220GHz回旋管模式竞争理论的研究和数值模拟

论文摘要

回旋管是一类基于电子回旋谐振受激辐射机理的快波器件,工作频率范围宽,特别是在毫米和亚毫米波段,能产生高脉冲峰值功率与连续波功率。对于等离子体加热、先进加速器、雷达、通讯及电子对抗、微波武器等领域有很大应用价值,受到了世界各国的高度重视。近年来THz技术是国际学术界的研究热点,其中THz辐射源是研究的重点之一。由于THz波段处于毫米波与红外线之间,THz辐射的产生困难很大,目前THz源的输出功率大多在毫瓦数量级,对于雷达、远距离探测等重要应用,需要瓦级以上的大功率THz辐射源,回旋管是目前唯一可在THz波段实现大功率输出的器件,其输出功率可达千瓦量级。回旋管要达到大功率输出,必须增大腔体的半径以增大其功率容量,这时就必须采用高次模式作为工作模式。但工作模式越高,模式谱线越密,回旋管中可能存在的模式就越多,即存在多个模式与工作模式竞争,这样将影响器件的正常工作。因而这类回旋管的设计必须考虑如何克服模式竞争,保证稳定的单模工作。本文分别采用了三种不同的多模非线性理论对工作频率在220GHz的回旋管进行了模式竞争理论的研究和数值模拟,为回旋管的设计工作提供了重要依据。得出了回旋管的三种平衡状态:一是工作模式的建立抑制了竞争模式,达到单一模式的稳态;二是模式竞争抑制了工作模式,只存在竞争模式;三是腔内同时存在工作模式和竞争模式。首先,建立了采用电子运动方程、高频场方程及能量平衡方程相结合的多模非线性理论模型,模拟了工作于TE03模式的220GHz回旋管中的各个可能模式的输出功率随时间的变化关系,从而分析其中的模式竞争问题。其次,建立了与时间相关的多模非线性理论模型,推导出了多模式下的电子运动方程,归一化振幅方程以及场相位方程,并用C++语言开发了相应的多模式计算程序。采用编制的程序分别分析了工作于TE03模式的220GHz回旋管和工作于TE22,6模式的220GHz回旋管中的模式竞争问题。对TE03模式的回旋管与上一章中的计算结果进行了对比。由于TE22,6模式为高次模式,模式竞争问题比较严重,因此本文着重分析了回旋管中心半径和磁场对模式竞争的影响。再次,建立了与时间和空间相关的多模自洽非线性理论模型,推导出多模电子运动方程和场幅值方程,同时建立了单一模式自洽非线性模型。分析了TE22,6模式的220GHz回旋管中的模式竞争问题,并且与单一模式自洽非线性理论计算结果进行了对比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电子回旋脉塞
• 1.2 回旋管的结构与工作机理
• 1.3 回旋管理论
• 1.4 学位论文的工作与贡献
• 第二章 基于能量平衡方程的回旋管模式竞争
• 2.1 电子运动方程
• 2.2 互作用场方程
• 2.3 单一模式效率及能量平衡方程
• 2.4 数值计算结果与分析
• 2.4.1 起振电流
• 2.4.2 归一化处理
• 2.4.3 数值模拟
• 第三章 时间相关的回旋管多模非线性理论
• 3.1 电子运动方程
• 3.2 归一化振幅和相位方程
• 3.3 单一模式非自洽非线性理论
• 3.4 数值模拟与结果分析
• 3.4.1 基于冷腔场分布的起振电流
• 3.4.2 起振电流的计算
• 3.4.3 多模注波互作用软件设计流程
• 3.4.4 单一模式计算
• 3.4.5 多模非线性计算
• 3.5 小结
• 第四章 时间和空间相关的回旋管多模自洽非线性理论
• 4.1 多模自洽非线性模型
• 4.2 数值计算与结果分析
• 4.2.1 单一模式自洽计算
• 4.2.2 多模自洽计算
• 4.3 小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果