CN109216134B - 一种高性能多级降压收集极结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种高性能多级降压收集极结构优化方法。本发明通过仿真软件模拟出待优化的多级降压收集极的电子打到绝缘壁的电子轨迹和电子回流的轨迹；然后从建立静电势阱和对于收集极间连接部位的物理屏障两个方面考虑通过在收集极上增加电极块的方式，改变收集极的结构形状，使得调整后的收集极对打到绝缘壁上的电子形成物理层面的阻挡；以及使得收集极结构在改变空间电位分布层面，使回流电子受到更大的径向电场力。本发明方法简单，多级降压收集极的结构形状改变容易，便于加工实现；该结构可以保证收集极的高可靠性，且该结构可以方便地调整各极间的电压分布，不需要增加电源，降低电子回流，提高效率。

Description

一种高性能多级降压收集极结构优化方法

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种高性能多级降压收集极结构优化方法。

背景技术

微波管是一种能产生或放大电磁信号的真空电子器件，广泛应用于卫星通信、雷达、导弹、电子对抗等领域。微波管主要由电子枪、高频系统、磁聚焦系统、收集极和输入输出耦合装置组成。电子枪发射电子注，电子注在磁聚焦系统的作用下成形与传输。电子注在传输的过程中，与高频系统内的场相互作用，产生或放大电磁信号。输入输出耦合装置负责电磁信号的馈入与输出。收集极负责接收与电磁波互作用后的废弃电子注并将其能量进行回收。

由于微波管的效率有限，废弃电子注携带了大量的能量(通常会超过微波管直流能量的 50％以上，有的甚至超过90％)。将互作用后电子携带的能量最大程度的回收对降低微波管能耗、减轻电源压力具有非常重要的意义。因此，在微波管中，提高收集极的效率至关重要。收集极连接部位的绝缘陶瓷常常被电子轰击损坏，大大降低了收集极的寿命，由于不可更换性，从而降低了整个器件的寿命。所以设计收集极时要尽量避免电子轰击到收集极之间的绝缘壁。

对于互作用后的电子注来说，收集极是一个电子减速区。废弃电子注中的各个电子进入收集极后，在减速电场的作用下进行减速运动，减少的动能随之交给供电系统进行能量的回收。最后，完成能量回收过程的电子碰触到收集极的电极而被收集极表面吸收，电子的剩余动能转化为热能。电子在收集极电场减速的过程中，有可能不会碰触到收集极的电极,电子先减速运动，速度降到零后，反向进行加速运动，电子运动到互作用区，便形成了电子回流。此外，在电子碰触到收集极表面时，可能打出二次电子，该二次电子指入射电子打到收集极表面损失部分能量后反弹的电子，或者是入射电子打入到收集极表面致使收集极表面的电子被激发出来的电子。这些二次电子可能向与入射电子运动方向相反的方向运动，这时的二次电子会受到收集极的电场加速作用，移向互作用区，形成二次电子回流。不论哪种回流均会影响高频结构内电子注与电磁波的相互作用，进而影响微波管的功率、效率等参数。电子回流太大时，回流电子会轰击高频结构而致使微波管损坏。因此设计收集极时，也必须考虑抑制电子回流。

抑制电子回流可分为抑制原电子回流(即废弃电子没有打到任何收集极的电极上而形成的回流)和抑制二次电子回流(即废弃电子打到收集极表面而产生的二次电子的回流)。通过合理设计收集极结构，可以较为容易地抑制原电子回流。但是要抑制二次电子回流相对困难。因为废弃电子打到收集极上是否产生二次电子，产生二次电子的种类等都是一个概率分布，因此很难掌握二次电子可能的运动行为。这也造成实际的收集极结构各种各样，各有优势。

