双电子注毫米波及亚毫米波辐射源的研究

论文摘要

由于毫米波及亚毫米波在电磁波谱中的独特优势,使其在军事和民用两方面都存在广泛的应用前景,而源是毫米波及亚毫米波能否被利用的核心。在毫米波及亚毫米波波段,自由电子激光（Free-electron lasers,简称FEL）是一种重要的大功率、频率可调的辐射源;另一方面,基于光栅结构的真空电子器件如BWO、Orotron、SP辐射源等器件,既可以发展成为紧凑、小功率的辐射源,也可以发展成为高功率的辐射源,因而受到广泛的关注。基于这种原因,本论文探讨了利用双流不稳定性的机制改善这些器件的性能,对双电子注器件中注波互作用的特性进行了理论分析、粒子模拟和实验三个方面的深入研究,结果表明引入双电子注可明显改善这些器件的性能。本文的主要工作如下:（1）提出了具有引导磁场的双电子注自由电子激光（FEL）。通过线性流体理论推导了具有引导磁场双电子注FEL的色散方程,并且进行了求解。结果表明:引入轴向磁场,不仅可以提高双电子注注波互作用的线性增长率,而且可以增加带宽;双电注处于最佳的速度差和电流比时,注波互作用的增长率得到了较大的提高。（2）研究了双电子注平板封闭光栅Cherenkov器件。利用流体理论和场匹配的方法,导出了双电子注情况下的色散方程。理论分析表明:由于存在双流不稳定性,使得双电子注器件的线性增长率较单电子注有明显的增加;粒子模拟表明,双电子注处于最佳电压比和电流比时,双电子注器件的辐射功率得到了显著的提高。（3）创新性地引入了双流不稳定性机制改善平板开放光栅SP器件的辐射性能。通过色散方程的求解和分析,表明在注波互作用的同步点,由于双流不稳定性,双电子注系统的线性增长率得到了明显的提高。粒子模拟表明:采用双电子注不仅可以提高SP辐射的功率、缩短饱和时间,而且可以降低起振的阈值电流。（4）研究了双电子注圆柱光栅毫米波辐射源。利用流体理论和场匹配的方法导出了分立双电子注激励圆柱光栅的色散方程,并进行了求解。结果表明:双流不稳定性改进了线性增长率。粒子模拟研究表明:双电子注系统较之单电子注系统可以获得更大的辐射功率;同时研究了双电子注之间距离对器件性能的影响,模拟发现双电子注之间的距离增大,双流不稳定性减弱,导致辐射功率快速衰减。（5）在国内首次进行了相对论双电子注绕射辐射振荡器（RDG）的实验。氖管阵列屏测试出毫米波辐射主要是对称的TM模式,利用色散延迟线测试到频率为30.27GHz;测试到双电子注RDG的辐射功率为189.69MW,而单电子注RDG的辐射功率为139.44MW。实验结果表明:采用双电子注有利于提高器件的辐射功率和增加信号脉冲宽度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 毫米波及亚毫米波的特点及其应用
• 1.3 毫米波及亚毫米波辐射源的研究进展
• 1.3.1 半导体辐射源研究进展
• 1.3.2 基于光学和光子学辐射源的研究进展
• 1.3.3 基于真空电子学辐射源的研究进展
• 1.3.3.1 大功率辐射源
• 1.3.3.2 低功率辐射源
• 1.4 双电子注器件的研究及其进展
• 1.4.1 双流不稳定性
• 1.4.2 双电子注器件的研究进展
• 1.5 本论文的主要工作与创新
• 1.6 整个学位论文的组织
• 第二章 具有引导磁场的双电子注自由电子激光
• 2.1 引言
• 2.2 物理模型
• 2.3 色散方程
• 2.3.1 主电子注的扰动密度及扰动速度
• 2.3.2 扰动电子注的扰动密度及扰动速度
• 2.3.3 色散方程
• 2.4 数值求解
• 2.5 小结
• 第三章 双电子注平板封闭光栅辐射源的研究
