0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.     

0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究

本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构, 并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器. 设计了超材料同轴过模慢波结构; 通过色散特性, 进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计; 根据超材料同轴慢波结构的特点, 设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段. 粒子模拟结果表明, 在电子束电压为600 kV和电流为1.0 kA, 引导磁场为2.0 T 时, 同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波, 峰值功率为316.8 MW.     

表面波振荡0.22 THz大功率太赫兹源设计

为研制大功率紧凑型太赫兹源,开展了0.22 THz大功率太赫兹源的理论设计研究。THz源采用表面波振荡器结构。重点研究了慢波结构对太赫兹源产生信号的影响,并对慢波结构进行了优化。结合二极管参数的选取,对该源结构进行了粒子模拟,结果表明：在馈入电压200 kV,电流2900 A的条件下,输出信号频率为0.22 THz,输出功率为19.5 MW,效率约为3.3%。     

表面波振荡0.22 THz大功率太赫兹源设计

为研制大功率紧凑型太赫兹源,开展了0.22 THz大功率太赫兹源的理论设计研究。THz源采用表面波振荡器结构。重点研究了慢波结构对太赫兹源产生信号的影响,并对慢波结构进行了优化。结合二极管参数的选取,对该源结构进行了粒子模拟,结果表明:在馈入电压200 kV,电流2900 A的条件下,输出信号频率为0.22 THz,输出功率为19.5 MW,效率约为3.3%。     

慢波结构爆炸发射对高功率太赫兹表面波振荡器的影响

随着真空电子学器件的工作频率达到太赫兹波段, 表面波振荡器的横截面尺寸变小, 慢波结构的加工精度难以得到保证, 同时由于表面波振荡器的电磁场集中在慢波结构表面, 在高电压工作情况下, 太赫兹波段的表面波振荡器慢波结构爆炸发射电子会影响器件的工作特性. 本文分析了高电压工作情况下0.14 THz表面波振荡器慢波结构中电场的分布特性, 研究表明, 在慢波结构区域沿着轴线方向上存在电场幅度的包络分布, 在慢波结构中心位置处靠近慢波结构内半径处电场的幅度最大, 最易爆炸发射产生电子, 采用粒子模拟软件UNIPIC模拟了慢波结构处爆炸发射的电子对器件工作特性的影响, 同时考虑了电子回流所产生的二次电子倍增效应, 数值模拟结果表明, 慢波结构电子产生会导致器件的输出功率下降, 从数十兆瓦下降到兆瓦量级.     

百MW过模结构太赫兹源特性

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究,模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出,主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构,电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明,泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小,但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。     

百MW过模结构太赫兹源特性

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究,模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出,主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构,电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明,泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小,但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

0.14 THz过模表面波振荡器初步实验研究

为获得大功率太赫兹源,对基于表面波振荡器的相对论太赫兹源进行了初步的实验研究。为便于机械加工和实验装配,器件采用过模矩形波导慢波结构。利用理论分析和数值模拟得到的参数,在CKP1000加速器上进行了实验。功率测量采用辐射场功率密度积分方法,频率测量采用截止波导滤波法。在电子束压为320 kV、电子束流强度为2.1 kA、引导磁场为5 T条件下,实验获得频率0.136 THz以上、脉冲宽度为1.5 ns和辐射功率约2 MW的太赫兹信号输出。     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器, 获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法, 研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC（Particle-in-cell）软件UNIPIC, 模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加, 输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低, TM01模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构, 能使得器件输出功率增大50%。     

新型低阻抗同轴慢波器件模拟研究

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明：在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。     

新型低阻抗同轴慢波器件模拟研究

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为:当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时,器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

无外加引导磁场相对论返波振荡器粒子模拟

设计了一种无外加引导磁场S波段相对论返波振荡器,采用阳极网提取电子,并设计了非均匀慢波结构。通过Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。典型模拟结果为：当二极管工作电压330 kV、电流2.83 kA时, 器件在频率2.79 GHz处获得较高的微波输出,经27 ns后饱和,输出微波的功率达158 MW,效率约为16.8%。     

X波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 在对磁绝缘线振荡器（MILO）慢波结构色散特性进行理论分析的基础上,结合负载限制型和渐变型MILO的特点,对X波段MILO慢波结构、阴极和中心阳极进行了设计。利用2.5维全电磁PIC程序进行粒子模拟,研究了输出功率与结构参数之间的关系,进一步优化MILO结构。在外加电压为510 kV,束流43 kA情况下,模拟得到平均功率2.83 GW的微波输出,中心频率为8.2 GHz,功率转换效率12.9%。     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。