常规的多级降压收集极通过考虑多级降压收集极的级数、电压分配、收集极间的间距，设计得到效率足够高的结构。收集极级数越多，效率越高，但是级数多增加了电源的复杂性。通用的抑制电子回流的方法包括尽可能的减小收集极的入口，使得回流电子被拦截。或者使用外加磁场抑制电子回流，但是外加磁场不利于微波管的小型化。所以需要一种有效的方法对常规多级降压收集极进行优化，减少电子回流和提高可靠性，从而进一步提高收集极效率。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决微波管中收集极结构抑制电子回流效果不佳，以及电子打到收集极连接部位(绝缘陶瓷)导致器件损坏的问题；本发明提供了一种高性能多级降压收集极结构优化方法。

本发明技术方案如下：

步骤1、通过对待优化多级降压收集极入口处电子的状态进行分析，利用仿真软件计算待优化多级降压收集极效率达到目标要求时电子的轨迹分布。

步骤2、根据步骤1模拟结果显示的电子轨迹分布判断情况：

若，有入射电子或二次电子打到收集极之间的连接部位。

在保证不同电位的收集极之间不接触的情况下，调整打到收集极之间连接部位(绝缘陶瓷)的电子轨迹附近收集极的结构形状，例如在收集极上添加水平电极块或者钩形电极块。针对具体收集极可以添加任意有效的电极形状。使调整结构后的收集极能够阻挡电子打到收集极之间的连接部位(绝缘陶瓷)。通过在收集极上增加电极块的方式调整整个收集极的结构形状。

若，有入射电子没有打到收集极上，而被反向加速形成电子回流；或者有二次电子没有被收集，而被反向加速形成二次电子回流。

在保证不同电位的收集极之间不接触的情况下，通过在收集极上增加电极块的方式调整整个收集极的结构形状，使结构调整后的收集极改变回流电子轨迹附近空间电位分布，建立了静电势阱，使回流电子受到的径向电场力增大，进而被约束到电极周围运动。同时由于通过在收集极上增加电极块的方式调整整个收集极的结构形状，改变了结构的收集级对产生的二次电子也形成了物理阻挡，使二次电子更加易于被收集极收集，从而减少了电子回流到互作用区的可能性。例如在收集极上添加水平电极块或者钩形电极块。针对具体收集极可以添加任意有效的电极形状。

步骤3：改变收集极形状之后，减少了电子回流和阻挡了电子打到绝缘壁上；继续模拟改变结构后的收集极入口处电子的状态，待收集极效率达到优化标准，就停止优化。否则重复步骤1、步骤2进行迭代直到收集极效率达到优化标准。

本发明通过仿真软件模拟出待优化的多级降压收集极的电子打到绝缘壁的电子轨迹和电子回流的轨迹。进而从两个方面改变收集极的结构形状，使得调整后的收集极对打到绝缘壁上的电子形成物理层面的阻挡，以保证收集极的高可靠性；另一方面使得调整后的收集极结构在改变空间电位分布层面，使电子受到更大的径向电场力，对其形成更大的“拉力”把电子“拉”到收集级，同时，由于收集级结构的改变也产生了对电子的物理阻挡的效果，降低了电子回流到互作用区的可能性。最终优化后的收集极在两个方面实现了器件的优化。本发明设计实现的方法简单，多级降压收集极的结构形状改变容易，便于加工实现；该结构可以保证收集极的高可靠性，且该结构可以方便地调整各极间的电压分布，不需要增加电源，降低电子回流，提高效率。同时采用这种优化方法得到的收集极结构可以增加二次电子的收集几率，可以降低收集极表面材料的粗糙度对收集效率的影响；同时该结构比较紧凑，不需要扩大多级降压收集极的外部结构，对于多级降压收集极的小型化具有良好的效果。

