高功率回旋管高频结构分析与研究

摘要

毫米波、亚毫米波具有波长短、频带宽、波束窄、通信容量大、存在大气窗口等优点。正是其独特性能，使其成为近年来各国科学家和学者研究的热点之一。然而，基于相对论质量效应的电子回旋脉塞（ECRM）机理发展的回旋器件可在毫米波、亚毫米波甚至太赫兹波段实现高功率电磁辐射输出，从而填补了激光器和传统微波器件在毫米波和亚毫米波段的缺口，具有其它器件无可比拟的独特优点。这使其在热核聚变、毫米波通信、毫米波成像雷达、电磁对抗、定向能武器、特殊材料制备加工和生物医学等方面都有着十分重要的应用前景，并成为国内外电子器件的研究前沿和热点。
　　在国际热核聚变的推动下，高功率、高频率回旋管是目前回旋管家族中发展最为迅速、最为成熟、取得成果最多的回旋器件。回旋管的高频结构是电子注与电磁波实现能量交换的重要场所，决定了回旋管的工作性能和互作用效率。本论文基于回旋管线性理论以及自洽非线性理论等理论，对回旋管高频结构进行分析研究。本论文的主要内容如下：
　　1、研究分析了电子回旋脉塞机理,并根据自洽非线性理论理论，对无源和有源多模一阶传输线方程进行推导，并且对其进行数值化处理。利用计算机语言基于自洽非线性理论和耦合波理论，结合边界条件，编写了回旋管高频结构设计冷腔数值计算程序和热腔数值模拟程序。利用自编的程序和商用电磁仿真软件对文献报道的高频结构进行数值计算,对比计算结果以验证自编程序。
　　2、利用自编的冷腔数值计算程序设计一个工作频率为170GHz回旋管的三段式高频结构，并利用该软件分析该腔体各个部分结构参数对该腔体高频特性的影响,以便优化出合适的高频结构。
　　3、利用线性理论，编写回旋管高频结构的色散方程、耦合系数、起振电流数值计算程序。借助编好的程序对该腔体的色散方程、耦合系数、起振电流进行分析，为热腔数值模拟计算提供初值。
　　4、利用热腔数值模拟程序对设计好的高频结构进行数值模拟。在数值模拟过程中，分析了磁场强度、电子横纵速度比、引导中心半径、电压和电流变化时对注波互作用效率的影响。最终，得到最佳的工作条件，使该回旋管互作用效率达到最大。

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第一章 绪 论

1.1 回旋管应用背景与意义

1.2 回旋振荡管简介

1.3 回旋振荡管工作机理

1.4 回旋振荡管的发展现状

1.5 本论文的主要工作内容与安排

第二章 回旋振荡管高频结构理论基础

2.1 电子回旋脉塞不稳定性

2.2 开放式谐振腔

2.3 电子运动方程

2.4 回旋管注波互作用的线性理论

2.5 回旋管的非线性理论

2.6 本章小结

第三章 回旋管数值模拟程序的设计

3.1 回旋管冷腔的数值模拟程序的设计与验证

3.2 注波互作用的数值模拟

3.3 本章小结

第四章 170GHz回旋管高频结构数值模拟与分析

4.1 工作模式的选择

4.2 回旋管高频结构腔体设计及高频特性的分析

4.3 回旋管的线性分析

4.4 回旋管热腔的数值模拟计算

4.5 最终优化方案

4.5 本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果