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毫米波段FEL放大器非线性特性研究

作　者: 张进才
导　师: 梁正
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学
关键词: FEM 多模矩形波导平板摇摆器空间电荷效应
分类号: TN722.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2000年
下　载: 62次
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内容摘要

毫米波段自由电子激光器（简称FEM），是当前自由电子激光器（FEL）研究领域里的一个重要分支，在军事和民用方面有着巨大的应用潜力，许多国家的科研结构都在从事这方面的研究，而且已取得了重要的成果。本文深入地研究了FEM放大器的特性。用三维非线性理论，导出了矩形波导平板摇摆器自由电子激光的三维自洽非线性方程组。无论工作在康普顿区还是拉曼区，这套理论都适用。根据导出的方程组，独立开发了计算机模拟程序。该程序考虑了初始速度零散、模式竞争、空间电荷效应、电子注在互作用区入口处的绝热压缩过程以及变参数摇摆器等情况，并对编制的程序进行了可靠性论证，论证表明：该程序是可靠的。这项工作将会为国内进一步研究和发展FEM提供重要的辅助设计手段，有重要的实用价值。利用编制的数值模拟程序，对工作在35GHz的多模矩形波导FEM放大器的特性做了比较详细的数值研究。研究发现：在同等条件下，多模的输出功率要大于单模的输出功率；速度零散会对多模的输出功率和效率产生一定的影响；使用变参数摇摆器可以大幅度提高放大器的工作效率和输出功率，可以实现增益模式的选择，抑止高阶模式。数值模拟结果和Orzenchoski等人所做的试验结果相吻合［Phys.Rev.Lett.54，889（1985）；57，2172（1986）］。利用编制的数值模拟程序，对工作在94GHz的FEM放大器的特性进行了研究，取得了一些很有价值的成果，提出了一套基于矩形波导平板摇摆器的FEM放大器方案。研究结果表明：用相对低的输入电压（400KV以下），并且在当前工艺技术经过努力能够达到的范围内，用这种结构做成的FEM放大器，在平均功率、带宽和增益等方面都能满足新一代3mm雷达对发射源提出的要求。

全文目录

中文摘要  5-6
英文摘要  6-7
第一章绪论  7-11
  1．1 自由电子激光简介  7-8
  1．2 论文的主要工作  8-10
  1．3 论文的创新工作  10
  1．4 论文的结构安排  10-11
第二章矩形波导 FEM放大器三维非线性理论  11-42
  2．1 矩形波导FEM放大器三维自洽非线性方程组  13-28
    2．1．1 摇摆器磁场  13-15
    2．1．2 源电流密度和电荷密度  15-17
    2．1．3 有源Maxwell波动方程  17-25
    2．1．4 电子运动方程  25-28
  2．2 数值模拟程序  28-35
    2．2．1 工作方程组  28-31
    2．2．2 初始条件  31-33
    2．2．3 程序设计框图  33-35
  2．3 程序的可靠性论证  35-41
    2．3．1 静态轨道  35-36
    2．3．2 典型算例  36-41
  2．4 小结  41-42
第三章多模矩形波导FEM放大器数值研究  42-56
  3．1 多模矩形波导平板摇摆器FEM放大器  42-55
    3．1．1 摇摆器参数均匀  43-50
    3．1．2 摇摆器参数渐变  50-53
    3．1．3 电子注横截面的变化  53-54
    3．1．4 数值模拟和试验结果比较  54-55
  3．2 小结  55-56
第四章矩形波导FEM放大器雷达用方案研究  56-72
  4．1 矩形波导平板摇摆器FEM放大器  56-69
    4．1．1 不考虑空间电荷波  56-60
    4．1．2 考虑空间电荷波  60-62
    4．1．3 电子注横截面的变化  62-65
    4．1．4 电子注发射度对饱和效率的影响  65-66
    4．1．5 考虑引导磁场  66-68
    4．1．6 摇摆器参数渐变  68-69
  4．2 3mm雷达用矩形波导FEM放大器方案  69-71
    4．2．1 制定方案的基本考虑  69
    4．2．2 方案可行性讨论  69-70
    4．2．3 系统的主要性能及参数  70-71
  4．3 小结  71-72
第五章总结  72-74
参考文献  74-79
致谢  79

毫米波段FEL放大器非线性特性研究

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