太赫兹辐射在众多前沿领域具有广阔的应用前景。在太赫兹科学技术的发展中,太赫兹源的研究一直是核心内容。然而,根据国内外太赫兹源的研究现状可以发现,目前仍然缺乏有效、便捷的方法实现高功率太赫兹辐射,从而导致相关技术应用受到了很大限制。因此,探索具有新物理结构、新工作机制的高功率太赫兹源是当前太赫兹科技发展的迫切需求。电子束-等离子体系统是一种新型的太赫兹源,具有高功率、高效率、小型化、成本低的独特优势。本文针对电子束-等离子体系统激发太赫兹辐射的机制问题,从理论、模拟与实验三个方面入手,开展了一系列研究:在理论方面,主要采用线性理论研究了电子束、等离子体与波三者互作用激发的电磁不稳定性的机制,通过高斯定律、安培定律与能量守恒方程得到了电子束-等离子体系统的虚阴极形成条件;在模拟方面,采用Particle-in-cell(PIC)方法研究了电子束-等离子体系统通过非线性相互作用激发太赫兹辐射的过程;在实验方面,设计、建造了紧凑型的束-等离子体系统实验装置,在此基础之上验证了系统激发电磁不稳定性的机制,为理论提供了实验支撑。论文的主要内容及创新点有:1、根据PIC模拟得到的等离子体分布结果,建立了非均匀电子束-离子通道系统的理论模型。采用线性理论推导了系统电磁不稳定性的色散关系,并分析了系统中各个模式之间的相互作用以及系统激发太赫兹辐射物理机制。研究发现系统中存在两种不稳定性:第一种出现在系统中心附近,是由快空间电荷波与前向电磁波耦合导致的电磁不稳定性;第二种出现在半径较大的区域,是由慢空间电荷波与电子束模耦合导致的束流不稳定性。在此基础之上,本论文针对电子束-离子通道系统的电磁辐射机制,提出了一种新的物理解释:电子束边界附近的电子首先通过束流不稳定性获得纵向振荡能量,当这些电子随着自聚焦运动到达中心区域时,会通过电磁不稳定性交出能量,从而激发电磁辐射。进一步的研究发现,在电子束-离子通道系统中,随着等离子体密度的提高,系统激发电磁不稳定性的频率与带宽都会提高,当等离子体密度达到1×10~(22)/m~3时,辐射频率将接近1THz以上,这一结果也得到了PIC模拟的支持。2、通过PIC模拟发现电子束-等离子体系统中存在一种新的太赫兹辐射机制。这种机制的产生必须满足以下条件:(1)电子束密度远低于等离子体密度;(2)电子束横向尺寸小于等离子体波长;(3)电子束脉宽远大于等离子体振荡周期。在此条件下,电子束将在等离子体中驱动等离子体尾场,而等离子体尾场又会反作用于电子束,最终将长脉宽的电子束调整成一列以等离子体波长为周期的短脉宽的束团,这一过程称为“自调制”。研究发现,当电子束发展到自调制非线性阶段时,可以驱动基频位于等离子体频率附近且带有一系列高次谐波的高频电磁辐射。在目前电子束密度为1×10~(18)/m~3,等离子体密度为1×10~(22)/m~3的参数条件下,系统的辐射频率已经达到太赫兹波段,功率密度可以达到1GW/m~2以上。理论分析表明,系统的太赫兹辐射机制本质上是等离子体尾场中的振荡电子对高频电子束模的共振散射。3、提出一种基于自调制电子束的太赫兹切伦科夫辐射源方案。该方案是将电子束与等离子体同时注入到一个介质加载慢波结构中,使电子束通过自调制进而与系统特定频率的高阶本征模相互作用。PIC模拟结果表明,自调制电子束能够有选择地激发慢波结构中特定的高阶本征模,而频率低于等离子体频率的低阶本征模无法存在于等离子体中,因此会被抑制。研究还发现,系统中模式的增长情况与色散关系得到的结果符合得很好。这种太赫兹源能够很好地工作在高次谐波,功率容量大,且不需要外加强磁场。在目前的模拟参数下,估算得到辐射的峰值功率可达7.9MW,能量转换效率可达8.3%。4、开展了基于电子束-等离子体系统的虚阴极机制研究。建立了离子聚焦机制下的虚阴极阈值方程,并通过求解该方程得到了虚阴极形成的参数区域。如果系统的初始参数位于该区域中,则虚阴极将会形成。