太赫茲同軸腔高階模式回旋管振蕩器多模非線性研究.pdf

1、太赫茲波泛指頻率介于遠(yuǎn)紅外和微波頻段之間的電磁輻射，由于其在電磁波譜中所處的特殊位置，因而具備許多獨特性質(zhì)，在雷達(dá)、通信、材料處理、成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著太赫茲波應(yīng)用的日益廣泛，研制有效的太赫茲輻射源成為世界各國在該領(lǐng)域的研究熱點之一。基于電子回旋受激輻射原理發(fā)展起來的快波回旋器件——回旋管，被認(rèn)為是目前最能獲得高功率（上百千瓦及以上）輸出的太赫茲輻射源。
　　工作在太赫茲頻段的傳統(tǒng)圓柱腔回旋管工作在低階模式，橫向尺寸

2、較小，這給加工及散熱帶來一定困難，導(dǎo)致輸出功率受到限制。而采用同軸結(jié)構(gòu)的回旋管諧振腔，由于其特殊結(jié)構(gòu)可以抑制高階模式競爭，進(jìn)而可以增大其腔體橫向尺寸，從而可以獲得更大的功率輸出。
　　目前，關(guān)于同軸腔回旋管的實驗研究，主要是為國際熱核聚變(ITER)提供高功率電磁輻射源，其頻率最高為170GHz，功率可達(dá)2.2MW。而對此結(jié)構(gòu)下更高頻率輻射的回旋管的研究，尚未見諸報道。
　　同軸腔回旋管要獲得高功率太赫茲波輸出，有兩個須得解

3、決的主要問題:一是要盡可能地增大腔體的橫向尺寸以利于加工和散熱，二是盡可能降低工作磁場以利于降低工程成本。本文旨在探索并用非線性方法研究基于同軸結(jié)構(gòu)回旋管原理，采用高階模式高次諧波，在較低工作磁場條件下實現(xiàn)單模高功率太赫茲波輸出的可能性。
　　本文的編排如下:
　　第一章詳細(xì)介紹了太赫茲輻射源（尤其是基于電子回旋脈塞機(jī)理）的研究現(xiàn)狀以及存在的主要問題，進(jìn)而給出本文的研究內(nèi)容以及意義所在。
　　第二章建立了同軸腔回旋管振

4、蕩器多模起振模型。首先建立了同軸腔體中各個模式的冷腔體分析模型，并利用FORTRAN語言編制了相應(yīng)程序，可在給定腔體結(jié)構(gòu)下計算出相應(yīng)模式的諧振頻率，繞射因子以及冷腔體場分布;然后給出了多個模式在冷腔場分布下的起振模型，推導(dǎo)了起振過程中開槽深度較淺情況下各模式在外壁和內(nèi)導(dǎo)體上的歐姆損耗的近似表達(dá)式，并提出了相應(yīng)的數(shù)值計算方法，進(jìn)而編寫了考慮模式競爭和歐姆損耗的多模起振程序。
　　第三章利用卡爾斯魯厄研究中心(KIT)開展的TE34,

5、19模式基次諧波、工作頻率0.17THz同軸回旋管實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計算，模擬了多模起振過程，所得結(jié)果與實驗報導(dǎo)較為吻合，驗證了本文多模起振模型及所編程序的可靠性。
　　第四章詳細(xì)設(shè)計研究了一種工作在高階模式TE42,22、工作頻率為0.22THz的一種新型的同軸腔回旋管振蕩器。首先確定了其腔體參數(shù)和競爭模式，進(jìn)而研究內(nèi)導(dǎo)體開槽以及取負(fù)坡度對于抑制模式競爭的影響。數(shù)值分析表明，內(nèi)導(dǎo)體合適的開槽以及適當(dāng)?shù)钠露冗x擇不僅可以稀化模譜，還可

6、以降低競爭模式的繞射因子，從而提高其起振電流。在優(yōu)化后的電子束導(dǎo)引中心半徑下，通過對考慮不同旋轉(zhuǎn)方向模式的多模起振過程的模擬，表明所設(shè)計器件可以在65kV～75kV的電壓范圍內(nèi)，穩(wěn)定地工作在單一模式下，最大輸出功率可達(dá)0.8MW，其腔體損耗小于腔體壁所能承受的最大值。
　　第五章研究設(shè)計了一種超高階模式高次諧波（TE43,4三次諧波）工作頻率為0.34THz、功率輸出上百千瓦的同軸腔回旋管振蕩器。在三次諧波起振過程的研究中發(fā)現(xiàn)，由