0.22THz准光波导回旋返波管的设计与模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学 作者:王 平

  回旋返波管作为一种频率可调谐的大功率太赫兹辐射源器件,具有较好的实用前景。本文根据回旋返波管线性理论设计了一只中心工作频率在0.22THz的准光波导回旋返波管,采用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟研究,分析其工作特性。仿真结果表明:所设计的回旋返波管可获得14kW 的峰值功率输出,输出功率大于5kW 时调谐带宽大于1GHz。

  太赫兹科学技术作为一门新兴的学科,自诞生以来由于其广阔的应用前景从而受到普遍的重视,发展形势迅速。太赫兹源作为太赫兹技术发展的基础,一直被人们看着是太赫兹科学技术发展前进过程中的重点。电子回旋脉塞作为一种重要的毫米波-太赫兹辐射源器件,在等离子体加热、受控核聚变、等离子体诊断、毫太赫兹雷达、通信及电子对抗、工业加工等方面有着十分重要的应用前景,近30年一直受到各国研究者的广泛关注。

  电子回旋脉塞是一种快波器件,其工作原理基于电子在磁场中的回旋谐振受激辐射机理,不需要像传统微波、毫米波真空电子器件那样需要慢波系统,并且可在太赫兹波导中实现大功率输出。目前俄罗斯应用物理研究所已研制出1THz以上频率的电子回旋脉塞器件,我国电子科技大学也研制出0.22THz与0.42THz的电子回旋脉塞器件。

  电子回旋脉塞器件主要有回旋单腔管、回旋速调管、回旋行波管以及回旋返波管等类型,其中回旋返波管作为一种具有调频功能的器件,应用潜力十分远大。但当器件的工作频率逐渐升高时,为了解决尺寸共渡效应以及功率容量等问题,往往需要使用高次模作为工作模式,这就引入了模式竞争问题。在太赫兹频段,由于器件的尺寸很小,模式竞争也就更加难以抑制,因此调谐性能严重下降,所以需研究新型结构的适用于太赫兹频段的回旋返波管。

  美国MIT提出采用一种准光结构作为回旋管的高频结构,并采用该结构成功研制出0.14THz回旋单腔管与回旋行波管。本文采用这种准光结构设计了一只中心工作频率0.22THz,工作模式为HE0 6模的准光波导回旋返波管,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对设计进行了模拟分析。

1、回旋返波管原理

  回旋返波管(Gyro-Backward wave oscillator,Gyro-BWO)是在外加磁场引导的回旋电子注与高频结构中电磁波的返波相互作用的一类电子回旋脉塞器件。回旋返波管的电子回旋谐振条件如下[4]:

ω-kzvz-sΩc =0, (1)

  式中:s是谐波数,kz是纵向波数,ω 是波的角频率;vz是电子的轴向速度,Ω=eB/(γ0m)是相对论电子回旋频率,γ0=(1-β2)-1/2是相对论因子,v是电子速度,c是光速。

  当回旋电子注通过高频结构时,由于受到TE模E场的作用,电子速度会发生变化,从而导致一部分电子处于加速状态,一部分电子处于减速状态,电子回旋频率也会随之变化。这种回旋频率的变化进一步导致回旋轨道中相位的群聚。所以当波的多普勒漂移频率略大于电子回旋频率Ω 或其谐波频率sΩ 时,高频场使得大部分电子处于减速区,经过一段时间,回旋电子注在角向形成群聚,电子注交出能量,高频场获得能量,就形成了电子注与场的能量交换。耦合色散曲线如图1表示了回旋返波管的工作点。

回旋返波管色散曲线

图1 回旋返波管色散曲线

  在回旋返波管中,工作频率将随着回旋电子注的色散曲线倾斜深度的不同而不同,这就是说,它是ν⊥的函数,从而也就是加速电压V 的函数,因此,回旋返波管的震荡频率能在相当宽的频率范围内通过调整电压来实现连续调谐。

结论

  本文设计了一只中心工作频率在0.22THz的准光波导回旋返波管,根据回旋管线性理论选取了工作参数,并采用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行了模拟分析。模拟结果表明:在B=8.4T,I=7A,#=1.5,L=21mm,V=40kV时,可获得14kW 的峰值功率输出和5%的效率,调节电压35~50kV,频率变化220.7~219.5GHz,输出功率大于5kW,说明本文设计的回旋返波管具有大于1GHz的调谐带宽,本文可为准光波导回旋器件的实验与研发奠定了一定的基础。

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