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渐变同轴开槽谐振腔高频场研究

侯慎勇  
【摘要】:回旋振荡管是一类高功率高频率微波器件。由于在其发展过程中,表现出许多优良的特性,受到人们的极大关注。它已应用于国际间的能源合作项目中,如受控热核聚变中等离子体电子回旋共振加热和等离子体的不稳定性诊断与控制;军事航天领域的微波通讯以及工业领域的材料处理和太赫兹技术科学应用领域的生物医学。并不断向更高功率和更高频率范围内发展。这要求回旋管的工作模式由低阶向高阶的模式转变。从而引起回旋管的模式密度的增加,进而导致回旋管的模式竞争加剧和欧姆损耗增加。为了解决这些问题,人们在圆柱腔回旋管的基础上,已研制出同轴回旋管。其中具有代表性的是170GHz、1MW同轴回旋管分别由德国和俄罗斯研制成功。为了进一步提高其性能,人们提出了渐变同轴内开槽回旋管,并且对其进行了大量的研究。在此基础上,本论学位论文对渐变同轴内外开槽回旋管进行研究。目前对同轴开槽回旋管谐振腔特征方程的建立有两种方法:严格的全波匹配法和表面阻抗法。由于根据表面阻抗法得到的特征方程形式比全波匹配法简单,因此本文利用该方法得到了同轴内外开槽回旋管谐振腔的特征方程,并且研究了槽参数对特征值的影响;同时应用等价波导理论研究了同轴开槽回旋管谐振腔的模式选择能力。当回旋管的工作频率由低频向高频发展时,回旋管壁的欧姆损耗不断增加。在实际中必须将其限制在23~4KW/cm范围内。为此,我们研究了同轴开槽回旋管谐振腔的欧姆品质因数和欧姆损耗,得到它们与回旋管槽参数的关系式。根据这些关系,研究了槽参数对欧姆品质因数和欧姆损耗的影响,发现了同轴开槽谐振腔的欧姆损耗主要集中在槽的底部;在渐变同轴回旋管谐振腔中,最大欧姆损出现在场最强的区域;另外,也研究了谐振腔的特征值与欧姆损耗和欧姆品质因数的关系。由于回旋管特征模式的计算是研究电子注与电磁场互作用的基础,因此,本学位论文根据无源麦克斯韦方程组的微分形式和传输线理论,得到了适合于渐变同轴内外开槽回旋管谐振腔的无源一阶传输线方程。利用耦合波理论得到不同模式间的耦合系数。利用亥姆霍兹方程得到场的模式函数。并且借助数值计算,对渐变同轴开槽谐振腔的特征模式进行研究,得到特征模式的频率和绕射品质因数。同时也研究了槽参数对特征频率和绕射品质因数的影响。在特征模式计算的基础上,进一步研究了电子注与电磁场的互作用。为此,根据有源的麦克斯韦方程组和传输线理论,得到了渐变同轴内外开槽回旋管的有源一阶传输线方程;从洛伦兹方程出发,得到了电子的运动方程。根据相关文献,导取了电子注与电磁场的耦合系数以及回旋管的起振电流公式。在回旋管研究中,电子注与电磁场互作用是最重要的研究内容。因此,我们结合有源一阶传输线方程、电子的运动方程和边界条件,编写了渐变同轴开槽回旋管的注波互作用程序。利用该程序,对国际上研究的170GHz、2.2MW、34,19TE和165GHz、1.5MW、31,17TE的渐变同轴内开槽回旋管进行注波互作用计算,得到其工作参数对注场互用作的影,其结果与文献有较好的吻合。在此基础上,设计了一支170GHz、2MW、34,19TE渐变同轴内外开槽回旋管,并对它进行注波互作用计算,得到了它的输出功率和互作用效率。这些工作将为渐变同轴开槽回旋管的进一步研究奠定了理论基础。


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