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三次谐波太赫兹回旋管的研究

马春燕  
【摘要】:太赫兹辐射(THz,1 THz=1012Hz)或称THz波、亚毫米波及T-射线,是0.1-10THz的电磁辐射。其对应的波长范围为3mm~30μm,对应的能量范围为0.04~4kJ/mol.过去的相当长一段时间内,由于缺乏有效的产生和探测太赫兹波辐射方法,导致太赫兹频段是电磁波谱中待开发的一段空白频段。近年来,随着太赫兹检测、应用等技术的进步,太赫兹技术得到了前所未有的新发展。 太赫兹技术的发展离不开太赫兹源的发展。在THz技术研究中,THz源是最核心的技术。研究表明,回旋管是目前输出功率最大的太赫兹辐射源器件,是基于电子回旋受激辐射原理发展起来的一种快波器件。一方面,实现电子回旋受激辐射,原理上讲不一定需要高频互作用结构,但是当有高频互作用结构时,电子回旋受激辐射的不稳定机理将大大增强,而且可以有效引出能量,所以设计高频互作用结构对于太赫兹回旋管是非常重要的,受到了多数发达国家的重视;另一方面,太赫兹回旋管输出的功率是从激励源电子注获得的,为了产生符合设计要求的电子注,研究电子光学系统就必不可少,所以研究产生符合设计要求电子注的电子光学系统对于回旋管也是非常重要的。电子光学系统作为回旋管关键的组成部分,也同样受到了发达国家的高度重视。因此,基于太赫兹在国民经济、现代科学技术以及国防现代化建设中所具有的重要战略地位,我国政府加大了对太赫兹技术研究的投入。本学位论文就是在相关国家科研经费资助下完成的。 本论文主要的研究方向和所得成果如下: 1.本文首先对回旋管的线性理论与非线性理论、电子光学基本理论进行了介绍,并且从数值计算方面对电子光学的基本理论进行了研究。因此,对设计中所涉及到的参数有了初步认识与了解。 2.利用回旋管的计算程序与粒子模拟软件MAGIC对0.6 THz三次谐波回旋管与所需要的电子光学系统进行了设计,同时利用MATLAB对磁场进行了模拟。在0.6 THz三次谐波回旋管设计中,详细研究讨论了因采用高次谐波工作模式带来的问题:模式竞争;磁场、工作电压与注波互作用效率关系的问题。在0.6 THz三次谐波大回旋电子枪的设计中,详细研究讨论了阴极区的几何结构、发射带半径、发射电流密度、会切磁场的大小以及会切磁场的位置对电子枪性能的影响。最后,利用回旋管的计算程序与粒子模拟软件MAGIC对电子光学系统进行了大量的模拟与计算,通过对研究结果的分析,能够更加合理地选择各项参数,达到优化设计的目的。 研究中发现: 1.采用高次谐波工作模式,可以降低工作磁场,但模式竞争严重。我们可以从起振电流公式计算得到每个模式的起振电流随磁场和电压变化的关系图,根据关系图选择适当的参数就可以达到模式选择的目的,从而能够较好的抑制模式竞争。 2.从磁场、电压与注波互作用效率的关系图来看,在适当的范围内,选择恰当的磁场与电压值,可以有效地提高注波互作用效率。 3.在讨论阴极区的几何结构、发射带半径、发射电流密度、会切磁场的大小以及会切磁场的位置对电子枪性能影响的过程中,发现会切磁场的大小以及会切磁场的位置对电子枪性能影响最大。所以,在大回旋电子枪设计中,会切磁场的大小与位置是关键因素。


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