磁化等离子体填充相对论微波器件的理论和实验研究

【摘要】： 本文从导师的“磁化等离子体波导中电磁波传播理论”出发，较全面地从理论和实验上研究了在有限磁场作用下等离子体填充光滑圆柱波导和波纹波导中电磁波的传播特性。 为了使微波器件有更大的功率输出和更高的互作用效率，近年来，人们在这一领域已进行了卓有成效的工作，使在相对论微波脉冲器件中，输出功率已达到吉瓦(GW)量级，而连续工作的输出功率可达兆瓦(MW)量级。而要进一步的提高输出功率和互作用效率却面临一些基本的限制，其中一个主要的限制是来自空间电荷影响，因在真空中电子的相互排斥使电子注有一电流密度极限，这将影响注—波互作用，并降低了微波器件的性能。最近的一系列的实验研究表明，在大功率微波器件中填充等离子体可以大大增强其电子束与波的互作用效率，提高功率输出的水平；理论研究进而表明等离子体的参与有以下几个突出的优点：1．由于等离子体电荷中和效应可以使器件在高于真空电流极限下工作，进而有更高的输出功率；2．辅助电子束聚集而降低对磁场的要求，进而降低器件的体积、重量和成本；3．新的等离子体—电子束—波互作用机理，使器件达到很高的效率；4．输出频率连续可调，拓宽了频带宽度。 本文主要围绕等离子体填充大功率微波器件—光滑圆柱波导和波纹波导，以及相关问题进行了一些研究和探讨，主要工作如下： 1．详细讨论了相对论电子束在等离子体中传输过程中所发生的一些效应，如离子通道的形成、电荷和电流中和效应、以及电子束的箍缩传输等； 2．根据导师的磁化等离子体波导中电磁波传播理论，推导出了有限磁场作用下等离子体填充的光滑波导和波纹波导的色散方程，计算了各参数(如磁场强度，环形等离子体的厚度、密度，电子注的位置等)对色散曲线、增益的影响。 3．推导出了功率流密度的表达式，并进行了功率流密度、相速、耦合阻抗等的计算。 4．在考虑离子通道和有限磁场的作用下得出了更普遍的、更接近真实情况的光 ABSTRACT 滑波导和波纹波导的色散方程。 5．还研究了中央有介质棒的光滑波导的电磁波传播特性，并进行了相关的计 算。 6．参加了PASOTRON的部分实验，从中受益匪浅。