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，在雷達、通信、材料處理、成像等領域有著廣泛的應用前景。隨著太赫茲波應用的日益廣泛，研制有效的太赫茲輻射源成為世界各國在該領域的研究熱點之一?；陔娮踊匦芗ぽ椛湓戆l(fā)展起來的快波回旋器件——回旋管，被認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，導致輸出功率受到限制。而采用同軸結構的回旋管諧振腔，由于其特殊結構可以抑制高階模式競爭，進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2.2MW。而對此結構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構回旋管原理，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:
　　第一章詳細介紹了太赫茲輻射源（尤其是基于電子回旋脈塞機理）的研究現(xiàn)狀以及存在的主要問題，進而給出本文的研究內容以及意義所在。
　　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語言編制了相應程序，可在給定腔體結構下計算出相應模式的諧振頻率，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，推導了起振過程中開槽深度較淺情況下各模式在外壁和內導體上的歐姆損耗的近似表達式，并提出了相應的數(shù)值計算方法，進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)據進行數(shù)值計算，模擬了多模起振過程，所得結果與實驗報導較為吻合，驗證了本文多模起振模型及所編程序的可靠性。
　　第四章詳細設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，進而研究內導體開槽以及取負坡度對于抑制模式競爭的影響。數(shù)值分析表明，內導體合適的開槽以及適當?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)化后的電子束導引中心半徑下，通過對考慮不同旋轉方向模式的多模起振過程的模擬，表明所設計器件可以在65kV～75kV的電壓范圍內，穩(wěn)定地工作在單一模式下，最大輸出功率可達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