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型
• 3.3 双电子注作用双边光栅器件的色散方程
• 3.3.1 双电子注的物理模型
• 3.3.2 各区域电场和磁场的表达式
• 3.3.3 各区域的边界条件
• 3.3.4 色散方程
• 3.4 双电子注作用单边光栅器件的色散方程
• 3.5 数值求解
• 3.5.1 双边光栅的数值求解
• 3.5.1.1 “冷”光栅偶模的色散特性
• 3.5.1.2 “冷”光栅奇模的色散特性
• 3.5.1.3 双电子注作用双光栅的“热”色散特性
• 3.5.2 单边光栅的数值求解
• 3.5.2.1 “冷”光栅的色散特性
• 3.5.2.2 双电子注作用单边光栅的“热”色散特性
• 3.6 双电子注双光栅Cherenkov器件的粒子模拟
• 3.6.1 模拟结构
• 3.6.2 模拟参数
• 3.6.3 模拟结果与讨论
• 3.7 小结
• 第四章 双电子注平板开放矩形光栅史密斯-帕塞尔辐射源的研究
• 4.1 引言
• 4.2 双电子注平板矩形光栅器件的色散特性
• 4.2.1 双电子注的物理模型
• 4.2.2 光栅各个区域的场
• 4.2.3 色散方程
• 4.3 双电子注平板矩形光栅SP器件的色散特性
• 4.3.1 毫米波段双电子注SP器件的色散特性
• 4.3.2 THz波段双电子注SP器件的色散特性
• 4.4 双电子注平板开放光栅SP器件的粒子模拟
• 4.4.1 毫米波段双电子注SP辐射特性研究
• 4.4.1.1 模拟参数描述
• 4.4.1.2 模拟结构描述
• 4.4.1.3 模拟结果与讨论
• 4.4.2 THz波段双电子注SP辐射特性研究
• 4.4.2.1 平行于平面金属板运动的双电子注中粒子动量在相空间的分布
• 4.4.2.2 THz波段双电子注SP辐射的粒子模拟
• 4.5 小结
• 第五章 双电子注圆柱光栅辐射源的研究
• 5.1 引言
• 5.2 双电子注作用圆柱光栅器件的色散方程
• 5.2.1 双电子注的物理模型
• 5.2.2 各个区域场的表达式
• 5.2.3 场在边界的匹配条件
• 5.2.4 色散方程
• 5.3 耦合阻抗
• 5.4 数值求解
• 5.4.1 耦合阻抗的数值求解
• 5.4.2 低电压双电子注圆柱光栅器件色散特性的数值求解
• 5.4.2.1 “冷”光栅的色散特性
• 5.4.2.2 低电压双电子注圆柱光栅器件的“热”色散特性
• 5.4.3 高电压双电子注圆柱光栅器件色散特性的数值求解
• 5.5 低电压双电子注圆柱光栅辐射源的粒子模拟
• 5.5.1 模拟结构描述
• 5.5.2 模拟参数描述
• 5.5.3 模拟结果与分析
• 5.6 小结
• 第六章 相对论双电子注绕射辐射振荡器的实验和粒子模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 单电子注和双电子注RDG的实验研究
• 6.2.1 实验系统
• 6.2.1.1 LIA-2006型感应加速器
• 6.2.1.2 器件的高频装置
• 6.2.1.3 脉冲磁场系统
• 6.2.1.4 信号检测系统
• 6.2.2 实验结果及分析
• 6.2.2.1 束流测试
• 6.2.2.2 辐射模式测试
• 6.2.2.3 辐射信号频率测试
• 6.2.2.4 辐射功率分布测试
• 6.3 粒子模拟
• 6.3.1 模拟结构
• 6.3.2 模拟结果分析
• 6.4 单电子注与双电子注RDG的模拟比较
• 6.5 小结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果