高功率回旋管高频结构分析与研究
本文选题:高功率 + 毫米波 ; 参考:《电子科技大学》2015年硕士论文
【摘要】:毫米波、亚毫米波具有波长短、频带宽、波束窄、通信容量大、存在大气窗口等优点。正是其独特性能,使其成为近年来各国科学家和学者研究的热点之一。然而,基于相对论质量效应的电子回旋脉塞(ECRM)机理发展的回旋器件可在毫米波、亚毫米波甚至太赫兹波段实现高功率电磁辐射输出,从而填补了激光器和传统微波器件在毫米波和亚毫米波段的缺口,具有其它器件无可比拟的独特优点。这使其在热核聚变、毫米波通信、毫米波成像雷达、电磁对抗、定向能武器、特殊材料制备加工和生物医学等方面都有着十分重要的应用前景,并成为国内外电子器件的研究前沿和热点。在国际热核聚变的推动下,高功率、高频率回旋管是目前回旋管家族中发展最为迅速、最为成熟、取得成果最多的回旋器件。回旋管的高频结构是电子注与电磁波实现能量交换的重要场所,决定了回旋管的工作性能和互作用效率。本论文基于回旋管线性理论以及自洽非线性理论等理论,对回旋管高频结构进行分析研究。本论文的主要内容如下:1、研究分析了电子回旋脉塞机理,并根据自洽非线性理论理论,对无源和有源多模一阶传输线方程进行推导,并且对其进行数值化处理。利用计算机语言基于自洽非线性理论和耦合波理论,结合边界条件,编写了回旋管高频结构设计冷腔数值计算程序和热腔数值模拟程序。利用自编的程序和商用电磁仿真软件对文献报道的高频结构进行数值计算,对比计算结果以验证自编程序。2、利用自编的冷腔数值计算程序设计一个工作频率为170GHz回旋管的三段式高频结构,并利用该软件分析该腔体各个部分结构参数对该腔体高频特性的影响,以便优化出合适的高频结构。3、利用线性理论,编写回旋管高频结构的色散方程、耦合系数、起振电流数值计算程序。借助编好的程序对该腔体的色散方程、耦合系数、起振电流进行分析,为热腔数值模拟计算提供初值。4、利用热腔数值模拟程序对设计好的高频结构进行数值模拟。在数值模拟过程中,分析了磁场强度、电子横纵速度比、引导中心半径、电压和电流变化时对注波互作用效率的影响。最终,得到最佳的工作条件,使该回旋管互作用效率达到最大。
[Abstract]:Millimeter wave and sub-millimeter wave have the advantages of short wavelength, bandwidth, narrow beam, large communication capacity and atmospheric window. Because of its unique performance, it has become one of the hotspots of scientists and scholars all over the world in recent years. However, the gyrotron devices based on the relativistic mass effect (ECRM) mechanism can output high power electromagnetic radiation in millimeter wave, sub-millimeter wave and even terahertz band. Thus filling the gap between the laser and the traditional microwave devices in millimeter wave and sub-millimeter band, it has the unique advantages of other devices. This makes it have a very important application prospect in thermonuclear fusion, millimeter wave communication, millimeter wave imaging radar, electromagnetic countermeasure, directional energy weapon, special material preparation and processing, biomedicine and so on. And has become the research frontier and hot spot of electronic devices at home and abroad. Driven by the international thermonuclear fusion, the high power and high frequency gyrotron is the most rapid development, the most mature gyrotron device, and the most successful gyrotron device in the current gyrotron family. The high frequency structure of gyrotron is an important place for energy exchange between electron beam and electromagnetic wave, which determines the performance and interaction efficiency of gyrotron. Based on the theory of gyrotron pipeline and self consistent nonlinear theory, the high frequency structure of gyrotron is studied in this paper. The main contents of this thesis are as follows: 1. The mechanism of electron cyclotron maser is studied and analyzed. Based on the theory of self-consistent nonlinear theory, the equations of passive and active multimode first-order transmission lines are derived and numerically processed. Based on the self-consistent nonlinear theory and the coupled wave theory and the boundary condition, the computer language is used to compile the cold cavity numerical calculation program and the thermal cavity numerical simulation program for the gyrotron high-frequency structure design. The high frequency structure reported in the literature is numerically calculated by using the self-compiled program and the commercial electromagnetic simulation software. The calculation results are compared to verify the program. 2. A three-section high frequency structure with working frequency of 170GHz gyrotron is designed by using the self-compiled cold cavity numerical calculation program. The influence of the structural parameters of each part of the cavity on the high frequency characteristic of the cavity is analyzed by using the software, in order to optimize the suitable high frequency structure. The dispersion equation and coupling coefficient of the gyrotron high frequency structure are compiled by using the linear theory. Program for numerical calculation of starting current. The dispersion equation, coupling coefficient and starting current of the cavity are analyzed with the help of the program, which provides the initial value .4 for the numerical simulation of the thermal cavity. The designed high-frequency structure is numerically simulated by using the thermal cavity numerical simulation program. In the process of numerical simulation, the effects of magnetic field intensity, electron transverse / longitudinal velocity ratio, guiding center radius, voltage and current on the beam-wave interaction efficiency are analyzed. Finally, the optimal working conditions are obtained to maximize the efficiency of the gyrotron interaction.
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN12
【共引文献】
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,本文编号:1822137
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