周期束团驱动的毫米波及THz源的研究

论文摘要

由于毫米波及THz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THz波能否被利用的核心。在毫米波及THz波段，基于光栅结构的真空电子器件如BWO、Orotron、Smith-Purcell（SP）辐射源等器件，既可以发展成为高功率的源，也可以发展成为紧凑、小功率源，因而受到广泛的关注。随着光阴极注入器及高性能射频加速器技术的发展，利用周期性的群聚束团产生相干辐射引起了人们的广泛兴趣。这一方面的研究已成为国内外THz源开发研究的热点。基于以上原因，本论文详细探讨了周期束团产生的相干毫米波及THz波的特性及相关技术。其主要工作如下：1．深入分析了电子束团作用于光栅的辐射特性。理论分析表明SP辐射密度因子、辐射能量角分布与光栅及电子参量密切相关；数值计算的结果表明，合理地选取光栅及电子束团参量，可以获得THz波段的相干辐射。2．采用粒子模拟研究了周期电子束团产生的THz波段SP辐射（THz-SP），并与连续电子注产生的SP辐射进行了比较。结果表明，采用周期束团更有利于获得高性能的相干SP辐射。因此我们对于发展基于周期束团的相干SP辐射源很感兴趣。3．提出了利用两段高频结构获得相干SP辐射的新设想。第一段基于Cherenkov机制使连续电子注形成群聚束团，第二段利用SP辐射机理获得相干辐射。研究结果表明采用这种两段结构可以使连续电子注产生有效的预群聚，从而获得良好的相干SP辐射。这一方案不需要使用RF加速器来产生周期束团，降低了源的成本。4．深入研究了具有同轴波纹渐变反射器的分段式8毫米相对论绕射辐射振荡器（Relativistic diffraction generator，RDG）。实验研究表明：采用分段式结构加同轴波纹渐变反射器能有效提高器件的输出功率，优化磁场可使器件工作在易于绕射输出的TE11模，且输出功率也达到最大。实验结果与粒子模拟结果趋势基本一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 毫米波及THz波SP辐射源研究进展
• 1.3 相对论毫米波段Cherenkov辐射器件研究进展
• 1.4 基于周期束团的THz源研究进展
• 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 电子束团驱动周期光栅的SP辐射基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 物理模型
• 2.3 运动点电荷产生的入射场
• 2.4 电子与光栅作用产生的反射场
• 2.5 SP辐射公式的导出及讨论
• 2.5.1 SP辐射公式的导出
• 2.5.2 SP辐射公式的讨论
• 2.6 SP辐射能量角分布与辐射密度因子
• 2.6.1 单个电子能量角分布
• n|²的定义'>2.6.2 辐射密度因子|R_n|²的定义
• 2.6.3 电子束团能量角分布
• 2.7 求解反射场的几种数值计算方法
• 2.7.1 积分方程法介绍
• 2.7.1.1 格林函数辅助求解
• 2.7.1.2 （?）·▽Φ与ψ计算
• 2.7.2 利用积分方程法求解辐射密度因子
• 2.7.2.1 积分方程法求解一般描述
• 2.7.2.2 离散的傅立叶变换求解积分方程
• 2.7.2.3 三次样条插值求解积分方程
• 2.7.3 利用场匹配法求解矩形光栅反射场
• 2.8 本章小结
• 第三章 电子束团驱动的THz-SP辐射特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型
• 3.3 数值程序的编制
• 3.4 SP辐射密度因子分析
• 3.4.1 电子能量与光栅类型对SP辐射密度因子的影响
• 3.4.2 光栅参数的变化对SP辐射密度因子的影响
• 3.5 SP辐射能量角分布分析
• 3.5.1 电子能量与光栅类型对辐射能量角分布的影响
• 3.5.2 工作于THz波段的光栅参数优化
• 3.5.3 群聚束团参量改变对辐射特性的影响
• 3.5.3.1 束团尺度变化对辐射能量角分布的影响
• 3.5.3.2 束团形状与束团中心距离光栅高度对辐射能量角分布的影响
• 3.5.4 周期束团辐射能量角分布
• 3.5.5 周期电子束团与单个电子束团产生THz-SP辐射的特点
• 3.6 本章小结
• 第四章 周期束团与连续电子注驱动的THz-SP辐射模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 周期束团驱动的SP辐射研究
• 4.2.1 周期束团模拟模型
• 4.2.2 周期电子束团驱动的THz-SP辐射模拟结果及分析
• 4.3 利用连续电子注获得相干THz辐射
• 4.3.1 理论基础
• 4.3.2 连续电子注模拟模型
• 4.3.3 模拟结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 两段高频结构的THz-SP辐射研究
• 5.1 引言
• 5.2 物理模型
• 5.3 工作在放大器状态下粒子模拟研究
• 5.3.1 放大器状态下模拟模型
• 5.3.2 模拟结果
• 5.3.3 工作参数的变化对模拟结果的影响
• 5.3.3.1 第二段光栅周期的变化对结果的影响
• 5.3.3.2 输入信号功率大小对模拟结果的影响
• 5.4 工作在振荡器状态下的粒子模拟研究
• 5.4.1 振荡器状态下模拟模型
• 5.4.2 模拟结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 具有同轴波纹渐变反射器的分段式8毫米RDG研究
• 6.1 引言
• 6.2 物理模型
• 6.3 具有同轴波纹渐变反射器的RDG模拟研究
• 6.3.1 反射器参数的模拟计算
• 6.3.2 粒子模拟模型
• 6.3.3 漂移段长度对器件性能的影响
• 6.3.4 同轴波纹渐变反射器位置对器件性能的影响
• 6.3.5 几种结构的RDG模拟结果对比分析
• 6.3.6 模拟研究小结
• 6.4 具有同轴波纹渐变反射器分段式和单段结构RDG的实验研究
• 6.4.1 实验系统
• 6.4.2 器件的高频系统及同轴波纹渐变反射器
• 6.4.3 脉冲磁场系统
• 6.4.4 信号检测系统
• 6.5 实验结果及分析
• 6.5.1 束流传输实验
• 6.5.2 辐射模式测试
• 6.5.2.1 辐射模式测试方法
• 6.5.2.2 脉冲磁场为2.6Tesla辐射模式测试
• 6.5.2.3 脉冲磁场的改变对辐射模式的影响
• 6.5.3 辐射信号频率测试
• 6.5.4 辐射功率分布测试
• 6.5.4.1 辐射功率测试方法
• 01的辐射功率'>6.5.4.2 主模为TM₀₁的辐射功率
• 6.5.4.3 外加引导磁场的改变对辐射功率的影响
• 6.5.4.4 实验小结
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果