同轴型准光腔中线型电子注激励短毫米波的研究

摘要

为了得到更高频率和更大功率输出的短毫米波高功率辐射源.本文分析了基于Smith-Purcell效应的同轴型准光腔系统，研究该系统中的线型电子注与波的互作用过程及辐射机理，探索其激励短毫米波高功率输出的可能。
　　 所研究的新型Smith-Purcell互作用系统及其变态结构，此类系统是同轴型结构，可看成是在常规同轴导体基础上，改变其内外导体形状所得。改变内导体，在其外表面刻有周期性的凹槽，就形成了圆柱光栅；改变外导体形状，使其内表面成球面状，形成曲面镜，此时的结构称为闭合式同轴型准光腔，即双反射镜同轴型准光腔。把曲面镜顶腔部分去掉，就形成了开放式同轴型准光腔。此类互作用系统有着特殊的场分布，强场区域处于光栅表面附近，有利于提高互作用效率。由于改变槽截面形状可以改变高频场的分布，增强互作用处电磁波的场强，所以设计了三种槽截面形状的圆柱光栅，包括倒梯形槽截面、矩形槽截面和梯形槽截面。利用MAGIC软件进行注-波互作用的粒子模拟，分析在不同电子注参量和开放腔参数条件下，闭合式同轴腔和开放同轴腔中的互作用及输出特性。
　　 在上述结构的基础上进一步分析倒曲面镜同轴型准光腔的结构，即在同轴导体的外导体内表面刻周期性的凹槽，形成圆柱光栅；使内导体表面呈球面状，形成曲面镜，再去掉顶腔部分就形成开放式倒曲面镜同轴型准光腔结构。利用MAGIC软件对这种结构进行模拟计算和优化。对比开放式同轴腔结构和开放式倒曲面镜同轴腔结构的模拟结果，得出在倒梯形栅结构，角度输出口θ为36°，电子注电压为0.5MV，电流为3000A时，此开放式倒曲面镜同轴腔可以辐射158.46GHz的电磁波，其输出功率高达578MW；在相同电子注参量和开放腔参数下，开放式同轴型腔可以辐射76.6 GHz的电磁波，其输出功率仅有25MW。开放式倒曲面镜同轴型准光腔结构可能成为毫米波甚至THz波段辐射源的一个有潜力的高频系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 Smith-Purcell辐射源的发展概况

1.1.1研究的背景和意义

1.1.2国内外发展趋势

1.2 Smith-Purcell器件

1.3本论文的内容和主要工作

第二章开放式谐振腔的理论基础

2.1引言

2.2 Smith-Purcell辐射的理论分析

2.2.1电子注与金属光栅的作用机理

2.2.2电子注与波互作用关系

2.3准光学谐振腔

2.3.1双反射镜谐振腔的衍射理论

2.3.2一般稳定球面腔的理论分析

2.4开放式任意槽形圆柱光栅结构研究

第三章同轴型准光腔中线型电子注与波的互作用模拟

3.1引言

3.2同轴型准光腔结构描述

3.3三种槽截面圆柱光栅的尺寸

3.3.1倒梯形槽截面圆柱光栅的参数

3.3.2矩形槽截面圆柱光栅的参数

3.3.3梯形槽截面圆柱光栅的参数

3.4线型电子注和聚焦磁场参数

3.5闭合式同轴型准光腔结构中注-波互作用的模拟计算与分析

3.5.1倒梯形栅闭合式同轴腔的辐射输出分析

3.5.2矩形栅闭合式同轴腔的辐射输出分析

3.6开放式同轴型准光腔结构中注-波互作用的模拟计算与分析

3.6.1θ为零时开放式同轴腔中的互作用情况

3.6.2θ不为零时开放式同轴腔中的互作用情况

3.6.3讨论

3.7小结

第四章倒曲面镜同轴型准光腔中线型电子注与波的互作用模拟

4.1引言

4.2闭合式倒曲面镜同轴型准光腔

4.2.1闭合式倒曲面镜同轴型准光腔内的场分布

4.3开放式倒曲面镜同轴型准光腔

4.3.1开放式倒曲面镜同轴型准光腔内的场分布

4.3.2倒梯形栅开放式倒曲面镜同轴腔中注-波互作用的模拟计算与分析

4.3.3矩形栅开放式倒曲面镜同轴腔中注-波互作用的模拟计算与分析

4.3.4梯形栅开放式倒曲面镜同轴腔中注-波互作用的模拟计算与分析

4.4倒曲面镜同轴型准光腔与改进前的同轴型准光腔的辐射输出的比较

4.5结论

第五章结束语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果