特殊三反射镜准光腔回旋管的研究

论文摘要

三反射镜准光腔是一种介于普通微波谐振腔与光学谐振腔之间的谐振系统,在发展新型电磁辐射源,尤其是基于真空电子学的高功率太赫兹辐射源方面可以发挥巨大的作用。本学位论文的研究目标是探索太赫兹波段大功率、高效率回旋管的新途径。准光腔与电子回旋脉塞不稳定性相结合是实现这一目标的一个重要方向。本论文的主要工作是:1.研究了一种特殊的三反射镜旋转对称准光学谐振系统,并对其进行了详细的理论推导。探讨了腔体中的场分布、谐振条件,用MATLAB分析了场随各参量变化的影响,同时也求得了腔体储能的表达式。2.基于回旋管的线性理论,运用Laplace变换和留数定理求反演的方法,在线性Vlasov-Maxwell方程组的框架下,建立了特殊三反射镜准光腔回旋管的动力学理论。导出了注一波互作用功率、频偏和起振电流的公式,并运用MATLAB进行了相应的数值运算。结果表明,这种回旋管工作于高次谐波状况下能有较高的互作用功率,具有工作于太赫兹波段的潜力。3.根据三反射镜准光腔中场分布的特点,设计了一个三反射镜准光腔腔体模型,并利用粒子模拟软件对腔体进行了冷腔计算机模拟。冷腔测试所得的腔体中的电磁场分布与用理论方法推导出的场分布对比,两者取得了很好的一致。4.利用设计好的腔体模型,引入回旋电子注,对腔体进行了热腔计算机模拟,在基波模式下,获得主频为107.25GHz,功率为47.7KW的输出波。在高次谐波工作模式下,获得主频为215.6GHz,功率为129.33KW的输出波。基波和二次谐波的场分布都是呈高斯分布,与冷腔测试结果取得了很好的一致。结果表明,这种准光腔回旋管工作在高次谐波工作模式下确实很有优势,从而验证了理论推导所得出的结论。因此,这种新型的准光腔回旋管在毫米亚毫米波段有很大的应用潜力,特别是在发展基于电子回旋脉塞机理上高功率太赫兹辐射源有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高功率微波源的及现状
• 1.2 电子回旋脉塞的物理机理
• 1.3 准光腔和准光腔回旋管
• 1.4 学位论文的工作
• 第二章 特殊三反射镜准光学谐振腔的研究
• 2.1 三反射镜准光学谐振系统的物理模型
• 2.2 三反射镜准光腔中的场分布
• 2.3 三反射镜准光腔的谐振条件和腔体储能
• 2.3.1 谐振条件
• 2.3.2 腔体储能
• 第三章 特殊三反射镜准光腔回旋管的动力学理论
• 3.1 回旋管的动力学理论
• 3.1.1 电子回旋脉塞动力学理论简介
• 3.1.2 场在电子回旋中心坐标系中的局部展开
• 3.1.3 电子回旋脉塞动力学理论
• 3.2 三反射镜准光腔中场的局部展开
• 3.3 腔体中线性Vlasov方程的解
• 3.4 注—波互作用功率
• 3.5 频偏、起振电流密度以及能量输出特性
• 3.5.1 频偏和起振电流密度
• 3.5.2 耦合方式及能量输出特性
• 3.6 数值计算
• 第四章 特殊三反射镜准光腔回旋管的粒子模拟
• 4.1 PIC（Patical-in-Cell）粒子模拟方法
• 4.1.1 PIC（particle-in-Cell）粒子模拟方法简介
• 4.1.1.1 基本思路
• 4.1.1.2 算法问题
• 4.1.2 等离子体粒子模拟中的基本概念和基本问题
• 4.1.2.1 粒子模拟的维数
• 4.1.2.2 步长
• 4.1.2.3 稳定性问题
• 4.1.2.4 模拟结果的诊断
• 4.2 三反射镜准光腔中场分布的模拟研究
• 4.2.1 三反射镜准光腔中的场分布
• 4.2.2 各观察位置的场分布
• 4.2.3 场功率
• 4.2.4 含输出结构的准光腔的场分布
• 4.3 三反射镜准光腔回旋管的模拟研究
• 4.3.1 准光模输出回旋管的仿真
• 4.3.1.1 工作在基波模式下的回旋管的仿真
• 4.3.1.2 工作在高次谐波模式下的回旋管的仿真
• 4.3.2 其他模拟结果
• 4.4 小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果