué)家花了大量的時間和精力去研究產(chǎn)生高質(zhì)量大回旋電子注的縱向磁場磁體結(jié)構(gòu)，在2000 年時，Northrop Grumman 等提出了一種稱之為“state-of-the-art”的CUSP 磁體結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它由兩個鐵電極板、一個主線圈以及一個反轉(zhuǎn)線圈組成。其中主線圈提供注波互作用的磁場; 電極板吸收由主線圈產(chǎn)生的磁場，如果電極板為理想電極板，可以認(rèn)為主線圈產(chǎn)生的磁場在電極板兩側(cè)被完全吸收; 在電子槍端用線包做成一個反轉(zhuǎn)線圈來提供陰極區(qū)的倒向磁場。

圖1 “state-of-the-art”磁體結(jié)構(gòu)

總結(jié)

　　本文從CUSP 電子槍的基本理論出發(fā)，初步給出了電子槍的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過CST - PS 3D 粒子模擬進(jìn)行了大量的優(yōu)化仿真分析，研究了電子槍的橫縱速度比以及速度離散與電子槍各個參量的變化關(guān)系。通過研究發(fā)現(xiàn)，可以協(xié)調(diào)地調(diào)整各個參量以保證電子注的橫縱速度比相同，這為以后的實驗提供了理論研究基礎(chǔ)。并且根據(jù)理論和仿真計算，通過調(diào)整陰極磁場以及磁體系統(tǒng)的縱向位置和陽極電壓，可以改變電子槍的橫縱速度比，從而使回旋器件能工作在最佳狀態(tài)。同時，本文還分析了陰極裝配誤差對電子注質(zhì)量的影響，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，陰極的縱向偏移對電子的橫縱速度比影響較大，而陰極的偏心對電子注的速度離散影響較大，所以對整個電子槍陰極的裝配精度要求比較大。