206 GHz光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能,实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合,并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析,定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念,设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用,其耦合频率为206 GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化,得到了电压40 kV、电流4.2 A、磁场3.925 T、输出功率35 kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。     

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     

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.     

光子带隙谐振腔回旋管振荡器的自洽非线性理论

定义了光子带隙谐振腔(photonic-band-gap cavity, PBGC)的等效半径,论证了使用该半径将PBGC等效为具有模式选择性的金属圆柱谐振腔的有效性,揭示了其在PBGC设计过程中的指导性作用.基于等效半径的运用,建立起光子带隙谐振腔回旋管振荡器(PBG回旋管)的自洽非线性理论,并对工作于TE₃₂模的PBG回旋管作了理论分析和数值计算.目前的研究表明:高频电磁场沿角向呈行波或驻波的不同极化形式对PBG回旋管的注-波互作用过程具有较大的影响;较之电子回旋基波,该器件中二 关键词： 光子带隙谐振腔 等效半径 回旋管 自洽非线性理论     

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%。     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

170GHz兆瓦级同轴回旋振荡管的分析计算

回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件,然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决.对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究.选取模式谱相对稀疏的TE31,12作为工作模式,利用Matlab编制源程序,计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上,对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真,给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明,电压和磁场对回旋管效率影响较大,电子速度零散对回旋管效率影响较小,因而可降低电子枪的设计要求.此外,优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率,降低电子速度零散对互作用效率的影响,获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.     

TE_(02)模式95 GHz三次谐波回旋管实验

首次实现W波段三次谐波回旋管输出功率突破10kW。谐波回旋管互作用结构采用带有光阑结构的圆柱型开放式谐振腔,工作模式为低损耗圆对称模式TE02。实验中,在脉冲宽度20μs、电子束电压45kV、电流3A、磁场1.23T时,测得工作频率为95.22GHz,输出功率13.4kW,对应效率9.9%。     

Kerr非线性对一维光子晶体能带的影响

研究Kerr非线性对一维光子晶体的能带的影响.光子晶体中加入Kerr非线性材料后，光子晶 体的带边可随局部光强调制.由于带边随光强变化，线性光量子阱中的电磁本征模将进入线 性带隙的频率范围而形成孤子类电磁模.由于非线性的作用，带隙中有许多新的孤子模出现. 关键词： 光子晶体 Kerr非线性 带隙孤子     

W波段三次谐波回旋管腔体设计

采用冷腔分析研究了带有光阑结构的开放式谐振腔中的模式竞争,设计了采用TE61模式工作的W波段三次谐波回旋管谐振腔。PIC粒子模拟结果表明:在不考虑腔壁损耗及电子注能散的情况下,采用注电压45 kV、电流3 A的电子注,可以实现三次谐波单模稳定工作,并获得约20 kW的输出功率,对应工作效率14.8%。     

渐变复合腔回旋管高次谐波注-波互作用非线性模拟

利用含电流的传输线方程,在考虑多模与电子注互作用及多模耦合的情况下,对三次谐波渐 变复合腔回旋管进行了非线性模拟,计算了H₅₁-H₅₂模式下三次谐 波注波互作用,分析了多模对注-波互作用的影响. 关键词： 回旋管 渐变复合腔 多模注-波互作用 模式耦合 高次谐波     

正三角形晶格金属柱光子带隙结构

采用有限差分法分析了正三角形晶格金属柱光子带隙(PBG)结构中TE模式的色散特性,导出了全局带隙分布图, 探讨了一套系统的设计指定本征频率PBG结构的方法。结果表明,金属柱半径与晶格常数的比值越小,越有利于PBG谐振腔的圆波导耦合输出。说明了类比圆柱波导设计回旋管的可能性。     

一维Kerr非线性光子晶体中的场分布

研究具有Kerr非线性的一维光子晶体中场的分布.计算光子晶体中加入Kerr非线性材料后,入射光强对光子晶体中场分布极大值位置的调制,发现随着光强的增加,峰值位置向入射端移动.同时,由于非线性的作用,随着光强的变化,线性光量子阱中的电磁本征模将进入线性带隙,带隙中将出现没有线性本征模对应项的新孤子类电磁模.     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化,解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低,进行了高频结构优化设计,显著地展宽了工作频带,提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上,建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型,进行了粒子模拟计算和优化,得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV,注电流13 A,电子注横向速度与纵向速度比为1.5时,中心频率69.81 GHz输出功率256 kW,带宽160 MHz,电子效率28%,饱和增益大于44 dB。     

W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

 通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注-波互作用的研究,分析了高频结构特性、寄生模式的抑制和工作参数优化等问题。给出了3 mm 二次谐波低损耗TE₀₂/TE₀₃模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场,互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明:在电子注电压25 kV、电流4 A、纵横速度比1.6、工作磁场1.72 T时,回旋管可获得37 kW 的输出功率,横向运动能量转换效率高达51%,器件效率为37%。     

8mm波段三次谐波复合腔回旋管的非线性分析

利用含电流的传输线方程,在考虑了诸多实际因素影响的情况下,对三次谐波渐变复合腔回旋管进行了自洽非线性模拟,计算了H₅₁₁-H₅₂₁模式下三次谐波多模注波互作用,分析了电子注的厚度、速度零散、速度比α值及磁场波动对多模注波互作用的影响 关键词： 回旋管 复合腔 多模注波互作用 速度零散 速度比α     

分布损耗对回旋行波放大器稳定性的影响

基于电磁模式的色散方程和回旋管非线性理论,研究了损耗层厚度对回旋行波放大器注-波互作用的影响.结果表明,合理选择损耗层电导率和厚度能够让期待的工作模式TE₀₁衰减较小,而对应的竞争模式TE₂₁因损耗很大而更难以起振,随厚度的增加,放大带宽从两边向中间收缩变窄,频带中间部分的输出功率会上升,曲线更加平坦,从而达到改善互作用稳定性的目的. 关键词： 回旋行波放大器 起振长度 起振频率 饱和功率     

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%。     

同轴腔高阶模式回旋管振荡器中多模起振过程的非线性模拟

给出了工作在高阶模式下的同轴腔回旋管振荡器,在考虑竞争模式情况下的多模起振过程的数理模型和具体的数值计算方法。以此为基础编制的程序对一只工作于高阶模式TE42, 22,频率为0.22 THz的同轴腔回旋管振荡器进行了多模非线性模拟研究。结果表明:在合适的腔体结构参数并考虑腔壁上的欧姆损耗情况下,竞争模式得到有效抑制,可以稳定地工作在单一模式,输出功率达0.87 MW,效率为22.8%,腔壁上的欧姆损耗低于其所能承受的最大值。     

具有变态光子带隙结构的相对论Cherenkov辐射源的研究

提出了一种变态光子带隙结构,研究了由这种结构构成的周期慢波系统的Cherenkov辐射源的特性. 利用高频仿真软件以及三维粒子模拟软件对变态及常态光子带隙慢波系统中类TM₀₁模的色散特性及注-波互作用物理过程进行了模拟研究. 结果表明,在变态光子带隙慢波系统中,类TM₀₁模纵向场分量沿角向分布均匀性得到明显改善,能有效抑制非对称模式,提高输出频谱纯度及注-波互作用效率. 关键词： Cherenkov辐射源 变态光子带隙结构 慢波系统 三维粒子模拟