静电场加载同轴结构小轨道相对论电子微波激射器研究

摘要

太赫兹电磁波在电磁频谱中占有非常特殊的位置，表现出很多不同于其它频段电磁辐射的优越特性，在许多领域都有着重要的学术价值和广泛的应用前景。目前，对太赫兹科学技术的研究已引起国际学术界的普遍关注和极大兴趣，成为国际高科技研究最前沿的领域之一。
　　 长期以来，缺乏有效的太赫兹电磁波辐射源成为限制太赫兹科学技术发展和应用的一个重要原因。探索产生太赫兹电磁波辐射的新机制和新方法就成了太赫兹科学技术领域的研究热点之一。自由电子激光(Free Electron Laser，缩写FEL)和基于电子回旋脉塞(Electron Cyclotron Maser，缩写ECM)工作原理的回旋管器件，被公认为是能够实现太赫兹波输出的有效器件。其中“Maser”一词，原是Microwave Amplification byStimulated Emission of Radiation的缩写，其基本涵义是“受激辐射放大器”，所以maser国内通行的中文译法，音译为“脉塞”或“麦塞”，意译为“微波激射器”或“激射器”。
　　 本文研究一种加载静电压的同轴结构小轨道相对论电子回旋脉塞，以期获得高功率太赫兹自由电子辐射源的新知识，探索出一种具有结构横向电尺寸大、束-波互作用强、单色性好、工程成本低、结构紧凑等优点的新型千瓦级高功率太赫兹电磁波辐射源。本文所做的主要工作如下：
　　 (1)通过对大量相关文献的总结提炼，较为全面地回顾了国内、外静电场在电子回旋脉塞和自由电子激光中的应用和分析，进而提出了本文的研究思路。
　　 (2)建立了同轴结构静电场系统电子束-电磁波耦合互作用的基本模型，首先推导了同轴波导中TE模式的场表达式，然后在考虑了外加静电压的前提下得出了相对论性电子的运动方程，进而推导得到表征束-波能量交换的耦合方程，建立了加载静电压的同轴波导回旋脉塞的自洽非线性理论。对电子束-电磁波相互作用的过程进行了理论分析，并用FORTRAN语言编制了相应的程序。
　　 (3)建立了同轴结构静电场加载小轨道相对论电子的回旋自谐振脉塞(CyclotronAutoresonance Maser，缩写CARM)放大器的非线性模拟模型，具体数值模拟了工作频率为0.14THz的情况，结果表明，加载静电压后，器件的饱和功率有了明显的提高。通过调整参数，与不加静电压(V0=0)时相比，饱和功率可增加22％，最大效率也从10.2％增加到了12.5％。文中还对一些主要参数进行了优化，包括外加静电压、横向纵向速率比、电子束导引中心半径的优化，并考察了电子束速度离散对输出功率的影响。
　　 (4)对同轴结构静电场加载小轨道相对论电子的回旋管(Gyrotron)放大器建立了理论模型，并对一种工作频率为0.14THz的情况进行了非线性模拟，然后对一些主要参数进行了调试和优化，包括外加静电压、横向纵向速率比、电子束导引中心半径的优化，并考察了电子束速度离散对输出功率的影响。结果发现：一是与不加静电压(V0=0)时相比可将回旋管的饱和功率提高18.6％；二是电子束初始横向速度离散的负面影响被减弱。
　　 (5)用电磁仿真软件CST对波纹壁边界的同轴结构静电系统进行了非线性模拟，得到了该系统中的场分布，并分析了波纹开槽的深度对场分布的影响。进一步将该系统用于调制相对论性电子的运动，通过跟踪电子的运动轨迹，发现该系统可以充当静电摇摆器，取代传统的静磁摇摆器。