综上所述，本发明从两个方面实现了收集极的优化，可有效提高收集极的可靠性和降低电子回流。

附图说明

图1是实施例待优化的常规四级降压收集极轴对称二维截面图。

图2是实施例4的四级降压收集极的轴对称二维截面图。

图3是待优化的常规四级降压收集极结构对应的二维电子轨迹及模拟结果图。

图4是实施例1的四级降压收集极轴对称二维截面图。

图5是实施例1对应的二维电子轨迹及模拟结果图。

图6是实施例2的四级降压收集极轴对称二维截面图。

图7是实施例2对应的二维电子轨迹及模拟结果图。

图8是实施例3的四级降压收集极轴对称二维截面图。

图9是实施例3对应的二维电子轨迹及模拟结果图。

图10是实施例4的四级降压收集极轴对称二维截面图。

图11是实施例4对应的二维电子轨迹及模拟结果图。

图12是实施例5、6的非对称截面的四级降压收集极三维结构图。

图13是实施例5的三维电子轨迹及模拟结果图。

图14是实施例6的三维电子轨迹及模拟结果图。

图15是实施例7的三维电子轨迹及模拟结果图。

具体实施方式

下面结合附图、附表和实施例对本发明作进一步说明。

以一个四级降压收集极为待优化目标(图1)，先模拟得到电子回流轨迹和电子轰击收集极连接处的轨迹。在这些有问题的电子轨迹空间附近，合理改变收集极的结构形状，例如在各个电极上不断添加水平控制结构与垂直控制结构，得到改变了空间电位的降压收集极，从而获得更好的回流抑制与更高的收集极效率。所有降压收集极的模拟结果是利用国内微波管研制单位广泛使用的仿真软件微波管模拟套装MTSS中的电子光学模块EOS计算得到。

实施例1：在常规四级降压收集极(见图1)的第一极上添加一个水平控制结构，得到的爪形降压收集极如图4所示。

二次电子最大发射系数是指，电子打到收集极表面后产生二次电子的最大数量。如二次电子最大发射系数为1.3，即指一个电子打到收集极表面后，最多可能产生1.3个二次电子。所以二次电子最大发射系数越大，产生二次电子的个数越多，对于提高收集极效率越困难。所以有时需要通过表面处理来降低二次电子最大发射系数，以便提高收集极效率。

在图1结构的基础上，优化收集极各极电压后，设置收集极第一极降压2550V，第二极降压3000V,第三极降压4000V，第四极降压5050V，且设置二次电子最大发射系数为1.3,常规四级降压收集极的二维电子轨迹和模拟结果见图3。该结构的第一极和第二极间电子较多，且有电子打到了两极的间隙处，即屏蔽陶瓷处，如图3上的黑色虚线椭圆框所示。

采用同样的降压配置，且设置二次电子最大发射系数同样为1.3,改变降压收集极结构形状后的二维电子轨迹与模拟结果见图5。该结构有效避免了常规四级降压收集极电子打到屏蔽陶瓷上的风险。但是，打到该水平控制结构上的二次电子形成了回流，如图5上的黑色虚线椭圆框所示。

实施例2：在常规四级降压收集极的第二极上加一个水平控制结构，如图6所示。采用与实施例1同样的降压配置，且设置二次电子最大发射系数同样为1.3,其对应的二维电子轨迹与模拟结果如图7所示。

该爪形降压收集极也有效避免了常规四级降压收集极电子打到屏蔽陶瓷上的风险。但是，打到水平控制结构上的二次电子形成了回流，如图7上的黑色虚线椭圆框所示。

实施例3：在常规四级降压收集极的第一极上加一个水平控制结构和一个垂直控制结构，如图8所示。采用与实施例1同样的降压配置，且设置二次电子最大发射系数同样为1.3,其对应的二维电子轨迹与模拟结果如图9所示。

该降压收集极也有效避免了常规四级降压收集极电子打到屏蔽陶瓷上的风险。同时，参见表1可知，与常规四级降压收集极，以及实施例1与实施例2相比，收集效率明显提高，且回流明显减少。

