等离子体填充介质Cerenkov振荡器和耦合腔链研究

【摘要】： 等离子体填充后的Cerenkov器件，在同样的输入条件下，互作用效率大大增加，从而输出功率也显著增加，这已为多个实验所证实。但是，对于效率增加的物理机制，却有不同的说法。我们认为大部分线性理论只是对场和电子注的线性部分进行了解释，尤其在效率增长幅度非常显著时，必须考虑非线性效应的影响，也就是说，必须考虑等离子体密度受到大功率微波调制形成等离子体密度栅的影响。等离于体平衡态分布与微波场有关，并且其介电特性随电场不是线性变化，因而是一非线性的栅。我们对非线性等离子体栅填充的介质Cerenkov脉塞和线性等离子体填充的耦合腔链进行了研究，主要的研究成果和结论有： 一、首次研究了非线性等离子体栅填充的介质Cerenkov脉塞振荡器。等离子体在慢波性质的驻波场调制下形成等离子体栅，从而影响腔体的谐振特性，计算了等离子体栅的引入对Q值和谐振频率的影响，得出了一些新颖的结论：等离子体填充密度的增加使互作用区的场分布显著增强。但是，等离子体密度的增加并不是无限度的。只有在低于某一等离子体密度临界值时，腔体才能谐振。我们提出，这一现象可从阻抗匹配的角度来解释。对于一确定尺寸的腔体、阻抗变换器，存在一个等离子体密度的临界值，只有在等离子体密度低于这个临界值时，腔体的输出阻抗和波导的特性阻抗才能满足匹配，即满足所谓的辐射条件。 二、在等离子体密度栅的基础上，我们提出了一个等效的模型。首先把密度周期性分布的等离子体栅等效为沿轴向按某一周期分布的均匀介质盘。进一步，把轴向周期分布的均匀介质盘又等效为径向和纵向均匀的各向异性介质。等效模型把等离子体栅的调制效应体现出来，在求解填充等离子体栅的波导系统的色散关系方面要更为容易。 三、为了反映等离子体被微波场调制从而形成密度周期性分布的等离子体栅，反过来影响电磁波的传播这一物理事实，在调制系数变化的情况下，从等离子体栅的等效模型出发，推导了等离子体栅填充的介质Cerenkov脉塞的色散方程。得出的色散关系能反映某些非线性的关系。对于一定的波导、电子注参量和等离子体密度值，等离子体调制系数的增加，使工作频率略微升高。但是，随着等离子体调制系数的进一步增加，色散曲线变得彼此之间不可分辨，可以认为是等离子体的过调制导致了栅的饱和。这一现象是非线性的，可见，等离子体栅和调制场 中文摘要 是非线性关系，等离子体栅是非线性j。另外，等离子体密度的增加，也带来工 作频率的略微升高，同时增长率也发生变化。等离子体密度和增长率、工作频率 也存在一个饱和关系。另外，对干填充等离子体的色散高频系统，由干电子注和 电磁波互作用的同步要求，系统带宽必然分布在某一有限范围内。和把等离子体 视为均匀介质的色散关系相比，用等离子体栅等效模型更能反映填充等离子体的 色散高频系统有限带宽的特点。 四、对等离子体栅填充Cerenkov脉塞振荡器开展了大信号理论分析。给出了 注波互作用效率、饱和长度等大信号参量等重要参量。结果表明，填充一定密度 的等离子体，的确对注波互作用有利。和真空倩形相比，注波互作用效率显著提 高，因而输出功率也显著提高，且互作用长度减小。和冷腔分析的结果类似，对 于某一确定的腔体和阻抗变换器，同样存在一临界的等离子体密度值，只有在低 于此密度值时，谐振器才能保持谐振。另外，等离子体栅的空间电荷场有利于电 子注的群聚和换能，考虑等离子体栅的空间电荷效应后，互作用效率大大增加。 对考虑速度零散效应的等离子体栅填充Cerenkov脉塞振荡器大信号理论分析表 明，等离子体的填充可以减小速度零散带来的互作用效率减小等问题。 五。用严格的场匹配方法分析了填充等离子体的耦合腔链，研究了等离子体一 腔模的形成以及“冷”带宽和“热”带宽的展宽效应。等离子体填周期性耦合腔 链后，形成周期性的截止频率为0的等离子体TG模式。如果填充的等离子体密度 较低时，腔模和槽模的工作频率均有小幅上升，而带宽改善不明显。当填充的等 离子体密度较大时，且腔模和TG模式发生部分重叠时，两者相互耦合，即形成所 谓的等离子体一腔混合模式，此时原来独立的腔模模式和TG模式不再独立。工作 在混合摸式下，其冷带宽大大增宽。且可以调整某一电子注参量，使其空间电荷 波的曲线与某一混合模式的相切部分变大，而不仅仅是相交于一点，因而大大改 善了其“热”带宽效应。同时，工作干混合模式时，其耦合阻抗比真空时提高了 近5倍，因此在填充等离子体后，耦合腔链的慢波特性得到了显著的改善。 六、设计了一个X波段的耦合腔链，其测试结果和理论计算结果良好一致， 验证了理论分沂和计算程序的正确性，并在此基础上，可开展等离子体填充的耦 合腔冷测实验。