太赫兹电子回旋脉塞器件研究

摘要

太赫兹波是介于远红外与毫米波之间的一种电磁辐射，有非常重要的学术和应用价值。电子回旋脉塞作为重要的太赫兹辐射源，具有高功率、高效率等特点，是目前太赫兹频段内输出功率最大的辐射源器件，在太赫兹雷达、太赫兹成像、太赫兹通信、等离子体加热等方面有着极大的应用前景。美国、俄罗斯、德国、日本都对太赫兹电子回旋脉塞投入了大量的人力物力开展研究。目前，我国太赫兹电子回旋脉塞的研究尚处于起步阶段。本文对太赫兹回旋脉塞器件开展了相关研究。主要研究工作有：
　　 ⑴对太赫兹电子回旋脉塞器件的电子光学系统进行了研究。为0.22THz、30kV回旋管设计了8Tesla强脉冲磁场与电子枪，实验证明该脉冲磁场可以获得8Tesla以上的强脉冲磁场，电子枪可以产生引导半径为1.15mm的环形电子注。根据9.2Tesla超导磁场分布，为0.22THz、60kV回旋管设计了电子枪。并且为了开展同轴腔双电子注回旋管，作者提出了两种双电子注磁控注入式电子枪，分别命名为Normal Two-Beam Magnetron Injection Gun（NTBMIG）和Coaxial Two-BeamMagnetron Injection Gun（（CTBMIG），提出了设计模型，并进行了模拟研究，模拟结果表明这两种电子枪可以为同轴腔双电子注回旋管提供所需的两根电子注。
　　 ⑵对太赫兹回旋单腔管进行了研究，根据回旋管的线性理论以及非线性理论设计了0.22THz、30kV回旋单腔管、0.22THz、60kV回旋单腔管以及频率大于0.4THz的二次谐波回旋单腔管。
　　 ⑶对太赫兹回旋返波管进行了研究，设计了TE03模的前向输出式回旋返波管与后向输出式回旋返波管，并分别进行了模拟研究，模拟结果表明这两只回旋返波管振荡器都能获得带宽大于1GHz的连续可调的kW级以上的功率输出，前向输出式回旋返波管的互作用效率大于后向输出式回旋返波管，但后向输出式回旋返波管的结构更为简单。
　　 ⑷为研究太赫兹回旋放大器的新工作机理，降低所需的工作磁场，对谐波回旋速调管开展了理论研究，主要研究了谐波回旋速调管的优化问题。通过数值计算得到当谐波回旋速调管工作在振荡区时，其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的横向互作用效率最高分别可达到93.9％、88.2％、81.8％、62.7％；当谐波回旋速调管工作在放大区时，其基波、二次谐波、三次谐波、四次谐波的横向互作用效率分别可达到55％、40％、30％、15％。结果将有助于谐波回旋速调管设计参数的选取，以及互作用效率优化的分析。此外还对太赫兹回旋放大器的输出腔进行了仿真研究。
　　 ⑸参与了0.22THz、30kV脉冲磁场回旋管振荡器与0.22THz、60kV超导磁场回旋管振荡器的实验平台搭建与实验研究。30kV、0.22THz脉冲磁场回旋管振荡器实验获得0.22THz～0.234THz、11.5kW的输出。0.22THz、60kV超导磁场回旋管振荡器获得0.2281THz、26.5kW的输出，并且通过调节工作电压与工作磁场，获得了约0.423THz、4.4kW的二次谐波输出，这是目前国内通过真空电子学途径的获得最高频率的太赫兹波输出，填补了国内0.2THz以上频段真空电子学器件的空白。