实施例4：在常规四级降压收集极的第一极，第二极与第三极上同时添加水平控制结构和垂直控制结构，如图10所示。优化收集极各极电压，最终收集极第一极降压2550V，第二极降压3200V,第三极降压4200V，第四极降压5050V，且设置二次电子最大发射系数为1.3,对应的二维电子轨迹与模拟结果如图11所示。

该降压收集极的收集极效率相比常规四级降压收集极提高了6.61％，回流率降低了 2.74％。

实施例5：在常规四级降压收集极的第一极，第二极与第三极上同时添加水平控制结构和垂直控制结构(同实施例4的结构)，同时在最后一极引入一个20度的非对称截面，形成的爪形降压收集极结构(三维示意图如图12所示)。采用与实施例4同样的降压配置，且设置二次电子最大发射系数同样为1.3，对应的三维电子轨迹以及模拟结果如图13所示。该爪形降压收集极结构的回流率降低到了0.88％。

实施例6：该结构与实施例5的爪形降压收集极结构一致(见图12)，采用与实施例4同样的降压配置，设置二次电子最大发射系数为0.7，对应的三维电子轨迹与模拟结果如图14 所示。

比较图14和图13的结果可见，当二次电子最大发射系数由1.3变为0.7(即做了一些表面处理)后，收集极的收集效率仅提高了0.3％，回流率仅降低了0.25％。这说明对该结构进行表面处理对于收集极的性能影响不大，也说明该结构抑制二次电子的效果比较好。

实施例7：该结构与实施例5的降压收集极一致(见图12)。采用与实施例4同样的降压配置，在计算机模拟计算中，不考虑二次电子，即电子打到收集极表面后，不会产生二次电子。在该设置下，对应的三维电子轨迹及模拟结果如图15所示。

比较图15与图13，即比较不考虑二次电子和考虑二次电子的结果，从中可以看到，考虑二次电子后，收集极效率只降低了2.62％，回流率由无变为了0.88％。二次电子对收集极的性能影响不大，即该结构抑制二次电子的效果比较好。

上述实施例可以看出，按照本发明提出的收集极结构优化方法可以有效抑制电子回流，收集极的结构调整简单，可有效避免电子打到屏蔽陶瓷，对于抑制二次电子、提高收集极效率有明显好处。

表1是采用图2、图4、图6、图8、图10和图12的收集极结构模拟结果对比表。

表1不同结构下的回流率及收集极效率

结构	图1	图4	图6	图8	图10	图12
							回流率(％)	5.47	6.64	7.81	4.3	2.73	0.88
收集极效率(％)	72.05	72.79	71.09	74.91	78.66	78.86

Claims (2)

1.一种高性能多级降压收集极结构优化方法，具体步骤如下：

步骤1、通过对待优化多级降压收集极入口处电子的状态进行分析，利用仿真软件计算待优化多级降压收集极效率达到目标要求时电子的轨迹分布；

步骤2、根据步骤1模拟结果显示的电子轨迹分布判断情况：

若，有入射电子或二次电子打到收集极之间的连接部位；

在保证不同电位的收集极之间不接触的情况下，通过在收集极上增加电极块的方式调整整个收集极的结构形状，使调整结构后的收集极能够阻挡电子打到收集极之间的连接部位；

若，有入射电子没有打到收集极上，而被反向加速形成电子回流，或者有二次电子没有被收集，而被反向加速形成二次电子回流；

在保证不同电位的收集极之间不接触的情况下，通过在收集极上增加电极块的方式调整整个收集极的结构形状建立静电势阱；

步骤3：继续模拟改变结构后的收集极入口处电子的状态，待收集极效率达到优化标准，停止优化；否则重复步骤1、步骤2进行迭代直到收集极效率达到优化标准。

2.如权利要求1所述高性能多级降压收集极结构优化方法，其特征在于：所述步骤2中收集极增加电极块的调整方式，是在各级收集极水平和/或垂直方向增加电极块控制结构。

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