回旋自諧振脈塞多模非線性理論研究.pdf

1、回旋自諧振脈塞(Cycoltron Autoresonance Maser，縮寫CARM)是一類基于電子回旋諧振輻射的高功率電磁波源。自CARM的概念被提出以來(lái)，由于其獨(dú)特的工作特性(如所需工作磁場(chǎng)低，RF結(jié)構(gòu)的橫向尺寸大，可采用弱相對(duì)論電子束等)而引起人們的廣泛關(guān)注。
　　 盡管過(guò)去各國(guó)學(xué)者對(duì)CARM已經(jīng)進(jìn)行過(guò)大量的理論研究，但大部分工作只針對(duì)于CARM中的單模束波互作用，而對(duì)多模束波互作用的研究則少有涉及。然而，當(dāng)CARM的

2、工作頻率延伸至太赫茲(THz)或亞THz頻段時(shí)，通常需要采用高階的電磁波模式來(lái)增加器件的幾何尺寸，以解決器件的機(jī)械加工和散熱問(wèn)題。這必然導(dǎo)致波導(dǎo)腔體中電磁波模式的過(guò)模問(wèn)題，從而誘發(fā)器件工作時(shí)出現(xiàn)模式競(jìng)爭(zhēng)，所以，對(duì)工作于THz或亞THz頻段的CARM器件來(lái)講，對(duì)其進(jìn)行多模束波互作用的理論研究顯得很有必要。為此，針對(duì)目前CARM多模理論研究的相對(duì)匱乏的現(xiàn)狀，本文以CARM放大器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)已有單模非線性理論的總結(jié)和分析，建立了比較完善

3、的CARM多模非線性理論，并利用多模理論詳細(xì)研究了工作于THz頻段的CARM器件中各電磁模式與相對(duì)論電子束的互作用過(guò)程。全文主要工作包括：
　　 第一章：緒論。簡(jiǎn)單介紹了回旋自諧振脈塞的工作原理以及國(guó)內(nèi)外對(duì)于回旋自諧振脈塞的研究現(xiàn)狀；
　　 第二章：推導(dǎo)了同軸波導(dǎo)CARM中TE模式和TM模式電磁波的束波耦合方程以及圓柱波導(dǎo)中TE模式和TM模式電磁波的束波耦合方程，同時(shí)給出了考慮波導(dǎo)壁歐姆損耗后的束波耦合方程以及相對(duì)論電子

4、在多電磁波模式共同作用下的電子運(yùn)動(dòng)方程，從而得到了完整描述CARM多模束波互作用的自洽非線性方程組；
　　 第三章：介紹了CARM多模束波互作用非線性模擬軟件的設(shè)計(jì)方法，對(duì)軟件設(shè)計(jì)中涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，如物理量的歸一化、初值的選取以及方程組數(shù)值求解過(guò)程中的精度監(jiān)測(cè)等，最后，給出了整個(gè)模擬軟件設(shè)計(jì)的流程圖，并利用FORTRAN語(yǔ)言編制了數(shù)值模擬軟件。利用本模擬軟件不僅可以對(duì)CARM中的整個(gè)多模束波互作用過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模

5、擬，同時(shí)還可以對(duì)CARM的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；
　　 第四章：從實(shí)驗(yàn)(利用國(guó)際上已公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))和理論兩方面對(duì)本論文所編制的多模束波互作用非線性模擬軟件進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證，為下一步太赫茲CARM器件多模非線性模擬結(jié)果的正確性提供了保障；
　　 第五章：利用本文CARM多模非線性理論模型對(duì)采用高階橫電(TE)工作模式的太赫茲CARM進(jìn)行了多模束波互作用非線性數(shù)值模擬。通過(guò)進(jìn)一步分析主要工作參數(shù)對(duì)多模束波互作用過(guò)程的影響發(fā)

6、現(xiàn)，高階TE模式太赫茲CARM器件的性能對(duì)工作參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴性，因此在參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中有必要對(duì)其進(jìn)行多模束波互作用模擬分析；
　　 第六章：利用本文CARM多模非線性理論模型對(duì)采用高階橫磁(TM)工作模式的太赫茲CARM進(jìn)行了多模束波互作用非線性數(shù)值模擬，證實(shí)了太赫茲CARM采用高階TM模式的可行性和有效性，并通過(guò)進(jìn)一步分析主要工作參數(shù)對(duì)多模束波互作用過(guò)程的影響發(fā)現(xiàn)，高階TM模式太赫茲CARM器件的性能對(duì)工作參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