靜電場(chǎng)加載同軸結(jié)構(gòu)小軌道相對(duì)論電子微波激射器研究.pdf

1、太赫茲電磁波在電磁頻譜中占有非常特殊的位置，表現(xiàn)出很多不同于其它頻段電磁輻射的優(yōu)越特性，在許多領(lǐng)域都有著重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。目前，對(duì)太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究已引起國際學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注和極大興趣，成為國際高科技研究最前沿的領(lǐng)域之一。
　　 長(zhǎng)期以來，缺乏有效的太赫茲電磁波輻射源成為限制太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要原因。探索產(chǎn)生太赫茲電磁波輻射的新機(jī)制和新方法就成了太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。自由電子激光(Fre

2、e Electron Laser，縮寫FEL)和基于電子回旋脈塞(Electron Cyclotron Maser，縮寫ECM)工作原理的回旋管器件，被公認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲波輸出的有效器件。其中“Maser”一詞，原是Microwave Amplification byStimulated Emission of Radiation的縮寫，其基本涵義是“受激輻射放大器”，所以maser國內(nèi)通行的中文譯法，音譯為“脈塞”或“麥塞”，意譯

3、為“微波激射器”或“激射器”。
　　 本文研究一種加載靜電壓的同軸結(jié)構(gòu)小軌道相對(duì)論電子回旋脈塞，以期獲得高功率太赫茲自由電子輻射源的新知識(shí)，探索出一種具有結(jié)構(gòu)橫向電尺寸大、束-波互作用強(qiáng)、單色性好、工程成本低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)的新型千瓦級(jí)高功率太赫茲電磁波輻射源。本文所做的主要工作如下：
　　 (1)通過對(duì)大量相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)提煉，較為全面地回顧了國內(nèi)、外靜電場(chǎng)在電子回旋脈塞和自由電子激光中的應(yīng)用和分析，進(jìn)而提出了本文的研究

4、思路。
　　 (2)建立了同軸結(jié)構(gòu)靜電場(chǎng)系統(tǒng)電子束-電磁波耦合互作用的基本模型，首先推導(dǎo)了同軸波導(dǎo)中TE模式的場(chǎng)表達(dá)式，然后在考慮了外加靜電壓的前提下得出了相對(duì)論性電子的運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而推導(dǎo)得到表征束-波能量交換的耦合方程，建立了加載靜電壓的同軸波導(dǎo)回旋脈塞的自洽非線性理論。對(duì)電子束-電磁波相互作用的過程進(jìn)行了理論分析，并用FORTRAN語言編制了相應(yīng)的程序。
　　 (3)建立了同軸結(jié)構(gòu)靜電場(chǎng)加載小軌道相對(duì)論電子的回旋自諧

5、振脈塞(CyclotronAutoresonance Maser，縮寫CARM)放大器的非線性模擬模型，具體數(shù)值模擬了工作頻率為0.14THz的情況，結(jié)果表明，加載靜電壓后，器件的飽和功率有了明顯的提高。通過調(diào)整參數(shù)，與不加靜電壓(V0=0)時(shí)相比，飽和功率可增加22％，最大效率也從10.2％增加到了12.5％。文中還對(duì)一些主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，包括外加靜電壓、橫向縱向速率比、電子束導(dǎo)引中心半徑的優(yōu)化，并考察了電子束速度離散對(duì)輸出功率的影

6、響。
　　 (4)對(duì)同軸結(jié)構(gòu)靜電場(chǎng)加載小軌道相對(duì)論電子的回旋管(Gyrotron)放大器建立了理論模型，并對(duì)一種工作頻率為0.14THz的情況進(jìn)行了非線性模擬，然后對(duì)一些主要參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試和優(yōu)化，包括外加靜電壓、橫向縱向速率比、電子束導(dǎo)引中心半徑的優(yōu)化，并考察了電子束速度離散對(duì)輸出功率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：一是與不加靜電壓(V0=0)時(shí)相比可將回旋管的飽和功率提高18.6％；二是電子束初始橫向速度離散的負(fù)面影響被減弱。