径向电子注器件的基础理论与关键技术研究

The radial sheet electron beam device is a new kind of important vacuum device generating or amplifying the electromagnetic signal, in which the radial sheet electron beam is ultilized to interact with the slow electromagnetic wave propagating along the surface of the slow wave structure. Compared with the conventional linear electron beam device, it has some advantages, such as small size, low voltage, high effieciency, broad bandwidth, high reliability, easilly integrating and so on. In this project, a new kind of radial electron sheet beam device with special logrithmic periodical slow wave structure will be developed, the log-periodical slow wave structure has good application prospect in the radial sheet beam devices for its very small geometrical dimension and very low operating voltage. Furthermore, an integreted theoretical system for the radial sheet beam devices will be set up firstly, then the optimized fast design method will be given, and a software package will be developed besed on the above mentioned theory. On the basis of the single radial sheet beam device, an angular integration concept for the radial sheet beam device will be put forward because of its planar geometry, in which many radial sheet beam devices can share one common cathode and be integrerated in one circular to generate higher output power. By studying the radial sheet beam devices, the vacuum electronics theoretical system and the device types will be enriched, and it also can promote the development of low voltage, small size and planar vacuum electron devices. The radial sheet electron beam devices can not only be used in the active phase array radar, satellite communication systems, but also can be used as the vacuum booster of the electronic countermeasures, and so on.

径向电子注器件采用径向电子注与电磁波相互作用从而产生和放大电磁信号，与传统的线性电子注器件相比，具有尺寸小、电压低、易聚焦、效率高、频带宽、高可靠、方便集成等优势。本项目将提出全新结构的径向电子注器件-角度对数周期互作用电路径向电子注器件的新概念，建立完整的径向电子注器件的理论分析体系，研究径向电子注器件的快速优化设计方法，开发出具有自主知识产权的模拟软件；研制成功低电压、小尺寸、宽频带、高可靠的平面化Ka波段径向电子注器件；在径向单电子注器件的基础上，还将提出径向多电子注平面器件角度集成的新概念，通过角度集成技术，不但可以进一步提高径向注器件的输出功率，还可以多端口输出方便相控阵系统应用。通过对径向电子注器件的研究，将丰富真空电子学的理论体系和器件种类，促进小型化、低电压平面真空电子器件的研制，应用于有源相控阵系统、卫星通信、电子对抗等领域。

本项目对径向电子注器件进行了深入的理论和实验研究，建立了径向电子注器件的理论分析体系，提出了全新结构的径向电子注器件新概念，发明了径向角度对数平面带状线、径向渐变螺旋线、径向角度对数折叠槽波导等多种低电压、小尺寸、宽频带、高可靠的径向电子注慢波结构。研究了注波互作用过程中电磁场的分布规律和电子的运动状态，开发了具有自主知识产权的带状电子注与慢电磁波互作用的三维仿真程序，跟商用电磁软件相比计算速度提升10倍，显著缩短了带状注行波管高频结构的设计周期；提出并研制了径向电子注电子枪，在1700V的电压下，电子枪的发射电流为46.3mA，实验流通率为90.7%，验证了扇形角度径向注电子枪以及小型化可调PCM磁聚焦系统的可行性。提出了采用微孔滤膜制备碳纳米管和石墨烯场发射阴极的新方法，开启场为0.1-0.2V/μm，发射电流密度达到2.4A/cm2，由其制备的射频激励冷阴极电子枪，发射电子通过率100%，最大发射电流达到24mA。研制了Ka波段径向角度对数平面带状线行波管，取得最大4.4dB增益的微波输出，实现了对径向注器件的原理性验证；利用该技术，研制出Ka波段径向渐变螺旋线行波管，在10GHz的带宽内实现输出功率5W以上，最高输出功率可达43W。基于此，提出了角向集成级联式角度对数平面慢波结构新概念，通过角度集成技术，进一步提高了径向注器件的输出功率，以方便相控阵系统的应用。相关结果表明，角向集成角度对数平面慢波结构Ka波段理论输出功率最高可达180W，电子效率提升到10.2%；研制了共用电子光学系统的小型化三螺旋线角向集成行波管，Ku波段实现每路90瓦以上的功率输出，验证了集成阵列行波管的可行性。本项目通过对径向电子注器件的研究，丰富了真空电子学的理论体系和器件种类，促进了小型化、低电压真空电子器件的研制，支撑了有源相控阵系统、卫星通信、电子对抗等领域的发展。执行项目期间，共发表学术论文166篇（SCI收录63篇，EI收录期刊8篇，国际会议68篇，国内期刊12篇，国内会议15篇），标注基金号143篇，其中标注期刊论文72篇、会议论文71篇。培养博士生13人（毕业8人），硕士生12人；申请发明专利50项，其中32项获得授权；获得国家技术发明奖二等奖1项，四川省科技进步一等奖1项，教育部自然科学二等奖1项；主办学术会议2次；国内外学术会议特邀报告7次。