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传统微波管的工作频率决定了其高频系统的尺寸,因此,当传统微波管往更高的频率上发展时,尺寸必须做的越来越小。尺寸变小,极大限制了微波管的功率容量。回旋管是基于自由电子受激辐射原理的新型电真空器件,由于工作原理不同,回旋管的高频结构不受频率的限制,因此回旋管在毫米波雷达、电子战、高功率微波武器、受控热核聚变等高功率微波应用领域有着广阔的前景。磁控注入电子枪(MIG)、回旋管收集极和外加超导磁体组成了回旋管的电子光学系统。磁控注入电子枪(MIG)是回旋管的关键器件之一,其性能的好坏直接影响整个回旋管的输出功率和效率。近年来,高功率微波器件的一个主要发展方向是高功率和高频率,为了满足回旋管对更高输出功率的要求,除了提高电子注的输入电压和互作用效率外,还可通过改进和优化回旋管的磁控注入式电子枪(MIG),来产生适当速度比,低速度零散的回旋电子注,以进一步提高回旋管的输出功率。完成注波互作用后的电子注会在外加磁场的引导下散落在收集极上,但是,由于种种原因电子注会出现落点集中、散落面积过小等现象,这种现象的出现会使收集极某一区域发热严重,时间长了甚至会造成收集极的损坏,严重影响整个回旋管的使用寿命。本论文结合课题组具体项目,着重对回旋管的电子光学系统进行了研究,利用相应的粒子模拟软件对回旋管的磁控注入电子枪(MIG)和收集极进行了设计和优化仿真。本文主要工作如下:由基本的电磁场与电磁波理论和电动力学理论出发,阐述了电子光学系统设计和计算的基本方法;阐述了磁控注入式电子枪的基本工作原理,对电子枪进行了详细的理论分析,介绍了磁控注入电子枪的设计流程和优化方法;介绍了计算电子枪所用软件EGUN,Magic,和CST的计算原理和计算特点,成功设计了用于ITER计划的140GHz高功率回旋管的单阳极磁控注入电子枪,分析了电子枪结构以及其它电参数对电子注性能的影响;设计了一只W波段回旋管的单阳极磁控注入电子枪;研究了回旋管收集极系统散焦的实现方法,用软件仿真优化了收集极的散焦系统。