太赫兹频段扩展互作用振荡器研究

论文摘要

太赫兹波是介于远红外与毫米波之间的一种电磁辐射，有非常重要的学术和应用价值。本论文研究了一种太赫兹波扩展互作用振荡器（EIO）辐射源，进行了详细地理论研究和模拟研究以及实验研究，取得了令人满意的结果。本论文的主要工作和创新之处：一、提出一种适合于太赫兹波段的新型慢波结构——矩形重入耦合腔，作为太赫兹EIO的慢波谐振系统。二、在理论上详细研究了该慢波系统的特性。分别采用导体微扰原理和脊波导的等效电路参数，研究了矩形重入谐振腔的频率和电路参数。接着采用等效电路模型研究矩形重入耦合腔慢波系统的色散特性。同时选择0．12THz和0．225THz两个频段，进行了相应的计算。三、太赫兹波EIO的注-波互作用理论研究。在小信号的情况下，详细推导了电子注在各个间隙和漂移区中的运动方程、效率、电子归一化电导和起振电流等。利用大信号的电子圆盘模型，推导了各个电子圆盘在各个间隙和漂移区中的工作方程和在交界处的衔接方程。同时，采用MATLAB编制相应程序，在太赫兹频段中详细计算和讨论了以上这些参数，并确定了最佳工作距离。四、通过理论研究确定的结构尺寸，分别采用CST和MAGIC电磁模拟软件对慢波系统的场分布、模式、色散特性进行了模拟研究，计算了耦合阻抗和特征阻抗。对特定结构的色散特性，理论结果和模拟结果取得了很好的一致，表明理论研究所采取的模型和参数是准确的。然后，采用MAGIC粒子模拟软件对特定系统下的EIO进行了粒子模拟，对于圆形电子通道0．12THz、0．225THz和矩形电子通道0．215THz EIO，输出峰值功率分别为512W、44W和200W，研究表明EIO具有很宽的工作电压。五、结合国内的加工技术，尝试加工了0．11THz和0．22THz的慢波谐振系统。采取验证性实验方案，从8mm波段入手研制EIO整管，选择折叠波导作为慢波系统，以熟悉工艺和积累经验为目的，为今后的太赫兹EIO的研制奠定基础。设计了整管结构，采用圆柱状平板电子枪、线圈型脉冲磁场，进行了相应的整管实验研究，测试了阴极和电子枪性能测试、输出功率和频率，取得了初步的结果。这些实验研究获得了EIO工作的直观经验，为下一步进行太赫兹EIO的实验研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 THz波概述
• 1.2.1 THz波的特点
• 1.2.2 THz波的应用领域
• 1.2.3 国内外太赫兹科学技术的的研究现状
• 1.3 THz波辐射源
• 1.4 论文的目的和意义
• 1.5 整个学位论文的组织
• 第二章 矩形重入耦合腔太赫兹EIO的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 EIO的工作原理及其发展
• 2.3 矩形重入耦合腔高频特性的研究
• 2.3.1 矩形重入谐振腔的高频特性研究
• 2.3.2 矩形重入耦合腔慢波系统的等效电路和色散特性研究
• 2.4 太赫兹EIO注-波互作用研究
• 2.4.1 太赫兹EIO运动学理论分析
• 2.4.2 太赫兹EIO大信号分析
• 2.4.3 太赫兹EIO起振电流计算
• 2.5 小结
• 第三章 矩形重入耦合腔太赫兹EIO的高频特性模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 CST冷腔模拟研究
• 3.2.1 EIO慢波系统的色散特性模拟
• 3.2.2 EIO慢波系统的耦合阻抗和特征阻抗研究
• 3.3 MAGIC冷腔模拟研究
• 3.3.1 EIO慢波系统的色散特性模拟
• 3.3.2 EIO慢波系统的场分布和特征阻抗模拟
• 3.3.3 0.215THz矩形电子通道EIO的冷腔模拟研究
• 3.4 理论研究与模拟研究结果的比较
• 3.5 小结
• 第四章 矩形重入耦合腔太赫兹EIO的粒子模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 结构参数和模拟条件的确定
• 4.3 粒子模拟结果
• 4.3.1 0.12THz EIO的粒子模拟
• 4.3.2 0.225THz EIO的粒子模拟
• 4.3.3 0.215THz矩形电子通道EIO的粒子模拟
• 4.4 小结
• 第五章 EIO初步实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 微细加工技术介绍
• 5.3 太赫兹EIO慢波系统的尝试性加工
• 5.4 CST电磁模拟研究
• 5.4.1 周期结构设计和模拟
• 5.4.2 输出渐变波导设计和模拟
• 5.5 MAGIC模拟研究
• 5.5.1 冷腔模拟
• 5.5.2 电子枪设计和模拟研究
• 5.5.3 注-波互作用系统和整管粒子模拟研究
• 5.6 冷测
• 5.6.1 冷测所采用的结构
• 5.6.2 冷测原理及测量结果
• 5.6.3 模拟研究以及与实验研究的比较
• 5.7 整管结构及整管实验
• 5.7.1 整管结构
• 5.7.2 阴极测试实验研究
• 5.7.3 整管实验
• 5.8 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果