在成像电子光学中,静电聚焦同心球系统具有一系列宝贵的性质,其电位分布与电子轨迹能以解析形式表示,可以定量地研究系统的电子光学成像特性与横向像差。尽管前人已有不少研究,但都限于零级近似成像的认识,且其中存在着不少谬误。本系列文章将全面研究静电聚焦两电极与多电极同心球系统中电子的运动轨迹、电子光学成像特性与横向像差,探讨电子束在成像段形成的图像弥散,得出一些新的结论和认识,纠正文献中存在的一些谬误,建立自己的理论体系。本系列文章的第一篇主要探讨电子在两电极同心球系统中在静电场作用下的运动轨迹,导出了两电极静电聚焦同心球系统中自阴极面逸出的电子轨迹在极坐标系下的表示式ρ=f(φ)与圆柱坐标系下新的轨迹方程的表示式r=r(z),给出了自光阴极逸出的电子在成像段的行进轨迹的交轴位置及其斜率的近似和精确表示式。本文为全面研究静电聚焦同心球系统的电子光学性质及其像差奠定基础。

主要介绍了某X波段大功率耦合腔脉冲行波管两级降压收集极的CAD分析、结构设计及研制结果。通过使用国营第七七二厂2.5维互作用程序软件包(TWTC软件)对行波管输出端96条电子轨迹的半径，轴向、径向速度模拟并分析，判断电子注层流性情况，然后对两级降压收集极进行光学设计、结构设计和热分析，装管验证结果表明：实测值结果与理论计算的两级降压收集极各电极电流分配比例、收集极效率等参数接近。

利用粒子模拟软件和热分析软件，对W波段回旋行波管收集极区的电子轨迹和热分布进行了仿真计算。通过对收集极磁场参数的优化，调节了收集极区的电子分布，使得电子轰击区域从17.05 cm2增加到28.52 cm2，提高了67%，从而降低了单位面积的功率密度。通过对收集极内壁热分布的仿真分析，确定了1 kW/cm2的功率密度及1.12 L/s的冷却水流量，以确保收集极内壁温度低于材料熔点，不会产生物理损坏，使得收集极能够稳定工作，保证了管子的工作稳定性。通过热仿真计算验证了优化方案的可行性，并已应用于实际。

在周边环绕玻璃薄片介电体的作用下, 绳束状碳纳米管宏观体的场发射电流发生异常跃迁, 同时伴随有场发射电子光斑的横向扩展, 导致跃迁后的场发射电流明显高于正常情况。 所有观察到的现象均与介电体存在下的电场重新分布和电子轨迹偏离有关。理论分析及随后的场发射测试检验了介电体几何尺寸、间距、介电常数等因素对场发射I-V性能的影响。研究结果提供了一种控制Spindt型场发射体电子发射性能的新的可行途径。

针对2维电子光学多参量优化问题, 采用微动粒子群优化算法, 在给出目标电子轨迹和优化范围的前提下, 可以得到趋近于该电子轨迹的真空边界和聚束磁结构。该算法分为前后两阶段：第一阶段采用前后试探法(微动), 同时参照最优粒子的信息;第二阶段采用标准粒子群优化算法。针对涉及多个相关参量的电子光学设计问题, 标准粒子群优化算法仅能保证以较高概率收敛到局部最佳解, 而微动粒子群优化算法能以较高概率收敛到全局最佳解, 并且展现了多核计算机在电子光学设计上的潜力。初步的软件试验显示：消耗人类工程师几周时间的电子光学设计问题, 用微动粒子群算法在普通个人计算机上几十小时就能完成。

设计开发了场致发射显示器件专用模拟软件,该软件以MATLAB为平台,采用以有限元法为基础的FEMLAB软件对场致发射区域内的电场分布进行计算,自行编制了FED模拟软件从MATLAB中取出FEMLAB输出的数据,分析阴极表面场致电子发射状态,计算电子在空间的轨迹和在阳极的落点,将计算结果输出至MATLAB,以图形方式绘出电子轨迹和着屏光点。在计算电子轨迹时采用了动态内存分配方法和可变索引数据结构,提高了程序的通用性和移植性。该软件界面友好、使用方便,可对任意结构的FED进行计算,可在器件研制之前对FED的特性进行研究。

研究了行波管中均匀聚焦磁场和周期永磁聚焦磁场对轨迹波动的影响。推导了这两种磁场下轨迹波动周期和幅值,讨论了磁场强度对轨迹的影响。解释了聚焦磁场存在小的波动的原因,并且通过计算得出小波动的周期为磁场周期的1/2,揭示了在周期永磁聚焦磁场下,电子轨迹近似等效于周期为周期永磁聚焦磁场1/2的小波动和均匀磁场形成的波动轨迹的叠加。利用电子科技大学编写的微波管模拟套装中的3维注-波互作用模块进行了静态轨迹计算,验证了理论推导。

结合箔聚焦和静电线聚焦的特点,对箔聚焦强流相对论环形电子束在同轴波导中的传输进行了研究。通过数值求解电势满足的泊松方程,得到电势、电场分布及系统的空间电荷限制流,并根据电子的运动方程得到包络电子的平衡条件及其运动轨迹。