波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管的研究

以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE₃₃模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.     

特殊三反射镜太赫兹波段准光腔回旋管的动力学理论

基于回旋管线性理论,运用Laplace变换和留数定理的方法,在线性Vlasov-Maxwell方程组的框架下,研究了特殊三反射镜准光腔回旋管的动力学理论.导出了注-波互作用功率、频偏和起振电流公式,运用MATLAB进行了数值运算.结果表明,这种回旋管工作于高次谐波状况下能有较高的互作用功率,具有工作于太赫兹波段的潜力. 关键词： 三反射镜准光腔 太赫兹 回旋动力学理论     

220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的研究

提出了一种220 GHz三次谐波光子带隙谐振腔回旋管振荡器的物理结构.利用光子晶体高频带隙确定了回旋管高阶电磁模式类TE63和三次电子回旋模的互作用状态.通过非线性理论,研究了腔内类TE63和类TE92模的弱模式竞争,得到了有利于回旋管三次谐波起振的工作条件和起振过程的非线性特征,其结果与粒子模拟基本一致.研究表明,利用光子带隙谐振腔的禁带特征,回旋管中高阶电磁模与高次电子回旋模能够发生有效的互作用关系被得到证实.     

共焦波导结构回旋行波管的设计与仿真

针对0.14 THz大气窗口,利用CST微波工作室和3维粒子模拟软件,对共焦波导结构的太赫兹回旋行波管进行了冷腔色散和注波互作用的模拟研究。以TE06模式作为互作用工作模式,在电压为35 kV、电流为2 A、横纵速度比为0.85的电子束参数下,当输入信号为1 W时,得到最高2 kW的微波功率输出,3 dB带宽为3.5 GHz,增益为30 dB。     

连续调谐太赫兹回旋管非稳定振荡状态研究

太赫兹回旋管可实现高功率输出,并具有一定的频率调谐范围,是核磁共振波谱系统理想的高功率太赫兹辐射源。设计了263 GHz,TE_5,2基波连续调谐回旋管,通过磁场调节实现频率调谐范围为1.39 GHz,利用时域多模多频自洽非线性理论对设计的连续调谐回旋管非稳定振荡状态进行了研究。结果表明,在低次纵向谐波模式工作磁场范围内,当工作电流大于起振电流时,连续调谐回旋管先进入稳定状态,高次纵向谐波模式被抑制,工作模式TE_5,2的输出功率随时间不变;当电流增大,纵向谐波模式间的竞争引起回旋管由稳定状态进入到非稳定振荡状态,工作模式TE_5,2的输出功率随时间呈振荡变化且互作用效率大大降低;随着电流的进一步增大,回旋管又回到与低电流不同的稳定状态,互作用效率进一步降低。同时发现非稳定振荡状态的起始电流随着磁场增加而增大。本研究对需工作于稳定状态的面向DNP-NMR应用的连续调谐太赫兹回旋管的研制具有一定指导意义。     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。     

共焦波导回旋行波管准光注入结构设计

为了解决共焦波导回旋行波管现有输入结构带宽较窄的问题,基于高斯变换,为0.4 THz共焦波导回旋行波管设计了准光注入结构,注入模式为HE06模。该结构由波纹波导模式变换器、高斯变换镜及接收天线构成。对整个注入结构进行了三维电磁仿真,结果表明,在回旋行波管8 GHz的工作带宽内,注入效率大于50%,最大注入效率68%。     

回旋管光子带隙谐振腔冷腔电磁模式分析

利用二维三角格子金属光子带隙谐振腔代替回旋管的传统柱形谐振腔,并对腔体进行了TE波模式的计算与分析.综合考虑腔体内外的结构特征,给出了光子带隙谐振腔冷腔模式理论的研究方法,发现腔内存在单模工作的可能与条件以及非角对称情况下的电磁模式分布特征.研究结果表明,利用光子带隙谐振腔代替回旋管的传统腔体,可使回旋管在不受腔体横向尺度限制的条件下实现单模工作.这对于提高回旋管的功率容量、有效实现高次单模与高次回旋谐波耦合条件下的注-波互作用、降低工作磁场并从物理上根本改变回旋管的工作状态提供了理论依据. 关键词： 回旋管 金属光子带隙 谐振腔     

锥形太赫兹量子级联激光器输出功率与光束特性研究

针对锥形太赫兹量子级联激光器, 利用有限差分波束传播法和速率方程法, 建立了准三维的太赫兹有源器件仿真模型, 能够对具有轴向非线性波导结构的激光器进行模拟. 利用此模型, 研究了锥角大小对激光器输出光功率及光束质量的影响. 仿真结果表明, 考虑到器件之间的光耦合效率, 为了达到最大的有效输出光功率, 锥形太赫兹量子级联激光器的锥角存在一个最优值.     

