220GHz高阶模式回旋管的研究

论文摘要

利用电子束的回旋不稳定性和电子回旋谐振受激辐射的机理,发展出的毫米波和亚毫米波放大和振荡器件,统称回旋管。其中,回旋管振荡器是目前回旋管中一种最重要,也是最成熟的管种。从应用的角度说,回旋管振荡器一般可以分成两类:一类被用于热核聚变中等离子体加热,此种应用对管子的输出功率要求较高,达兆瓦级以上,所以此类振荡器一般采用模式次数较高且模式稳定性较好的高阶模式工作;另一类则是工业或技术上所用的中等功率(25~50kw)回旋管,一般采用低损耗圆电模或较低次模作为工作模式。回旋振荡器的设计在理论上有多种方案可供选择,如基波或高次谐波工作、低次或高次模式工作、单腔或复合腔互作用电路。不同的设计方案有不同的技术特点。低次模式基波工作回旋单腔管具有腔体结构简单、技术难度相对较低以及稳定性好等优点。但是,随着工作频率的提高,腔体横向尺寸亦明显减小,导致功率容量降低,采用高阶模式可以使工作波长增加,腔的尺寸增大,输出功率相应的提高。但是,当普通波导谐振腔工作于高阶模式时会带来严重模式竞争。本论文正是针对上述问题,以频率为220GHz的工作于高阶模式的回旋管为主要研究对象,在深入分析回旋管工作机理及注波互作用的基础上,对回旋管的设计和模式选择方面进行了深入的研究。主要内容为:1.根据回旋管的线性理论中研究在开放式谐振腔内场的纵向分布函数,起振电流。并采用线性模式选择理论确定工作模式以及抑制其他竞争模式。2.在回旋管的非自洽非线性理论和自洽非线性理论的基础上,编制了高阶模式缓变截面波导开放腔回旋管电子注与波的互作用自洽和非自洽非线性模拟程序,并对工作在220GHz缓变截面波导开放腔回旋管注波的互作用进行了大量的自洽与非自洽非线性数值模拟计算与研究。3.详细分析了腔体几何参数、电子引导中心半径、电子注速度零散、电子注偏心、速度比等参量对回旋管中的注波互作用过程和模式竞争状况的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电子回旋脉塞（ECRM）
• 1.2 回旋振荡管
• 1.2.1 回旋管振荡器的基本工作原理
• 1.2.2 回旋管振荡器的发展水平
• 1.3 回旋管理论
• 1.4 学位论文的工作与贡献
• 第二章 缓变谐振腔回旋管的线性理论与模拟
• 2.1 电子回旋脉塞及回旋管的动力学理论
• 2.1.1 以波导轴坐标系为基础的方法
• 2.1.2 以电子回旋中心坐标系为基础的方法
• 2.2 回旋脉塞的高频系统
• 2.2.1 回旋管的谐振腔设计
• 2.2.2 缓变截面波导开放式谐振腔
• 2.3 数值模拟与分析
• 2.3.1 注波耦合系数
• 2.3.2 腔体场分布对起振电流的影响
• 2.3.3 引导中心对起振电流的影响
• 2.4 小结
• 第三章 220GHz 回旋管的非自洽非线性理论与模拟
• 3.1 电子运动方程及计算模型
• 3.1.1 直角坐标下的分量形式
• 3.1.2 坐标变换
• 3.1.3 参量归一化
• 3.2 电场公式的推导
• 3.3 非自洽非线性数值模拟与分析
• 3.3.1 数值模拟软件流程
• 3.3.2 数值模拟
• 3.4 腔体结构与电子注对注波互作用的影响
• 3.5 小结
• 第四章 220GHz 回旋管的自洽非线性理论与模拟
• 4.1 自洽非线性理论及模拟
• 4.2 自洽多模理论及模拟
• 4.3 腔体结构与电子注对注波互作用的影响
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果