太赫兹高功率回旋管注波互作用模拟研究

发布时间：2021-08-31 14:53

　　在受控核聚变能源方面,为实现聚变的点火,就需要使等离子体温度提高到10千电子伏以上,而波加热是等离子体加热（plasma heating）的一种很重要的方法,其中回旋管便可以提供高频率和高功率的电磁波,因此在国际核聚变反应堆（ITER）的推动之下,相关频率如110GHz,140GHz,170GHz的得到了长足的发展。而本文也主要以初步模拟设计170GHz的高功率渐变复合腔回旋振荡管做如下安排:（1）介绍回旋管的基本原理,针对170ghz的回旋管介绍其发展情况,并描述其主要技术问题。（2）针对渐变复合腔中的场分布求解及模拟,结合模式耦合理论通过传输线方程对170GHz渐变复合腔回旋管的高频特性进行模拟研究并分析设计回旋管初步冷腔尺寸。（3）为分析其注波互作用,首先通过线性（小信号）理论对回旋管的工作参数进行初步分析,再联立求解相对论电子运动方程和有源麦克斯韦方程组建立注波互作用的自洽非线性理论的数学描述,再结合此通过数值模拟仿真对电子电压,电流,磁场和主要结构参数对注波互作用的效率及场分布进行了分析;最后确定了腔体各项参数。 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

回旋管用于ECRH示意图

第一章绪论3场在变化处会发生反射从而产生振荡，并且在互作用腔的电子入射端一般设计要对产生的特定模式的谐振电磁波截止而在电子输出端以行波输出，因此互作用腔是驻波与行波共同存在的一种开放式谐振腔；在互作用腔区有恒定的磁场B，这里的恒定是指时间恒定而非空间，但在互作用腔的均匀段一般也是空间恒定的磁场，这磁场可由永磁体或超导磁体提供，其作用是维持电子在一定频率的回旋运动，并在互作用腔的行波输出端使电子回旋与互作用场失谐。在考虑了相对论因子后我们可以给出电子在磁场中的回旋频率c和回旋半径cr：00c1cBmeBme（1-1）00crcccrvv（1-2）其中2-11/是相对论因子，cv/，v是电子的和速度即横向与纵向速度的矢量和，c为真空光速。可以看到当电子速度v越大，相对论因子越大，电子回旋频率越小，其回旋半径cr越大，反之电子速度v越小，相对论因子越小，电子回旋频率越大，其回旋半径cr越小，这是不同于牛顿经典力学的地方，也是电子能产生群聚的关键之处；为更简单形象的描述电子如何在场中运动的，如图1-2以互作用腔中已经稳定存在TE0N模式的电磁波来讨论，其中最小圆为从横向看电子的回旋运动轨迹，我们放大其运动轨迹如图1-3，图1-2回旋电子与场的横向示意图

电子科技大学硕士学位论文4我们以时钟顺序1—8标号电子并且电子旋转方向为顺时针，而电场方向此时也为顺时针，此时电子1，2，8处于减速区，4，5，6处于加速区，由前面对单个电子运动状态的分析可以知道，处于减速区的电子回旋半径将减小而回旋频率将增加，同理加速区的电子回旋半径增大的同时回旋频率减小，即从角向来看减速区与加速区的电子都将向3号电子靠近，如果电子的回旋频率与电场的频率想接近，减速区的电子将一直处于减速区，加速区的电子也将一直处于加速区，则电子将持续以3号电子为中心靠近，这就是回旋电子在考虑相对论效应时才会产生的角向群聚。图1-3电子角向群聚示意图但值得注意的是如果电子回旋频率c与场的频率相等，则电子的群聚中心将在减速区进入加速区的小范围内振荡，从平均来看则一直处于3号电子处，即电子虽然群聚但却不存在与场的净能量的交换，所以一般要求场的频率略大于电子回旋频率，这样在每一个电子周期内，场的相位都将超前一点，电子群聚中心就落在了减速区内从而实现了净能量交换。下图便是电子整个运动状态的示意。图1-4电子运动示意图

【参考文献】：
期刊论文
[1]太赫兹科学技术研究的新进展[J]. 赵国忠.  国外电子测量技术. 2014(02)
[2]太赫兹科学技术及其应用的新发展[J]. 刘盛纲,钟任斌.  电子科技大学学报. 2009(05)
[3]8mm回旋速调管的模拟设计与实验[J]. 喻胜,牛新建,李宏福,赵青,罗勇,邓学,徐勇,王晖,谢仲怜,王丽,刘迎辉,杨鸣.  电子学报. 2006(S1)
[4]回旋管在聚变等离子体ECRH加热中的应用[J]. 曹黄强.  电子管技术. 1982(02)

博士论文
[1]高阶模THz电子回旋脉塞注波互作用研究[D]. 赵其祥.电子科技大学 2018
[2]腔体回旋脉塞器件的研究[D]. 喻胜.电子科技大学 2002

硕士论文
[1]0.42THz大功率回旋管的模拟分析与设计[D]. 李凯.电子科技大学 2014



本文编号：3375088