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高功率毫米波Cherenkov器件研究

王浩英  
【摘要】:高功率毫米波器件是高功率微波技术的一个重要方向,而Cherenkov器件是其中的一个重要分支,是目前国内外研究的热点。本文在国家自然科学基金及相关项目的资助下,对Cherenkov器件进行了比较深入、全面的研究,包括理论分析、粒子模拟和实验三个方面,取得了一批有价值的研究成果。 首先利用场分析方法,采用线性理论,建立了通用的线性理论模型,编写了数值计算程序,对通用理论的有效性进行了讨论,并成功地用通用理论计算分析了三种典型的具有不同慢波结构形状的Cherenkov器件。该理论适用于分析具有任意周期性空心圆柱边界形状的Cherenkov器件中任意模式与相对论环形电子注的互作用,该理论拓展了前人的研究成果,对于高功率微波器件的发展具有现实的需求和意义。 首次成功地将Gover提出的FEL理论推广到Cherenkov器件,给出了慢波结中任意模式与电子注互作用的小信号增益表达式,这是一个简洁而广泛的理论,通过将耦合系数κ作扩展,统一增益表达式可以用来描述各种形状的电子注与各种器件中任意模式的互作用,我们成功地用此理论分析了两种具有不同慢波结构形状的Cherenkov器件。 在国内首次采用MAGIC程序对具有大口径、浅褶皱和短周期分段式慢波系统的毫米波相对论Cherenkov器件进行了粒子模拟研究。通过粒子模拟,观察到了电子注与电磁波相互作用的清晰的物理过程,研究了器件产生微波频率和功率随结构参数、束流参数和导引磁场的变化关系。模拟结果显示:相比单段慢波结构,分段式慢波结构中束波互作用产生的微波功率高,频谱质量好,具有分段式慢波结构的器件在束能550keV,束流5kA,半径1.45-1.65cm的环形电子注驱动下,微波输出功率可达1.2GW,工作模式为TM_(01)模。另外还模拟研究了结构参数、束流参数和磁场参数对输出功率和频率的影响,获得了一些对实验有指导意义的模拟结果。 在理论分析、PIC模拟的基础上,成功地进行了8毫米波段高功率Cherenkov器件的实验研究。高频结构使用了由漂移段隔开的两段慢波结构,慢波结构为


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