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同轴腔回旋自谐振脉塞(CARM)的线性研究

胡莉  
【摘要】:电子回旋脉塞器件——回旋自谐振脉塞(CARM)作为强功率、高效率毫米亚毫米波源,结合了传统回旋管和自由电子激光的优点,在线性加速器、等离子体加热、雷达、通信以及电子对抗等领域有着广泛的应用前景,因此受到了国际上的高度重视。特别是在最近20年来,不管是在理论研究还是在实验上都取得了很大的成绩。其中研究得最多的是以圆柱腔为波导的CARM振荡器,并在实验中取得了可观的成绩。而关于CARM放大器,人们在理论上作过很多研究,但从实验方面而言,目前只有美国麻省理工学院有相关的报导。 随着对器件输出功率的要求越来越高,器件的散热性能成了一个倍受关注的问题。针对目前的研究现状,张世昌教授提出一种新型器件——同轴腔CARM放大器的设想。采用同轴腔波导一来可以有效地增大腔体的散热面积,改善器件的散热性能;二来可以有效的抑制模式之间的竞争,同时还结合了CARM放大器自身输出功率大、效率高等优势。本文首先在电子回旋脉塞机理和CARM的工作原理基础上阐述了同轴腔CARM放大器的工作机理及可实现性;第三章从电子回旋脉塞的回旋动力学理论入手,分析了电子与波互作用机理,根据圆柱腔CARM放大器的回旋动力学理论,推导出同轴腔CARM放大器中电磁波的色散方程;然后利用FORTRAN语言分别编制出求解圆柱腔和同轴腔波导中波的色散方程的相关程序;论文的第四章通过对已有的圆柱腔CARM放大器以及回旋行波管实验进行数值模拟,验证了所编制程序的可靠性;在论文第五章,参考德国卡尔斯鲁厄技术物理研究中心(FZK)的实验条件,根据已有的回旋动力学理论,通过数值模拟和对参数不断优化,最后得出当电磁波选取工作模式TE_(31,17),工作频率为165GHz时,所设计的同轴腔CARM放大器最大增益能达到295.19dB/m。从理论和数值模拟上为同轴腔CARM放大器的理论研究和实验研究提供参考。


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