回旋管同轴谐振腔模式的选择

 为了研究回旋管工作模式的选择机理,分析了圆柱波导开放式谐振腔、光滑同轴谐振腔和纵向内开槽同轴谐振腔相应波导的色散特性,进而研究了这些谐振腔内模式竞争的问题。对同轴结构波导色散方程作了相应的数值计算,结果表明,同轴谐振腔利用自身色散曲线与谐振腔内外半径比值的数值关系,能够使在开放式谐振腔内无法工作的高阶模式在其内部稳定工作。最后,以德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研制的同轴回旋管为例,进行了相应的分析计算,结果表明纵向内开槽同轴谐振腔相对于光滑同轴谐振腔更适合高阶模式的稳定工作。     

RF behavior and cavity design for 0.3 THz, 4 kW gyrotron for material processing application

The design of weakly tapered interaction cavity for 0.3 THz, 4 kW gyrotron operating at the fundamental cyclotron harmonic is presented in this paper. The interaction cavity design and the beam-wave interaction computation are carried out for TE_0,6 mode by using the Particle-in-Cell (PIC) electromagnetic simulation approach. The operating mode is selected by using the code GCOMS, in which various mode selection parameters and start oscillation current are calculated. Further, the power and frequency estimation are performed to finalize the cavity and electron beam parameters. The sensitivity analysis is done to finalize the tolerance limit in various parameters. Finally, the thermal and structural analyses are performed for the designed interaction cavity for the effective cooling.     

A 0.33-THz second-harmonic frequency-tunable gyrotron

Dynamics of the axial mode transition process in a 0.33-THz second-harmonic gyrotron is investigated to reveal the physical mechanism of realizing broadband frequency tuning in an open cavity circuit. A new interaction mechanism about propagating waves, featured by wave competition and wave cooperation, is presented and provides a new insight into the beam-wave interaction. The two different features revealed in the two different operation regions of low-order axial modes(LOAMs) and high-order axial modes(HOAMs) respectively determine the characteristic of the overall performance of the device essentially. The device performance is obtained by the simulation based on the time-domain nonlinear theory and shows that using a 12-kV/150_(-mA) electron beam and TE_(-3,4) mode, the second harmonic gyrotron can generate terahertz radiations with frequency-tuning ranges of about 0.85 GHz and 0.60 GHz via magnetic field and beam voltage tuning,respectively. Additionally, some non-stationary phenomena in the mode startup process are also analyzed. The investigation in this paper presents guidance for future developing high-performance frequency-tunable gyrotrons toward terahertz applications.     

94GHz缓变结构回旋管设计与数值模拟研究

通过分析广义传输线理论中的模式耦合系数,优化设计了一支94GHz光滑缓变结构回旋管,当电子注电压50kV,电流6A,横纵速度比1.4,工作磁场3.548 5T时,在频率94.099GHz处得到了41%互作用效率,约120kW的功率输出;与折变结构回旋管相比,缓变结构回旋管中的工作模式纯度提高约27dB,注波互作用效率提高约7%。基于自洽非线性理论计算的互作用效率与PIC模拟结果有较好的一致性。     

W波段连续波30 kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

 根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8 kW的输出功率,电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2; W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。     

Phase-locking of a second-harmonic gyrotron oscillator using aquasi-optical circulator to separate injection and output signals

Phase-locking in a 34.5-GHz special complex cavity gyrotron oscillator operating at the second harmonic of the electron cyclotron frequency was studied. Injection of the locking power was made via a quasi-optical circulator connected to the gyrotron output. Locking bandwidth was measured by comparing the phase of the injection signal and output signal using a balanced mixer. Locking was observed with input power level as low as 40 dB below the gyrotron output power. The locking bandwidth is, however, narrower than in gyrotrons operating at the fundamental cyclotron frequency which may be attributed to the longer resonant cavity in the second harmonic gyrotron and the corresponding larger value of external quality factor. The measurements are roughly in agreement with predictions of Adler's phase-locking equation which is given for our system in terms of powers propagating in the output waveguide toward and away from the gyrotron cavity     

1.8 T直流磁体94 GHz连续波二次谐波回旋管

首次实现直流磁体W波段二次谐波回旋管连续波稳定运行。回旋管工作时所需1.8 T磁场由一个水冷直流线圈产生。直流线圈励磁电流为500 A,功耗28 kW,内孔直径66 mm,可直接将回旋管插入内孔中。回旋管内电子束由双阳极磁控注入电子枪产生。采用高效率内置准光模式变换器实现束波分离并输出准高斯波束。研制的回旋管工作频率为94.08 GHz,腔内工作模式为TE₀₂。实验中成功实现5 min连续稳定运行,输出功率达到12 kW。电子束电压为45 kV,电流1.7 A,对应的输出效率15.7 %。     

基于Tesla变压器和螺旋线的长脉冲发生器

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器，该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽。形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电，变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体，次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间。对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟，并进行了简单的原理验证实验。实验结果表明:这种设计是合理的、可行的。     

TE_(02)模式W波段三次谐波回旋管腔体设计

设计了用于W波段三次谐波回旋管的带有iris结构的开放式谐振腔。采用低损耗圆对称模式TE_(02)工作。起振电流为2.9A,欧姆效率67%。PIC数值模拟结果表明,TE_(02)模式在iris谐振腔中可以实现稳定的W波段三次谐波单模振荡。当电压为45kV、电流为4A、横纵速度比为1.5时,可以获得25.7kW功率输出,对应的工作效率为14.3%。