Forward-wave enhanced radiation in the terahertz electron cyclotron maser

Based on the principle of electron cyclotron maser (ECM), gyrotrons are among the most promising devices to generate powerful coherent terahertz (THz) radiation and play a vital role in numerous advanced THz applications. Unfortunately, THz ECM systems using a conventional high-Q cavity were theoretically and experimentally demonstrated to suffer from strong ohmic losses, and, accordingly, the wave output efficiency was significantly reduced. A scheme to alleviate such a challenging problem is systematically investigated in this paper. The traveling-wave operation concept is employed in a 1-THz third harmonic gyrotron oscillator, which strengthens electron-wave interaction efficiency and reduces the ohmic dissipation, simultaneously. A lossy belt is added in the interaction circuit to stably constitute the traveling-wave interaction, and a down-tapered magnetic field is employed to further amplify the forward-wave (FW) component. The results demonstrate that the proportion of ohmic losses is nearly halved, and output efficiency is nearly doubled, which is promising for further advancement of high-power continuous-wave operation of the ECM-based devices.     

基于类表面等离子体激元的矩形金属光栅色散特性的研究

等离子体激元(surface plasmon polaritons, SPP)因其独特的光学和物理特性, 使其具有诸如透射增强和局域共振等一系列新颖现象, 已成为当前国内外学者研究的热点. 本文对基于类表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmons, SSP)的矩形金属光栅色散特性和模式分布进行了研究. 利用本征函数法并结合场匹配条件, 获得了矩形栅表面SSP的场表达式、色散关系和模式分布, 并通过电磁仿真进行了验证. 在此基础上分析了矩形栅各参数对SSP色散及模式分布的影响, 研究结果表明: 由本征函数法获得的SSP色散特性与仿真结果基本符合; 增大金属栅高度或减小排列周期能减小SSP的相速度; 而增大金属栅周期占空比能在一定程度上拓展SSP与电子束互作用的带宽; 改变金属盖板高度对慢波SSP色散模式基本没有影响; 减小金属栅侧面宽度能增大模式之间的间隔, 从而能有效避免模式竞争的发生. 本文对基于SSP的矩形金属光栅色散特性的研究将为进一步研究SSP与电子束的相互作用, 形成高效、宽带的新型太赫兹源奠定良好的理论基础.     

Periodicity-suppressing effect of periodic lossy-dielectric-loaded cylindrical waveguide

Periodic dielectric-loaded waveguide is one of the diaphragmatic waveguides.For the excellent mode-selective propagation ability,it is of value for applications in gyrotron-traveling-wave amplifiers(gyro-TWT),accelerators,and other microwave propagation systems.This paper focuses on studying the application of the strong lossy-dielectricloaded periodic waveguide in millimeter-wave gyro-TWT.It is revealed that due to the lossy property of the dielectric,the energy in the dielectric slots is absorbed effectively and the high order Bloch harmonics induced by the periodicity of the structure are suppressed,which changes the discrete spectrum under lossless condition into a continuous one.As a result,the periodicity of the system is severely suppressed and a mode in the hollow region could be approximated by a fast wave mode in an empty waveguide.These results bring specific guidance for the applications of the lossy dielectric-loaded waveguide in gyro-TWTs and other devices.     

高功率毫米波辐照对秀丽线虫行为学和细胞形态学的影响

 采用角锥喇叭天线,使用不同输出平均功率的毫米波激光辐照秀丽线虫,采用实时显微摄像系统记录线虫行为学变化,并使用体视显微镜观察线虫细胞形态学变化。受照射后自由活动的秀丽线虫能够快速逃离高功率毫米波的辐照区域。当受输出平均功率为10 W和12 W辐照后,线虫先后出现运动速度增加、运动速度减慢直至身体僵直不动的变化过程。当输出平均功率为5 W时,线虫出现热耐受现象。细胞形态学观察结果显示:辐照后的线虫腹中卵细胞核结构出现不同程度的异常。高功率毫米波辐照可显著影响线虫的行为学特征及细胞形态学,同时说明秀丽线虫是可适用于高功率毫米波生物效应研究的模式生物之一。     

周期椭圆螺线管聚焦带状电子注的理论研究和粒子模拟(英文)

带状电子注真空器件是一种很有潜力的高功率微波毫米波器件,其中带状电子注的稳定传输和聚焦是该器件的关键。针对带状电子注的聚焦和传输,提出采用周期椭圆螺线管结构来稳定传输高椭圆率的带状电子注。通过理论分析,得到椭圆螺线管的磁场分布情况,研究了该磁场下带状电子注的运动情况,并且推导出带状电子注在周期椭圆螺线管结构中稳定传输的条件。最后,采用粒子模拟验证了该稳定传输条件。     

栅控电子枪中轮辐栅网截止放大系数的研究

本文首先建立轮辐栅网结构模型, 分区计算其屏蔽系数和单个栅格内栅丝半径与该栅格面积之比, 结合 Spangenberg书中的结论给出了轮辐栅网截止放大系数的新表达式, 然后详细地研究了栅丝半径、各环区所对球心角以及径向栅丝数目对截止放大系数的影响, 并计算了温度升高之后截止放大系数的变化, 最后给出了设计轮辐栅网的步骤和具体实例. 结果显示, 根据新表达式设计的栅网具有更好的稳定性和可靠性, 能够很好地解决平板正方形栅格近似中存在的问题.     

基于行波管螺旋导电面模型的空间电荷场研究

通过分析行波管螺旋导电面模型中的电磁场，给出了色散和耦合阻抗计算公式，并深入研究了非线性理论中的空间电荷降低因子.结果表明，螺旋导电面模型相对理想导电圆筒中的空间电荷降低因子在较高频段变化不大.空间电荷降低因子的变化反映了螺旋线外电磁场对电子注的作用，同样的慢波结构，较高频率的电磁场应有较大的影响.因此，使用螺旋导电面模型在较高频段计算空间电荷降低因子是不合适的. 关键词： 行波管 非线性 螺旋导电面 空间电荷降低因子 色散 耦合阻抗     

W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

螺旋带面电流分布研究

 由于实验无法准确测量螺旋带上的面电流分布，在详细比较理论分析与软件模拟异同的基础上，应用3维电磁场计算软件HFSS研究了螺旋带相对宽度与面电流分布的关系。研究表明：螺旋带相对宽度越大，面电流分布越不均匀；当Floquet边界的相位移为90°时，面电流分布最不均匀；面电流分布的均匀性假设在不同频率下有不同的准确程度。     

等离子体填充波纹波导中低频模式特性分析

采用等离子体流体模型和线性场理论，导出了在强引导磁场下，一无限薄环形等离子体加载 波纹波导中电磁波传播的色散关系.数值计算并分析了在不同的等离子体填充密度下，低频 等离子体模式的色散特性和行波管的小信号增益.研究发现，低频等离子体模式可与相对论 电子束发生同步互作用使高频信号放大.同时，在无限薄环形等离子体填充条件下，波纹波 导中的低频等离子体模式严格满足Floquet定理所要求的周期性，其上截止频率不再受到等 离子体频率的限制，当密度较大时，等离子体模式还可与TM模式发生耦合. 关键词： 等离子体 波纹波导 色散关系 增益