[发明专利]一种行波管高效率收集极的设计方法

权利要求书

1.一种行波管高效率收集极设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对目标行波管获得其实测的行波管收集极入口的电子注的能量分布曲线；并测量行波管磁聚焦系统在输出开口磁钢中心处磁感应强度B_d和收集极漂移段到收集极区的轴上磁感应强度值，测量阴极面中心位置处的轴上磁感应强度B_k，测量阴极半径r_k，获得行波管互作用同步电压U_h和输出功率P_out，获得高频信号输出位置的螺旋线内半径r_h；

步骤2、根据步骤1中测量的数据构造收集极入口的宏电子接口数据文件；

设置构造接口的宏电子所在的横向截面位于实际行波管的输出开口磁钢中心位置处；宏电子接口数据包括：宏电子数目n、宏电子所在的横向截面的最大半径r_max、宏电子在横向截面上坐标位置(x,y,z)、宏电子的横向速度(v_x,v_y)、宏电子的轴向速度v_z和宏电子的电流值I；

接口构造方法具体如下：

2-1、给定宏电子数量n，2048≤n，计算宏电子所在的横向截面的最大半径r_max＝(0.7～0.8)r_h；

2-2、构造宏电子横向位置坐标；

设置所有宏电子的坐标分量z＝0，宏电子分布在半径为r_max的圆内，宏电子的密度在径向的分布符合高斯分布(μ,σ²)，其中高斯分布的期望μ＝0，标准差σ＝r_max/6，宏电子的密度在角向分布符合均匀分布，最终通过概率计算得到每个宏电子的坐标位置(x,y,z)；最后宏电子所在横向截面的n个宏电子的坐标为(x_j,y_j,z_j＝0){j＝1,2,....,n}，j为宏电子编号；

2-3、根据测量能量分布曲线构造宏电子的能量分布和电流；

在实测的能量分布曲线上，确定总电流为能量分布曲线上能量为0时对应的电流值I₀，对应的宏电子数为n₀＝n，计算每个宏电子的电流值为I₀/n₀；确定能量分布曲线上的能量扫描步长d，d取5-10eV；

对所有宏电子的能量值进行分配：在能量分布曲线上，从能量为0的位置开始按照步长d增加，每增加一个步长d，计算一次宏电子数量，并计算当前宏电子对应的能量值；第i次增加步长后，宏电子数目为其中I_i为第i次增加步长后能量分布曲线上对应的电流，I_i-1为第i-1次增加步长后能量分布曲线上对应的电流，n_i-1为第i-1次增加步长后的宏电子的数量；对于i＝1时，I_i-1电流值为总电流I₀，n_i-1为总宏电子数n₀；赋予第i次增加步长后的宏电子对应的能量值为E_id＝i*d，单位(eV)；依次增加步长扫描能量分布曲线，计算宏电子的能量，直到能量分布曲线扫描结束，至此所有宏电子的能量分配完成；则n个宏电子具有的能量值为E_j(j＝1,2,...n)，单位(eV)，对应的电流为I_j＝I₀/n₀(j＝1,2,...,n)，j为宏电子编号；

2-4、宏电子的横向速度分配；

利用步骤1中得到的B_k、B_d和r_k计算宏电子所在横向截面上宏电子的角速度为其中η为电子荷质比，为宏电子所在位置的半径，x和y为步骤2-2中分配的宏电子的坐标值；计算宏电子的角向速度v_θ＝ωr_e，并将其转化到直角坐标系中，得到x方向速度分量为v_x＝-v_θ·sinθ，y方向速度分量为v_y＝v_θ·cosθ，其中参数θ＝arctan(y/x)；

则n个宏电子具有的横向速度在直角坐标系为v_xj＝-v_θj·sinθ_j，v_yj＝v_θj·cosθ_j；其中θ_j＝arctan(y_j/x_j)，(j＝1,2,...n)，j为宏电子编号；

2-5、宏电子的轴向速度分配；

由步骤2-3中得到的宏电子的总能量值E_j(j＝1,2,...n)和步骤2-4中得到的宏电子横向速度(v_xj,v_yj),(j＝1,2,...n)，计算得到每个宏电子的轴向速度j为宏电子编号；

2-6、组成接口文件数据；文件为.bin文件，接口文件数据格式如下：

％同步电压值U_h(V)％输出功率P_out(W)％任意常数％电子数n％0

％宏电子数n％1％1％0％0

％x₁％y₁％z₁％v_x1％v_y1％v_z1％I₁

％……

％x_j％y_j％z_j％v_xj％v_yj％v_zj％I_j

％……

％x_n％y_n％z_n％v_xn％v_yn％v_zn％I_n

其中％为位置分隔符，在实际文件中％为空格；

步骤3、在行波管仿真设计软件MTSS中，建立收集极漂移段和收集极实体模型，导入行波管收集极漂移段到收集极区的轴上磁感应强度值，导入步骤2-6中构造的收集极入口接口.bin文件，对收集极进行仿真优化，并依据仿真优化后的收集极结构加工制造目标行波管的收集极。

2.如权利要求1所述行波管高效率收集极设计方法，其特征在于：所述步骤2-1中宏电子数量n取2100≤n≤8000。