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圆柱波导TM模式CARM放大器的非线性研究

刘炳甫  
【摘要】: 高功率毫米亚毫米波源,在雷达、等离子体加热、高能加速器、通信等方面,有着重要的应用前景,一直受到国际科技界和工程界的重视。建立在电子回旋脉塞机制上的回旋自谐振脉塞(Cyclotron AutoresonanceMaser,缩写CARM),能够长距离维持回旋谐振条件,从而获得高功率及高效率。近年来,基于此优点,对CARM谐振器和放大器的研究,都取得了相当的进展。 此前,人们对TE模式的回旋器件,如回旋管,回旋Peniotron管,回旋自谐振脉塞进行过大量研究,但是,对TM模式情况的关注却很少,因为人们普遍认为TM模式不适合用于这些器件。事实上,相对于TE模式,TM模式存在纵向电场分量,当电磁波的纵向电场与相对论电子束相互作用时,该电场分量在纵向方向上将会对电子的运动产生重要的影响。在回旋自谐振脉塞的机理中,TM模式的纵向及横向电场分量可以与电子通过束波互作用同时产生纵向和横向换能,使电磁波得到放大,因此,原则上回旋自谐振脉塞采用TM模式不仅是可行的,而且可能具有优越性。 本硕士学位论文的主要工作和创新点是: 首先,从一般波动方程出发,利用电场(?)的共轭复矢量引出一新的复矢量(?),推导出TM模圆柱波导回旋自谐振脉塞放大器的非线性自洽理论,定量描写圆柱波导中的相对论电子束与TM波的互作用过程。 其次,基于所得的圆柱波导TM模回旋自谐振脉塞放大器自洽理论模型,本论文用FORTRAN语言编写了计算程序,用来模拟仿真该类器件。 最后,对工作模式为TM_(1,1)、频率为35GHz的圆柱波导自谐振脉塞放大器进行了具体的非线性数值模拟研究,分析了电子束加速电压、纵向导引磁场、电子束电流、电子速度离散对饱和功率及互作用效率的影响。通过参数优化,得到的饱和功率达82 MW,互作用效率为15.54%。结果表明,采用TM_(1,1)优于以前常用的TE_(1,1)模式。


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