大功率0.34 THz辐射源中慢波结构的优化设计

为研制大功率太赫兹源, 提出以切连科夫表面波振荡器为基础, 采用过模结构来研究0.34 THz信号的产生. 重点研究了慢波结构的各参数对器件输出性能的影响, 对慢波结构进行了优化设计, 并采用数值模拟方法, 对慢波结构实际参数的选取和实验中所允许的加工精度提了具体要求; 最后采用粒子模拟对该结构进行了"热腔"模拟计算. 结果表明该结构能够产生频率为0.34 THz, 输出功率约为7.8 MW的太赫兹信号, 并且稳定工作于表面波振荡器状态. 该结果为下一步0.34 THz太赫兹源的研制奠定了基础. 关键词： 表面波振荡器 慢波结构 太赫兹 粒子模拟     

泡沫金属电磁感应传热机理研究

研究了电磁感应加热下泡沫金属填充液体的磁–热能量转换及瞬态升/降温传热过程,搭建了泡沫金属填充液体在感应加热与液体冷却下的联合控温实验系统,采用“频域–瞬态”和“松耦合”方法求解电磁–传热耦合数值模型,揭示了泡沫金属填充液体的电磁场与热源分布规律、温度响应特性、温度均匀性以及泡沫金属结构和材质等参数的影响规律。结果表明,泡沫金属填充液体的电磁感应传热特性与泡沫金属的结构和材质密切相关。     

过模矩形波导中硅芯片与基模亚毫米波的作用

模拟研究了过模矩形波导WR10中n型硅探测芯片对TE10模亚毫米波的响应。针对过模波导WR10中内置n型硅芯片的亚毫米波探测结构,推导了基模工作时的灵敏度表达式。采用三维电磁场时域有限差分方法,模拟计算了过模波导中300～400GHz频带的TE10模亚毫米波与硅芯片的相互作用,分析了探测结构中电压驻波比和芯片内平均电场随硅芯片参数变化的规律。结果表明,在相同的芯片参数下,过模探测结构并不影响电压驻波比和芯片内平均电场的大小,但两者随频率变化的波动程度增大。在300～400GHz工作频带内,优化得到了性能较优的过模探测结构,其电压驻波比不大于2.75(335～380GHz频带内不大于1.8),线性工作区的相对灵敏度约为0.127kW-1,频率响应的波动范围在±20.5%内,最大承受功率约为0.53kW,响应时间为100ps量级,满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。     

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%。     

波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应

利用三维电磁场时域有限差分法,对0.3~0.4 THz高功率太赫兹脉冲作用下置于矩形波导内部宽边中心的n型硅块响应规律进行了研究。通过对置入硅块前后矩形波导内电磁场分布、电压驻波比及硅块内平均电场的模拟分析,得出硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的响应规律,硅块长、宽、高和电阻率均会对波导内电压驻波系数产生影响,其中以高度影响最为明显;硅块内平均电场在低频段和高频段单调性不一致。最后,在优化硅块长、宽、高及电阻率的基础上,给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲直接测量的电阻探测器芯片设计方案,其相对灵敏度约为0.509 kW-1,幅度波动不超过14%,电压驻波比不大于1.34。     

弹道主动段估计精度分析

本文分析了多探测器观测条件下的弹道主动段估计精度问题，在弹道估计原理的基础上，分析了误差来源以及有限观测条件下主动段弹道估计的Cramer-Rao下限，最后通过仿真实验验证理论分析的结论。     

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。     

圆波导硅探测结构对X波段电磁波模式的响应

采用数值模拟和理论分析方法,研究了圆波导内置n-Si探测结构对X波段几种常用电磁波模式的电场响应。首先基于强电场下的热载流子效应,设计了一种利用n-Si进行高功率脉冲实时测量的圆波导探测结构。接着采用三维并行电磁场时域有限差分方法,模拟研究并分析了TE11（两种极化方向）、TM01和TE01模式作用下圆波导探测结构内的横向电场分布特点。结果表明：不同模式下探测芯片内的横向电场均以径向电场为主,径向和角向电场幅度比约为10,而芯片在圆波导内引入的横向电场驻波比均不大于1.3。最后推导了圆波导探测结构在不同模式电场作用下的灵敏度表达式,理论分析指出了探测结构的最大承受功率与圆波导模式有关,最高可达422 MW,响应时间则均为ps量级,初步证实了该探测结构可用于X波段百MW级脉冲波源在线探测的可行性。     

Origin of the low formation energy of oxygen vacancies in CeO2

Oxygen vacancies play a crucial role in determining the catalytic properties of Ce-based catalysts, especially in oxidation reactions. The design of catalytic activity requires keen insight into oxygen vacancy formation mechanisms. In this work, we investigate the origin of oxygen vacancies in CeO₂ from the perspective of electron density {via} high-energy synchrotron powder x-ray diffraction. Multipole refinement results indicate that there is no obvious hybridization between bonded Ce and O atoms in CeO₂. Subsequent quantitative topological analysis of the experimental total electron density reveals the closed-shell interaction behavior of the Ce—O bond. The results of first-principles calculation indicate that the oxygen vacancy formation energy of CeO₂ is the lowest among three commonly used redox catalysts. These findings indicate the relatively weak bond strength of the Ce—O bond, which induces a low oxygen vacancy formation energy for CeO₂ and thus promotes CeO₂ as a superior catalyst for oxidation reactions. This work provides a new direction for design of functional metal oxides with high oxygen vacancy concentrations.     

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%。