THz回旋管電子光學系統(tǒng)與漸變諧振腔注波互作用研究.pdf

1、太赫茲科學與技術(shù)在醫(yī)療、安檢、信息技術(shù)和基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域獨具優(yōu)勢，是當今科技領(lǐng)域的研究熱點。太赫茲回旋管能產(chǎn)生高功率毫米波、亞毫米波電磁輻射，是最有前途的太赫茲波源之一。結(jié)合課題組項目，本論文通過研究回旋管的自洽非線性理論和設(shè)計太赫茲回旋管所面臨的困難，針對發(fā)展太赫茲回旋管過程中的幾個關(guān)鍵問題：有效抑制非工作模式，使其在高次諧波時實現(xiàn)高功率、高效率、單模太赫茲波輻射；雙注雙頻回旋管中回旋雙電子注在共磁場分布、共電極結(jié)構(gòu)的條件下是否可實現(xiàn)嚴

2、格同步；電子注參數(shù)零散對注波互作用的影響；電子光學系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計；高頻結(jié)構(gòu)與競爭模式間的關(guān)系等進行了深入細致的研究，取得了一些創(chuàng)新性成果和有價值的結(jié)論。
　　基于回旋管自洽非線性理論，優(yōu)化設(shè)計出了一種能有效抑制寄生模式的光滑緩變諧振腔，使工作模式純度提高約27dB；結(jié)合當前應(yīng)用領(lǐng)域?qū)δ承狳c頻段高功率太赫茲電磁波的需求現(xiàn)狀，將這種緩變結(jié)構(gòu)的諧振腔應(yīng)用于太赫茲回旋管設(shè)計；在電子注電壓60kV，電流9A條件下，基于自洽非線性理論模擬計算

3、可知，這種結(jié)構(gòu)可以使0.4THz二次諧波回旋管的互作用效率接近30％，輸出功率大于150kW。采用相同的設(shè)計方法和工作模式，在0.6THz頻段，得到效率約21%，大于100kW的功率輸出。此外，本論文在回旋管注波互作用理論、電子光學系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和相關(guān)模擬程序開發(fā)等方面也做了大量的研究工作。主要工作和貢獻如下：
　　1.基于耦合波理論，研究了漸變、柱形諧振腔的廣義傳輸線方程；考慮當前用于回旋管諧振腔的結(jié)構(gòu)特點，采用了一階傳輸線方程組

4、研究回旋管高頻結(jié)構(gòu)及注波互作用，使廣義傳輸線理論在處理回旋管問題上更完美。
　　2.依據(jù)多模自洽的非線性理論，提出了抑制耦合寄生模式的理論基礎(chǔ)與實現(xiàn)方法。由于尺寸效應(yīng)，太赫茲回旋管采用高階TE模作為工作模式，這必然會帶來強烈的模式競爭；抑制競爭模式就成為太赫茲回旋管的重點研究方向之一。本論文通過對耦合系數(shù)和一階傳輸線方程組的分析研究，優(yōu)化設(shè)計出了有效抑制競爭模式的光滑緩變回旋管諧振腔。
　　3.對一階傳輸線方程組數(shù)值處理后，

5、編制了冷腔設(shè)計程序、多模自洽的非線性互作用模擬程序和基于 PIC軟件開發(fā)的電子光學系統(tǒng)設(shè)計代碼。毫米波、亞毫米波回旋管的理論研究工作主要集中在相關(guān)理論模型的建立和借助計算機對其進行高效數(shù)值求解上；本論文編寫了通用的基于無源傳輸線方程組的冷腔優(yōu)化設(shè)計程序、基于自洽非線性理論和矩陣運算的高效注波互作用模擬程序和基于 PIC軟件開發(fā)的電子光學系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計代碼。
　　4.建立電子注速度零散和引導(dǎo)中心零散模型，將其納入編寫的多模自洽互作用模

6、擬程序，研究了兩種零散對太赫茲回旋管注波互作用效率的影響。影響回旋管性能的因素很多，除提供互作用場所的高頻結(jié)構(gòu)外，電子注的質(zhì)量也會對回旋管的性能造成較大影響。為了更接近于物理實際，本論文建立了電子注速度零散和引導(dǎo)中心零散模型，討論了速度零散和引導(dǎo)中心零散對注波互作用的影響。
　　5.為了確保理論推導(dǎo)的正確性和編寫程序的可靠性，對設(shè)計編寫的回旋管模擬程序進行了大量必要的驗證工作。在編制好冷腔設(shè)計、熱腔互作用模擬程序后，除了利用可靠性

7、很高的專業(yè)仿真軟件對其進行驗證外，還通過查閱權(quán)威期刊文獻中詳實報道的冷腔參數(shù)和注波互作用參數(shù)，建立仿真模型，用自編程序與其進行模擬對比；并且在條件允許的前提下，直接通過優(yōu)化設(shè)計和測試的實驗方式驗證編寫程序的可靠性。
　　6.根據(jù)課題組項目的需要，通過研究磁控注入式電子槍的相關(guān)理論，論證了回旋雙電子注在同一磁場分布、同一電子光學結(jié)構(gòu)下的同步問題；優(yōu)化設(shè)計出了一支符合要求的w波段單陽極電子槍。
　　7.借助編制的相關(guān)模擬程序，詳