摘要
磁控管作为一种结构简单、功率大、效率高的微波源器件，在航天、医疗、军事、探测等领域有着广泛的应用。现有的热阴极磁控管通常在启动前的短暂几秒内不会有微波输出，其产生的杂波会严重影响器件的电磁兼容(EMC)。冷阴极作为一种理想的电子源，具有启动快、开启电场低、功耗低、稳定性好等特点，可以很好的弥补热阴极磁控管存在的不足，具有重要的研究意义。 虽然冷阴极磁控管具有广泛的应用前景，但现有冷阴极的发射能力一般为几毫安到几十毫安量级，与一般热阴极磁控管几百毫安的工作电流相去甚远。为了实现冷阴极磁控管，一方面需要冷阴极的发射电流；另一方面需要优化磁控管结构，使其能在阴极发射电流较低的情况下实现稳定的功率输出。 本文通过理论分析、仿真模拟和实验验证的方式，对冷阴极磁控管进行了研究。通过理论知识和仿真设计，优化冷阴极磁控管的工作性能，并从电子能量分布的角度，分析优化冷阴极磁控管的各项工作参数，满足冷阴极磁控管稳定工作的要求。同时结合仿真的结果，进行实验测试验证，其中主要内容包括以下几个方面： 首先，为了确定冷阴极磁控管的关键影响参数及工作条件，开展 S 波段的冷阴极磁控管仿真优化设计。采用有限元分析软件，通过调试其不同工作参量来实现冷阴极磁控管的低电流起振。分析研究冷阴极磁控管的阴极发射电流、阳极电压、工作磁场以及阴极二次发射系数等变化对磁控管输出微波的影响，并对以上参数进行优化设计。 其次，分析冷阴极磁控管与热阴极磁控管工作时电子的运动状态和能量分布上的区别，找出影响磁控管不同输出性能的关键，探索冷阴极磁控管在低发射电流下的稳定工作点，并在0.17-0.18T的磁场及6.0-4.5-4.0kV的递减式纹波阳极电压激励下实现其 100 mA 阴极发射电流的低电流快速起振。且其输出功率最大可达1kW，最高效率为77%。 最后，在仿真的基础上，根据研究需求制备了一种磁控管碳纳米管冷阴极，并对其发射电流和工作稳定性进行了一系列的测试。结果表明，该阴极的脉冲发射电流达到 150mA，并在脉冲发射寿命测试及不同真空度下都有良好的发射稳定性，为进一步对冷阴极磁控管的研究提供有力的支持。
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