三次諧波太赫茲回旋管的研究.pdf

1、太赫茲輻射（THz，1 THz=1012Hz）或稱(chēng)THz波、亞毫米波及 T-射線，是0.1~10THz的電磁輻射。其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為3mm~30μm，對(duì)應(yīng)的能量范圍為0.04～4kJ/mol。過(guò)去的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，由于缺乏有效的產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波輻射方法，導(dǎo)致太赫茲頻段是電磁波譜中待開(kāi)發(fā)的一段空白頻段。近年來(lái)，隨著太赫茲?rùn)z測(cè)、應(yīng)用等技術(shù)的進(jìn)步，太赫茲技術(shù)得到了前所未有的新發(fā)展。
　　太赫茲技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)太赫茲源的發(fā)展。在THz

2、技術(shù)研究中，THz源是最核心的技術(shù)。研究表明，回旋管是目前輸出功率最大的太赫茲輻射源器件，是基于電子回旋受激輻射原理發(fā)展起來(lái)的一種快波器件。一方面，實(shí)現(xiàn)電子回旋受激輻射，原理上講不一定需要高頻互作用結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)有高頻互作用結(jié)構(gòu)時(shí)，電子回旋受激輻射的不穩(wěn)定機(jī)理將大大增強(qiáng)，而且可以有效引出能量，所以設(shè)計(jì)高頻互作用結(jié)構(gòu)對(duì)于太赫茲回旋管是非常重要的，受到了多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視；另一方面，太赫茲回旋管輸出的功率是從激勵(lì)源電子注獲得的，為了產(chǎn)生符合設(shè)

3、計(jì)要求的電子注，研究電子光學(xué)系統(tǒng)就必不可少，所以研究產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)要求電子注的電子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于回旋管也是非常重要的。電子光學(xué)系統(tǒng)作為回旋管關(guān)鍵的組成部分，也同樣受到了發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。因此，基于太赫茲在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)中所具有的重要戰(zhàn)略地位，我國(guó)政府加大了對(duì)太赫茲技術(shù)研究的投入。本學(xué)位論文就是在相關(guān)國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)資助下完成的。
　　本論文主要的研究方向和所得成果如下：
　　1.本文首先對(duì)回旋管的線性理論

4、與非線性理論、電子光學(xué)基本理論進(jìn)行了介紹，并且從數(shù)值計(jì)算方面對(duì)電子光學(xué)的基本理論進(jìn)行了研究。因此，對(duì)設(shè)計(jì)中所涉及到的參數(shù)有了初步認(rèn)識(shí)與了解。
　　2.利用回旋管的計(jì)算程序與粒子模擬軟件MAGIC對(duì)0.6 THz三次諧波回旋管與所需要的電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)利用MATLAB對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬。在0.6 THz三次諧波回旋管設(shè)計(jì)中，詳細(xì)研究討論了因采用高次諧波工作模式帶來(lái)的問(wèn)題：模式競(jìng)爭(zhēng)；磁場(chǎng)、工作電壓與注波互作用效率關(guān)系的問(wèn)題。

5、在0.6 THz三次諧波大回旋電子槍的設(shè)計(jì)中，詳細(xì)研究討論了陰極區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)、發(fā)射帶半徑、發(fā)射電流密度、會(huì)切磁場(chǎng)的大小以及會(huì)切磁場(chǎng)的位置對(duì)電子槍性能的影響。最后，利用回旋管的計(jì)算程序與粒子模擬軟件 MAGIC對(duì)電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的模擬與計(jì)算，通過(guò)對(duì)研究結(jié)果的分析，能夠更加合理地選擇各項(xiàng)參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
　　研究中發(fā)現(xiàn)：
　　1.采用高次諧波工作模式，可以降低工作磁場(chǎng)，但模式競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。我們可以從起振電流公式計(jì)算得

6、到每個(gè)模式的起振電流隨磁場(chǎng)和電壓變化的關(guān)系圖，根據(jù)關(guān)系圖選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)就可以達(dá)到模式選擇的目的，從而能夠較好的抑制模式競(jìng)爭(zhēng)。
　　2.從磁場(chǎng)、電壓與注波互作用效率的關(guān)系圖來(lái)看，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，選擇恰當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)與電壓值，可以有效地提高注波互作用效率。
　　3.在討論陰極區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)、發(fā)射帶半徑、發(fā)射電流密度、會(huì)切磁場(chǎng)的大小以及會(huì)切磁場(chǎng)的位置對(duì)電子槍性能影響的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)會(huì)切磁場(chǎng)的大小以及會(huì)切磁場(chǎng)的位置對(duì)電子槍性能影響最大。所以，