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3mm波段二次谐波渐变复合腔回旋管注-波互作用的研究

刘睿  
【摘要】:高功率微波技术是本世纪末七十年代兴起得一门边缘学科。由于科学研究和军事对更高功率、更高能量、更高频率微波源的不断需求,这门学科得以迅猛发展并受到广泛重视。现在,它被广泛应用在军事、科学研究、工业加工、新材料制备以及医学、生物学等方面。 回旋脉塞器件-回旋管作为大功率毫米波源,是一种能产生高功率微波的器件。对于等离子体加热、先行加速器、雷达、通讯及电子对抗、微波武器等领域有很大应用价值。由此,受到了世界各国的高度重视,特别是在这三十年来,回旋管得到了快速发展,成为研究的热门方向。 在我国,中国电子科技大学在70 年代后期,刘盛纲院士开辟了回旋脉塞器件的研究方向。此后,在李宏福教授带领下的课题组也对回旋管进行了大量的研究工作,并在“九·五”期间,成功地研制出了世界上第一支8mm 三次谐波永磁包装回旋管。 而目前在国际上,不仅8mm 波段的研究早已如火如荼,对于3mm 波段回旋器件的研究也早已经开展起来。对于较短的毫米波-3mm 波段而言,它具有自己独特的优势,在雷达、微波武器、等离子体加热等方面都具有其广泛的应用。但是,目前在国内至今还没有发现,对于3mm 波段二次谐波渐变复合腔回旋管的研究报道。因而,本文的创新之处在于,应用非线性理论首次对频率为94GHZ的3mm 波段二次谐波渐变结构复合腔回旋管中的多模注-波互作用进行了研究和计算模拟,为研制3mm 波段二次谐波渐变结构复合腔回旋管提供了可靠依据。具体工作如下: 1、首先,从耦合波理论出发推导出具有轴对称结构的波导开放式谐振腔中高频驻波场幅值纵向分布所满足的普适方程,并采用常用方法处理渐变复合腔的其他部分,并在适当的边界条件下对该方程进行了分析。 2、采用了自洽的非线性方法处理注-波互作用的非线性过程:在互作用过程中,既考虑场对电子注的作用,又考虑电子注对场的作用,并推导出了互作用的电子运动方程和场方程。 3、建立了渐变复合腔回旋管的自洽非线性理论模型,该模型考虑了电子和高频场的互作用。基于建立的理论模型,我们利用自主开发的高次谐波渐变复合腔回旋管多模注-波互作用自洽非线性模拟软件,对3mm 波段二次谐波渐变结构复合腔回旋管的注-波互作用进行了大量的自洽非线性数值模拟计算与研究,进而分析了电流、电压、磁场系数、速度比α、腔体尺寸等等因素对互作用效率的影响。另外,我们还研究了复合腔体中的场模式和互作用效率的关系。


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