高阶模THz电子回旋脉塞注波互作用研究

发布时间：2020-03-24 04:17

【摘要】：太赫兹波(THz)处于毫米波与红外光之间,所以它既具有毫米波的特性又具有光的特性。由于太赫兹波的特殊性,它有着非常突出的应用前景和价值,所以对太赫兹科学技术的研究已经成为了当今科学研究的重点和热点。而太赫兹科学技术研究的基础和前提是太赫兹辐射源的研究,基于电子回旋脉塞机理的回旋管已被证实是最有可能实现大功率、高效率太赫兹辐射源的电真空器件,所以对太赫兹回旋管的研究非常具有意义。由回旋管理论可知,随着对输出功率和工作频率要求的提高,为了增加互作用腔的功率容量和缓解由于尺寸共度效应引起的一系列问题,太赫兹回旋管通常工作于高阶模式;同时为了缓解由于频率提高而带来的磁场增加的问题,太赫兹回旋管选择工作于高次谐波状态。但是高次谐波高阶模工作带来了一个严重的问题—模式竞争,它是影响回旋管实现大功率、高效率太赫兹波源辐射的主要因素。因此本论文将对高阶模太赫兹回旋管中注-波互作用进行分析并对其中的模式竞争问题展开深入研究。结合我校承担的国家“十二·五”计划项目“XXX电子回旋脉塞太赫兹源研究”,利用自制的回旋管线性和非线性数值模拟程序设计了一支0.42 THz,TE_(17.4)二次谐波渐变复合腔回旋管,详细分析了腔体结构尺寸变化对渐变复合腔冷腔特性的影响,同时还研究了电子注参数、磁场、电子注质量等多种因素对复合腔回旋管中注-波互作用效率的影响。根据线性和非线性模拟结果,利用时域多模非线性理论对设计的0.42 THz渐变复合腔回旋管中的模式竞争进行了模拟研究,深入讨论了窗片和激光功率探头反射、欧姆损耗、电子注质量等多种因素对模式竞争的影响。基于数值模拟,对设计的0.42 THz渐变复合腔回旋管进行了加工和热测实验,实验结果达到了项目指标要求。本论文的主要研究内容及贡献如下:1.基于圆波导耦合波理论,编制了渐变复合腔的冷腔模拟程序,经验证其模拟结果与HFSS,CST等商业软件非常接近。同时详细分析了腔体结构尺寸变化对渐变复合腔冷腔特性的影响,并初步设计了工作频率为0.42 THz,工作模式为TE_(17.4)的渐变复合腔高频结构。2.起振电流是回旋管模式竞争研究的前提,论文从起振电流的定义出发推导了渐变复合腔结构中模式起振电流的具体表达式,并编制了渐变复合腔起振电流模拟程序。利用该程序详细分析了电子注质量,欧姆损耗,工作模式对的相位差等多种因素对模式起振电流的影响。3.基于有源传输线方程和相对论下的电子运动方程,详细推导了渐变复合腔回旋管注-波互作用方程,编制了相应的模拟程序,并与CST粒子模拟软件进行了对比验证。同时利用编制的模拟程序讨论了多种因素如电子注电压,电流,磁场,电子注质量等对注-波互作用效率的影响。最终给出了0.42 THz二次谐波渐变复合腔回旋管的最佳热腔工作参数,该回旋管能够实现功率为78.78 kW,频率为420.0210 GHz的太赫兹波输出,同时对输出窗进行了模拟设计。4.基于时域多模非线性模型,编制了渐变复合腔回旋管模式竞争的数值模拟程序。利用该模拟程序对设计的0.42 THz渐变复合腔回旋管中模式竞争问题进行了研究,并讨论了电子注质量,欧姆损耗,输出窗和激光功率探头的反射等多种因素对模式竞争的影响。研究结果表明工作模式TE_(17.4)在选取的工作参数范围内能够首先被激励起来并稳定地参与注-波互作用,而竞争模式在整个互作用过程都得到了很好地抑制,同时还表明渐变复合腔结构在抑制模式竞争方面具有明显的优势。5.基于线性理论、非线性理论和模式竞争的大量模拟,对0.42 THz渐变复合腔回旋管进行了加工和实验测试。测试结果表明设计的0.42 THz渐变复合腔回旋管能够实现脉冲功率为19.3 kW,频率为421.645 GHz的太赫兹波输出。针对于输出功率和工作频率与理论值存在一定的偏差,本论文详细分析了加工误差,电子注质量,电压上升沿和过冲现象,输出窗及功率探头的反射等多种因素对注-波互作用的影响。研究结果表明当考虑合适的影响因素时实验结果能够与理论模拟值很好地吻合。
【图文】：

太赫兹,太赫兹波,频段,毫米波

于太赫兹波介于毫米波和红外光之间，所以它既具有光的特性又具有毫米波性。正是由于太赫兹波的特殊性，它在物体成像，环境监测，医疗诊断，射线，宽带通信，雷达等领域具有广阔的应用前景[3-6]，如图 1-2 所示，太赫兹技于检测人体衣物内的刀具、枪械等物品，由于它具有非接触、探测距离远、对无伤害等特点，因此对 THz 科学技术的研究具有非常重要的学术价值和应用[7-26]。同时由于太赫兹波的特殊性导致无法使用常规手段对太赫兹波进行研电子学角度出发，太赫兹波波长太短，，常规器体的尺寸太小，导致器件的功率急剧降低和加工难度增加；从光子学角度出发，太赫兹波的频率又太低，导致之间距离太近，量子效率过低，一般的光学器件很难在 10THz 以下的频段内。所以太赫兹频段是目前唯一没有被深入认识和充分利用的频段，形成了一个相对落后的“太赫兹空白”。由于太赫兹科学技术的广阔应用前景，而且还是一未开发的前沿领域，所以太赫兹技术受到了世界各国高度重视。太赫兹科学技美国评为“改变未来世界的十大技术”之一；日本政府把太赫兹科学技术确立家支柱技术十大重点战略目标之首”；中国于 2005 年召开了以“太赫兹科学技新发展”为主题的学术讨论会，大力发展我国的太赫兹科学技术[1-3]。

核磁共振,太赫兹,安检,成像技术

回旋管则是唯一能够实现高效率、大功率太赫兹源辐射的电真空器件体器件的频率可调、价格相对低廉、占用体积小等优势，回旋管的优高效率、大功率等方面。所以太赫兹回旋管成为雷达、远程通讯和远等太赫兹研究应用的最好选择。正是由于回旋管是唯一能够实现大功赫兹源辐射的器件，各国都对其进行了深入的研究并取得非常不错斯的科学院应用物理研究（IAP）所报道了如图 1-4 所示工作频率为率为 0.5 kW 的太赫兹回旋管，这是所报道的最高频段的太赫兹回太赫兹回旋管工作于基波状态，故采用了 40T 的脉冲磁场；同时俄罗马里兰大学共同研制了如图 1-5 所示工作频率为 670GHz，脉冲输出 210kW 的太赫兹回旋管，这是报道的回旋管在太赫兹频段能够产生]；日本福井大学研制出了工作频率为 389 GHz, 输出功率为 83 kW赫兹回旋管[39]，该回旋管已经应用于等离子体的检测和核磁共振等其他国家也对太赫兹回旋管进行了大量的研究[40-43]，但由于关键技有取得非常突出的成果。所以本论文结合我校承担的国家“十二五赫兹回旋管中一些关键技术进行深入地研究。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN11

【参考文献】