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同轴型准光腔中线型电子注激励短毫米波的研究

作　者: 滕丽丽
导　师: 魏彦玉
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: Smith-Purcell效应同轴型准光腔圆柱光栅线型电子注粒子模拟
分类号: TN813
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-14
  1.1 Smith-Purcell 辐射源的发展概况  9-11
    1.1.1 研究的背景和意义  9-10
    1.1.2 国内外发展趋势  10-11
  1.2 Smith-Purcell 器件  11-13
  1.3 本论文的内容和主要工作  13-14
第二章开放式谐振腔的理论基础  14-26
  2.1 引言  14
  2.2 Smith-Purcell 辐射的理论分析  14-18
    2.2.1 电子注与金属光栅的作用机理  14-16
    2.2.2 电子注与波互作用关系  16-18
  2.3 准光学谐振腔  18-26
    2.3.1 双反射镜谐振腔的衍射理论  18-20
    2.3.2 一般稳定球面腔的理论分析  20-26
第三章同轴型准光腔中线型电子注与波的互作用模拟  26-51
  3.1 引言  26
  3.2 同轴型准光腔结构描述  26-28
  3.3 三种槽截面圆柱光栅的尺寸  28-30
    3.3.1 倒梯形槽截面圆柱光栅的参数  28-29
    3.3.2 矩形槽截面圆柱光栅的参数  29-30
    3.3.3 梯形槽截面圆柱光栅的参数  30
  3.4 线型电子注和聚焦磁场参数  30-32
  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  32-36
    3.5.1 倒梯形栅闭合式同轴腔的辐射输出分析  32-34
    3.5.2 矩形栅闭合式同轴腔的辐射输出分析  34-36
  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  36-50
    3.6.1 θ 为零时开放式同轴腔中的互作用情况  37-39
    3.6.2 θ 不为零时开放式同轴腔中的互作用情况  39-48
    3.6.3 讨论  48-50
  3.7 小结  50-51
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  51-67
  4.1 引言  51-52
  4.2 闭合式倒曲面镜同轴型准光腔  52-53
    4.2.1 闭合式倒曲面镜同轴型准光腔内的场分布  52-53
  4.3 开放式倒曲面镜同轴型准光腔  53-63
    4.3.1 开放式倒曲面镜同轴型准光腔内的场分布  54-55
    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  55-59
    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  59-61
    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  61-63
  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  63-66
  4.5 结论  66-67
第五章结束语  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
攻硕期间取得的研究成果  72-73

同轴型准光腔中线型电子注激励短毫米波的研究

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