本研究在虚阴极参数区域内、外以及接近阈值的位置选取了大量的采样点,通过PIC模拟验证发现,理论结果与模拟结果高度吻合。这一系列的模拟中没有出现虚阴极激发电磁辐射的情况,这是因为目前的模拟中没有考虑实际的电子束阴极,所以虚阴极的反射电流不会进一步形成振荡电流,从而激发辐射。然而,本研究在电子束密度低于等离子体密度情况下,发现了一种虚阴极自发振荡辐射的机制。此时的离子通道会形成一个前后闭合的空腔结构,虚阴极的部分发射电流和反射电流会束缚在离子通道内形成振荡电流,从而激发宽频的辐射。在目前的参数条件下,辐射频谱已经覆盖到了THz波段。5、提出了一种利用高压脉冲电源驱动等离子体中的电子与离子反向运动,从而形成高密度电子束-离子通道系统的实验方案。根据此方案,设计并建立了一套“束-等离子体系统(PBS)”实验装置。在PBS装置上开展了电子束-离子通道系统辐射机制的验证实验。实验采用的等离子体密度为10~(17)/m~3~10~(18)/m~3,脉冲电压为20kV,脉宽为20μs。研究发现,当示波器检测到电压脉冲上升沿的信号时,系统的辐射频谱中出现了在等离子体的频率范围内的高频信号,频谱的峰值出现在8GHz左右。通过对比实验可以发现,这个高频信号既不是等离子体的噪声,也不是电压脉冲在真空室内激发的本征模,因此只有可能电压脉冲与等离子体相互作用产生的。由于实验测到的辐射频率与理论辐射频率基本一致,本文提出的理论得到了实验结果的支持。从理论上讲,只要进一步提高等离子体密度,就可以获得更高频甚至达到THz波段的辐射。通过本研究的开展,电子束-等离子体系统在不同参数条件下的多种太赫兹辐射机制被揭示出来。目前已经发现的机制有:电子束-离子通道系统中的模式耦合机制、自调制电子束与等离子体尾场互作用的共振辐射机制以及虚阴极机制。本研究也为高功率太赫兹源的研发提供了新的思路和理论基础。
【学位单位】：四川大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O536
【文章目录】：摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 太赫兹辐射
1.1.1 太赫兹辐射的特点及应用
1.1.2 太赫兹源简介
1.2 基于电子束-等离子体系统的新型THz源
1.2.1 等离子体
1.2.2 基于电子束-等离子体系统的新型THz源
1.2.3 早期发展
1.2.4 研究现状
1.3 论文的主要内容及创新点
1.4 论文的结构安排
第二章 电子束-离子通道系统激发太赫兹辐射的机制研究
2.1 引言
2.2 非均匀束-离子通道系统激发太赫兹辐射的线性理论
2.2.1 物理模型
2.2.2 色散关系
2.2.3 色散关系的解以及太赫兹辐射的物理机制
2.3 与均匀系统理论结果的对比
2.4 与粒子模拟结果的对比
2.5 小结
第三章 电子束与等离子体尾场互作用激发太赫兹辐射的研究
3.1 引言
3.2 模拟代码简介
3.3 电子束与等离子体尾场共振激发的太赫兹辐射
3.3.1 物理模型
3.3.2 模拟结果
3.3.3 辐射的物理机制讨论
3.4 自调制电子束在介质加载慢波结构中驱动的太赫兹辐射
3.4.1 物理模型与色散关系
3.4.2 粒子模拟研究
3.5 小结
第四章 电子束-等离子体系统中的虚阴极机制
4.1 引言
4.2 虚阴极机制的形成条件研究
4.3 虚阴极激发THz辐射的粒子模拟研究
4.4 小结
第五章 电子束-离子通道系统辐射机制的实验验证
5.1 引言
5.2 实验装置介绍
5.3 实验结果与分析
5.4 小结
第六章 总结与展望
参考文献
作者在读期间的科研成果简介
致谢
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本文编号：
2878143
