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THz回旋返波管研究

作　者: 陈开华
导　师: 鄢扬
学　校: 电子科技大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 回旋返波管数值计算粒子模拟功率效率
分类号: TN125
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 74次
引　用: 1次
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内容摘要

太赫兹技术是目前国际和国内的研究热点,太赫兹辐射源是重要的太赫兹器件,具有重要的研究价值。回旋返波管是一种基于电子回旋脉塞机理的快波真空电子器件,能产生高功率、高效率电磁辐射。它在毫米波雷达、受控热核聚变、等离子体加热和诊断、定向能武器以及材料处理等领域有广阔的应用前景。回旋返波管是利用电子注与波导中的反向波互作用产生高功率的电磁辐射。本论文利用回旋返波管注-波互作用理论,结合回旋返波管的原理和特点,设计了TE 03模THz回旋返波管,并对其起振电流进行了理论分析和数值模拟。对起振电流随电子注电压、外加磁场、互作用长度以及工作频率的变化情况进行了数值计算。得到在频率为220GHz、外加磁场为8.55T、互作用长度为23mm和电子注电压为55kV时的起振电流为1.86A。并对工作频率范围内的效率进行数值计算,得到回旋返波管的最大效率为20%左右。对有效工作带宽内频率调谐作了分析,分别对电调谐和磁调谐进行了分析,得到在工作频带内,回旋返波管的工作频率随外加磁场的增加而升高,随束电压的升高而降低,并在截止点处有明显的突变。本论文运用电磁粒子模拟软件MAGIC对220GHz回旋返波管进行了粒子模拟。在相应参数下,得出了外加磁场、电子注电压、电子束电流对注波互作用的输出功率和效率的影响,并对各参数下的工作频率进行了分析研究。然后将磁场、电压、电流参数固定,改变腔体尺寸,研究了互作用长度对互作用输出功率和效率的影响。最后改变腔体的结构,分析了输出渐变段对互作用的影响,并与原始结构作比较。得到结果如下:当互作用长度为23mm、电子注电压为55kV、电子横纵速度比为1.5、电子束电流为6.2A、外加磁场为8.55T时,得到输出功率为73kW,互作用效率为22.1%,并研究了束电压为55kV时,回旋返波管互作用产生的功率随磁场的增加而降低,效率也相应降低,在8.55T-9.20T之间调节磁场,频率从214.47GHz变化到222.21GHz,频带宽度为7.74GHz,功率大于30kW;当固定外加磁场为8.55T时,使电子束电压在45kV-55kV之间变化,发现在其工作频段内,回旋返波管功率和效率随束电压的增加而呈上升趋势,频率从215.62GHz变化到213.75GHz,频带宽度为1.87GHz,功率大于49kW。本章还通过改变外加磁场和电子束电压实现了在高频率范围内的频率调谐,得到了高功率、高频率和高效率回旋返波管,为以后的实验研究打下基础。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 引言  9
  1.2 电子回旋脉塞理论及回旋返波管的工作原理  9-12
  1.3 回旋返波管的应用和发展  12-14
    1.3.1 回旋返波管的应用  12
    1.3.2 回旋返波管的发展历史与现状  12-14
    1.3.3 回旋返波管的发展方向  14
  1.4 论文的主要工作  14-16
第二章回旋返波管注波互作用理论  16-28
  2.1 引言  16-17
  2.2 高频场的导出  17-21
  2.3 等离子体动力学理论和单粒子轨道理论  21-25
    2.3.1 等离子体动力学理论  21-23
    2.3.2 单粒子轨道理论  23-25
  2.4 回旋返波管的注波互作用特点  25-26
  2.5 小结  26-28
第三章回旋返波管的数值计算  28-41
  3.1 引言  28
  3.2 回旋返波管的腔体设计  28-30
    3.2.1 回旋返波管腔体选择  28
    3.2.2 回旋返波管模式选择  28-29
    3.2.3 回旋返波管参数选择  29-30
  3.3 起振条件分析  30-34
  3.4 回旋返波管效率的计算  34-39
  3.5 回旋返波管的频率调谐  39-40
  3.6 小结  40-41
第四章回旋返波管的粒子模拟  41-60
  4.1 引言  41-42
  4.2 粒子模拟中的腔体设计  42-43
  4.3 模拟结果  43-56
    4.3.1 外加磁场对互作用的影响  44-48
    4.3.2 电子束电压对互作用的影响  48-50
    4.3.3 束电流对互作用的影响  50-52
    4.3.4 互作用长度对互作用的影响  52-56
  4.4 变结构研究  56-58
  4.5 小结  58-60
第五章总结  60-62
  5.1 论文主要内容  60-61
  5.2 未来研究工作  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士期间取得的研究成果  66-67

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