周期永磁聚焦行波管离子噪声粒子模拟

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1、第33卷第3期电子科技大学学报Vol.33No.32004年6月JournalofUESTofChinaJun.2004周期永磁聚焦行波管离子噪声的粒子模拟1121111巩华荣，宫玉彬，唐昌建，王文祥，魏彦玉，段兆云，黄民智(1.电子科技大学物理电子学院成都610054;2.四川大学应用物理学院成都610051)【摘要】采用混合模型研究了周期永磁聚焦行波管中的离子噪声，编写了一维粒子模拟程序，并对行波管的离子噪声特性进行了分析；计算表明相同气压下，周期永磁聚焦离子噪声的频率比均匀聚焦要低，且频谱有所展宽；提出改善电子束匹配条件是降低离子噪声的有效方法。关键词离子噪声;行波管;静电势阱;粒子模拟

2、中图分类号O441.4文献标识码ASimulationofIonNoiseinPPMFocusedTWTbyParticle-in-CellMethod1121111GongHuarong，GongYubing，TangChangjian，WangWenxiang，WeiYanyu，DuanZhaoyun，HuangMinzhi(1.SchoolofPhysicalElectronics,UESTofChinaChengdu610054;2.CollegeofAppliedPhysicsSichuanUniversityChemgdu610051)AbstractCharacteristics

3、ofionnoiseinatravelingwavetube(TWT)focusedbyperiodicpermanentmagnets(PPM)havebeendiscussedbymeansofahybridmodel.OnedimensionParticle-in-Cellmethod(PIC)simulationcodeisdeveloped.ComparetouniformmagneticfieldfocussystemthenoisefrequencyislowerandthespectrumiswiderbythePPMfocussystem.Fromtheanalysisres

4、ultswefinddecreasingtheaxialelectrostaticpotentialwellwouldreducethisnoise.Keywordsionnoise;travelingwavetube;electrostaticpotentialwell;particle-in-cell微波器件中，残余气体的电离会使输出信号相位产生周期性或随机性波动，通常称作离子噪声或相位[1～3]噪声。电子枪与聚焦系统的不完全匹配会使电子束包络产生脉动，受空间电荷效应影响，电子束包络的脉动产生了沿轴向分布的静电势阱，离子噪声产生的原因被认为与离子势阱俘获，逸出，再俘获的过程密切相关。离子噪

5、声的频率很低，一般在几十Hz到几十kHz，近来随着雷达在高度杂乱环境中探测微小目标的要求及通讯系统高速数据传输要求的提高，离子噪声的影响已成为行波管关注的焦点。文献[1]对均匀聚焦行波管的离子噪声作了详细分析。但是为了缩小行波管体积，降低功耗，大量的行波管采用了周期永磁聚焦系统，这种聚焦方式产生的电子束脉动与均匀磁场聚焦方式所产生的脉动有很大的不同，使得离子噪声的产生机理及消除与均匀聚焦相比也有所不同，而这方面的研究工作，目前并没有深入的报道，本文对此做了进一步的研究。1研究方法本文采用粒子模拟的方法来研究离子噪声，并结合诊断，以其对周期永磁聚焦行波管离子噪声的产生机理及消除方法有所了解。假如

6、要模拟电子的运动，根据粒子模拟的原理，其时间步长在皮秒量级，而离子振荡周期通常在毫秒量级，时间步长与离子振荡间相差9个数量级左右，因此对离子噪声过程做全电磁的收稿日期：2003−09−05基金项目：国家自然科学基金资助项目(60271001;10276011)；霍英东基金资助项目(81007)作者简介：巩华荣(1977−)，男，博士生，主要从事物理电子学方面的研究.第3期巩华荣等:周期永磁聚焦行波管离子噪声的粒子模拟259[2]粒子模拟，其计算量将非常巨大以致不可实现。为了简化模型，压缩计算量，使问题可解，本文将采用文献[1]提出的混合模型：电子束由包络方程描述，离子看成是宏粒子，在一维方向(

7、轴向)运动。二次电子被忽略，模拟过程如下：1)初始沿轴向分布电位由电子束包络方程(无离子)的解确定，然后根据残余气体的种类(氧)和气压及电离率引入离子，离子自身产生的电位由泊松方程解得；2)离子运动由总电位产生的场决定，然后再次求解含离子的电子束包络方程，求得新的沿轴向分布电位；3)再计算上次及此次产生的离子分布及其电位…依次类推，这个模型就可以模拟离子振荡。电子束包络产生的势阱远远小于管壁到轴线