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毫米波回旋超辐射的机理研究

作　者: 马国武
导　师: 孟凡宝
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 无线电物理
关键词: 回旋超辐射回旋管高功率微波 Ka波段束波互作用粒子模拟
分类号: O45
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来超辐射现象由于其高峰值功率效率的特点逐渐受到重视，目前，基于契仑柯夫超辐射机理的器件已经发展的比较成熟。相比之下，回旋超辐射的研究则仍然处于起步阶段。事实上由于回旋器件在高频段高功率微波的产生上有其固有的优点，并且对于引导磁场的要求也可以通过高次回旋谐波工作得到降低，因此，回旋超辐射在毫米波和亚毫米波超辐射高功率微波源的发展中具有其潜在的优势。目前回旋超辐射的研究还较少，相关的理论模型并不完善，其中的物理机制和工作特性还有许多有待研究的地方。本文通过理论分析、粒子模拟和实验研究相结合对回旋超辐射进行了系统的研究。首先，在采用分布反馈模型对行波互作用的器件建模的基础上对超辐射的物理图像进行了描述和分析。并得出超辐射是器件在非稳态过程中，互作用空间内调制电流峰值的移动速度与微波的群速获得较好同步效果时出现的一种特殊现象。增强束波耦合和加长互作用空间在一定范围内对超辐射现象是有利的；其次在简化的模型下采用低Q回旋管的非稳态方程组对超辐射的工作特性进行了计算，得出在给定束参数为：210kV，250A，引导磁场1.73T时0.5cm半径的光滑圆波导器件输出功率与束脉宽成平方关系，表明此时器件工作在超辐射的状态下。另外通过计算给出了工作磁场范围。然后采用二维和三维粒子模拟相结合的方法优化设计了回旋超辐射的系统参数与结构。在电子束参数为210kV，250A，引导磁场强度1.73T时获得了7.1MW的输出功率，峰值功率效率为13.5％，工作频率为39.1GHz，模式为TE₀₁模。二维模拟给出了归一化输出功率与束脉宽之间的平方关系，再次验证了在给定参数下器件工作于超辐射的状态。粒子模拟的工作特性与理论计算的结果基本一致。最后进行了回旋超辐射的实验研究，在二极管参数为210kV，250A，引导磁场1.73T时获得了输出微波峰值功率为6MW，相应的峰值功率效率为11.4％，工作频率37.2GHz，模式为TE₀₁模。实验的结果与粒子模拟的结果基本一致。

毫米波回旋超辐射的机理研究

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