超材料帶狀注輻射源的機理研究.pdf

1、伴隨著材料科學(xué)的發(fā)展尤其是新型半導(dǎo)體材料的更新?lián)Q代和加工手段的進步特別是微細加工工藝水平的不斷提高，固態(tài)電子器件在近些年得到了迅猛的發(fā)展。與此同時，由于具有體積大、重量重等缺點，傳統(tǒng)真空電子器件逐漸被固態(tài)電子器件所取代。因此，亟需通過引入新的物理機制使得真空電子器件煥發(fā)新的活力。
　　鑒于此，本學(xué)位論文采用理論分析、仿真模擬以及實驗研究相結(jié)合的方法，論證了帶狀注在超材料中穩(wěn)定傳輸?shù)目尚行?，實驗驗證了超材料中反向切倫科夫輻射效應(yīng)的物

2、理機理，從而提出了新型的小型化超材料帶狀注輻射源。
　　本學(xué)位論文通過將一種全金屬超材料（由平板型的互補電開口環(huán)諧振器(CeSRR)陣列加載方波導(dǎo)所構(gòu)成)和帶狀注用于新型真空電子器件，從而開展了以下的創(chuàng)新性研究工作：
　　1.研究了超材料的有效本構(gòu)參數(shù)和高頻特性。從有效媒質(zhì)的觀點出發(fā)，利用基于S參數(shù)的參數(shù)提取法和Drude模型分析得到該超材料分別在2.83GHz-3.05GHz頻帶內(nèi)同時具有負的有效介電常數(shù)和負的有效磁導(dǎo)率，

3、即該超材料在上述頻帶內(nèi)可視為左手材料；從慢波結(jié)構(gòu)的觀點出發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)該超材料的基模零次空間諧波在上述頻帶范圍內(nèi)具有返波特性且其耦合阻抗大于750Q。
　　2.提出了一種帶狀注電子槍的設(shè)計方法。利用皮爾斯電子槍的基本理論，研究了帶狀注電子槍內(nèi)部電子的運動情況，從而設(shè)計了用于計算帶狀注電子槍主要參數(shù)的迭代算法。上述方法具有迅速準確等特點，可應(yīng)用于帶狀注器件中電子槍的設(shè)計。
　　3.研究了均勻軸向磁場聚焦下帶狀注在超材料慢波結(jié)構(gòu)中

4、的傳輸特性。提出了一種超材料慢波結(jié)構(gòu)理論模型，進而推導(dǎo)出了帶狀注在超材料慢波結(jié)構(gòu)中的空間電荷場；利用該空間電荷場計算了均勻軸向磁場聚焦下帶狀注的豎直偏移量，該豎直偏移量定量描述了帶狀注的傳輸不穩(wěn)定性；通過理論計算和仿真模擬相結(jié)合的方法研究證實：減小帶狀注與CeSRR陣列的間距可以有效抑制帶狀注的傳輸不穩(wěn)定性，即帶狀注在超材料慢波結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定傳輸是可行的。上述工作為反向切倫科夫輻射效應(yīng)的實驗驗證以及超材料帶狀注輻射源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

5、>　　4.首次利用帶電粒子激勵的方法在實驗中觀測到了超材料中的反向切倫科夫輻射。為了開展實驗研究，我們構(gòu)建了反向切倫科夫輻射的實驗平臺，包括特斯拉變壓器、陰極組件、超材料、耦合器、收集極、螺線管磁聚焦系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明在端口1(近收集極端口)獲得的信號頻率與端口2(近陰極端口)的幾乎一致，信號功率卻遠遠小于端口2的信號；同時我們發(fā)現(xiàn)端口1的信號相對于端口2的信號有一定的延遲時間，而該時間近似等于信號從端口2到端口1的傳播時間；該結(jié)果說明

6、在端口2獲得了反向切倫科夫輻射信號而在端口1獲得了其反射信號。另外，仿真結(jié)果表明：超材料中的切倫科夫輻射角是位置相關(guān)的且大于150'歸一化功率流的增長方向與帶狀注的運動方向相反。上述事實證明了超材料中反向切倫科夫輻射效應(yīng)。
　　5.提出了雙頻超材料帶狀注輻射源。在反向切倫科夫輻射效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過進一步研究超材料慢波結(jié)構(gòu)的特性，我們提出了具有波導(dǎo)耦合器的雙頻超材料帶狀注輻射源。仿真結(jié)果表明該輻射源具有百千瓦量級的峰值輸出功率，電子