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毫米波段FEL放大器非线性特性研究

张进才  
【摘要】: 毫米波段自由电子激光器(简称FEM),是当前自由电子激光器(FEL) 研究领域里的一个重要分支,在军事和民用方面有着巨大的应用潜力,许 多国家的科研结构都在从事这方面的研究,而且已取得了重要的成果。 本文深入地研究了FEM放大器的特性。用三维非线性理论,导出了矩 形波导平板摇摆器自由电子激光的三维自洽非线性方程组。无论工作在康 普顿区还是拉曼区,这套理论都适用。根据导出的方程组,独立开发了计 算机模拟程序。该程序考虑了初始速度零散、模式竞争、空间电荷效应、 电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等情况,并对 编制的程序进行了可靠性论证,论证表明:该程序是可靠的。这项工作将 会为国内进一步研究和发展FEM提供重要的辅助设计手段,有重要的实用 价值。 利用编制的数值模拟程序,对工作在35GHz的多模矩形波导FEM放 大器的特性做了比较详细的数值研究。研究发现:在同等条件下,多模的 输出功率要大于单模的输出功率;速度零散会对多模的输出功率和效率产 生一定的影响;使用变参数摇摆器可以大幅度提高放大器的工作效率和输 出功率,可以实现增益模式的选择,抑止高阶模式。数值模拟结果和 Orzenchoski等人所做的试验结果相吻合[Phys.Rev.Lett.54,889(1985);57, 2172(1986)]。 利用编制的数值模拟程序,对工作在94GHz的FEM放大器的特性进 行了研究,取得了一些很有价值的成果,提出了一套基于矩形波导平板摇 摆器的FEM放大器方案。研究结果表明:用相对低的输入电压(400KV以 下),并且在当前工艺技术经过努力能够达到的范围内,用这种结构做成的 FEM放大器,在平均功率、带宽和增益等方面都能满足新一代3mm雷达对 发射源提出的要求。


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