同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的线性与非线性研究

摘要

回旋自谐振脉塞放大器(CyclotronAutoresonanceMaserAmplifier，简称CARMamplifier)，作为一种高功率、高增益的毫米波亚毫米波波源，在等离子体加热、通讯、空间探测等方面有着巨大的应用前景。 器件在产生高功率微波的过程中，短波长的电磁波会在器壁上产生大量欧姆热，影响器件的稳定运行，严重时可能导致器件不能正常工作。因此，器件的散热性能成为高功率微波源的关键技术之一。解决这一问题的一种有效办法是采用大尺寸的腔体。因为大尺寸的腔体可以有效地增大散热面积，便于热量散发，同时，大尺寸腔体也便于加工。然而，在大尺寸的腔体中工作模式多为高阶模，模式谱变得密集，容易造成模式之间的竞争，使器件工作不稳定。在回旋管振荡器中已证实，采用同轴腔能有效地稀化模式谱，而且还发现，开槽型同轴结构有利于减弱模式竞争、增强束波互作用。结合同轴腔、开槽型波导结构的特点以及CARM放大器高功率、高增益的优点，张世昌教授针对目前的研究现状，近期在提出光滑同轴腔CARM放大器的基础上，又提出另一种新型器件——开槽型同轴波导CARM放大器的设想。此类器件可望在确保高功率：高增益的前提下，有效地稀化模式谱，抑制模式竞争，使模式稳定工作。 根据波导截面的形状，同轴波导大致可以分为光滑同轴波导、内开槽同轴波导、外开槽同轴波导和内外开槽同轴波导四大类。在本论文中就这四种波导结构类型的CARM放大器，展开全面、系统地线性和非线性理论研究。 首先，本论文在第一章阐述电子回旋脉塞机理以及CARM放大器的工作机理和可实现性，并介绍了现在国内外的研究状况和本论文的意义、内容和创新点； 第二章阐述光滑同轴波导CARM放大器的线性理论和非线性理论，用数值模拟方法分析和优化器件的性能，以及电子束轴向速度离散、电子束偏心和采用坡度磁场对器件输出功率的影响； 在第三章中，考虑开槽波导结构对波导中场分布的影响，利用阻抗匹配方法，确定出内开槽同轴波导的特征方程；从线性理论和非线性理论两方面，阐述其CARM放大器的作用机理。通过数值模拟，分析此类器件的工作性能，以及电子束轴向速度离散、电子束偏心对器件输出功率及输出效率的影响，和采用坡度磁场的手段实现器件功率的提高； 第四章阐述外开槽同轴波导CARM放大器的线性理论和非线性理论，用示例对此类器件进行模拟分析。模拟内容包括波导结构优化、导引磁场优化和工作频率的优化，和电子束轴向速度离散、电子束偏心、坡度磁场对器件性能的影响： 第五章研究了内外开槽同轴波导CARM放大器的线性和非线性特性，用数值模拟方法分析和优化器件的性能以及电子束轴向速度离散、电子束偏心和坡度磁场对器件的影响。 本博士论文中主要创新点： 1.首次在极坐标下用低阶模形式近似描述开槽型波导中开槽区场分布的函数表达式；将阻抗匹配法首次应用到内开槽同轴波导、外开槽同轴波导和内外开槽同轴波导中确定出相应波导的特征方程及本征值；模式谱分析表明在波导中插入内同轴(包括光滑同轴和开槽内同轴)能有效地稀化模式谱，而且插入开槽内同轴比插入光滑内同轴能更有效地稀化模式谱； 2.对耦合系数K进行修正，首次得到同轴波导CARM放大器的通用色散方程，此色散方程不仅适用于光滑同轴波导CARM放大器，而且还适用于开槽型同轴波导CARM放大器：首次将修正后的耦合系数K应用到同轴波导CARM放大器的非线性理论中，得到同轴波导CARM放大器的通用束波耦合方程； 3.首次研究了电子束轴向速度离散对同轴波导CARM放大器输出功率的影响，模拟结果表明轻微的电子束轴向速度离散也会大大降低放大器的输出功率，破坏器件性能； 4.首次研究了在同轴波导CARM放大器中电子束中心相对于波导中心发生偏心对器件输出功率的影响，从模拟结果中发现电子束与波导中心偏离距离越大，器件的输出功率越小，甚至几乎接近于零；而且，内开槽同轴波导CARM放大器和内外开槽同轴波导CARM放大器(其内同轴均为开槽型)比光滑同轴波导CARM放大器和外开槽同轴波导CARM放大器(其内同轴均为光滑圆柱)对电子束偏心要求更高； 5．首次发现在同轴波导CARM放大器中采用坡度导引磁场后，器件的输出功率可以在原有基础(采用均匀导引磁场)上增加一倍以上。 本论文从线性和非线性方面为同轴波导CARM放大器的研究，提供理论基础和工程数据参考。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究状况

1.3本文研究的意义、内容和创新点

第2章 光滑同轴波导CARM放大器的研究

2.1引言

2.2光滑同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析

2.3光滑同轴波导CARM放大器线性理论

2.4光滑同轴波导CARM放大器非线性理论

2.4.1电子运动方程

2.4.2具有电子束源的波动方程

2.4.3束波能量交换

2.5光滑同轴波导CARM放大器放大模拟

2.5.1线性模拟分析

2.5.2非线性模拟分析

2.5.3电子轴向速度离散对器件的影响

2.5.4电子束偏心对器件的影响

2.5.5坡度磁场对器件的影响

2.6本章小结

第3章 内开槽同轴波导CARM放大器的研究

3.1引言

3.2内开槽同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析

3.3内开槽同轴波导CARM放大器线性理论

3.4内开槽同轴波导CARM放大器非线性理论

3.4.1电子运动方程

3.4.2具有电子束源的波动方程

3.4.3束波能量交换

3.5内开槽同轴波导CARM放大器放大模拟

3.5.1线性模拟分析

3.5.2非线性模拟分析

3.5.3电子轴向速度离散对器件的影响

3.5.4电子束偏心对器件的影响

3.5.5坡度磁场对器件的影响

3.6本章小结

第4章 外开槽同轴波导CARM放大器的研究

4.1引言

4.2外开槽同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析

4.3外开槽同轴波导CARM放大器线性理论

4.4外开槽同轴波导CARM放大器非线性理论

4.4.1电子运动方程

4.4.2具有电子束源的波动方程

4.4.3束波能量交换

4.5外开槽同轴波导CARM放大器放大模拟

4.5.1线性模拟分析

4.5.2非线性模拟分析

4.5.3电子轴向速度离散对器件的影响

4.5.4电子束偏心对器件的影响

4.5.5坡度磁场对器件的影响

4.6本章小结

第5章 内外开槽同轴波导CARM放大器的研究

5.1引言

5.2内外开槽同轴波导的场分布、特征方程及模式谱分析

5.3内外开槽同轴波导CARM放大器线性理论

5.4内外开槽同轴波导CARM放大器非线性理论

5.4.1电子运动方程

5.4.2具有电子束源的波动方程

5.4.3束波能量交换

5.5内外开槽同轴波导CARM放大器放大模拟

5.5.1线性模拟分析

5.5.2非线性模拟分析

5.5.3电子轴向速度离散对器件的影响

5.5.4电子束偏心对器件的影响

5.5.5坡度磁场对器件的影响

5.6本章小结

结论与讨论

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的论文

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