【摘要】：太赫茲波(THz)處于毫米波與紅外光之間,所以它既具有毫米波的特性又具有光的特性。由于太赫茲波的特殊性,它有著非常突出的應(yīng)用前景和價(jià)值,所以對太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究已經(jīng)成為了當(dāng)今科學(xué)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。而太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的基礎(chǔ)和前提是太赫茲輻射源的研究,基于電子回旋脈塞機(jī)理的回旋管已被證實(shí)是最有可能實(shí)現(xiàn)大功率、高效率太赫茲輻射源的電真空器件,所以對太赫茲回旋管的研究非常具有意義。由回旋管理論可知,隨著對輸出功率和工作頻率要求的提高,為了增加互作用腔的功率容量和緩解由于尺寸共度效應(yīng)引起的一系列問題,太赫茲回旋管通常工作于高階模式;同時(shí)為了緩解由于頻率提高而帶來的磁場增加的問題,太赫茲回旋管選擇工作于高次諧波狀態(tài)。但是高次諧波高階模工作帶來了一個(gè)嚴(yán)重的問題—模式競爭,它是影響回旋管實(shí)現(xiàn)大功率、高效率太赫茲波源輻射的主要因素。因此本論文將對高階模太赫茲回旋管中注-波互作用進(jìn)行分析并對其中的模式競爭問題展開深入研究。結(jié)合我校承擔(dān)的國家“十二·五”計(jì)劃項(xiàng)目“XXX電子回旋脈塞太赫茲源研究”,利用自制的回旋管線性和非線性數(shù)值模擬程序設(shè)計(jì)了一支0.42 THz,TE_(17.4)二次諧波漸變復(fù)合腔回旋管,詳細(xì)分析了腔體結(jié)構(gòu)尺寸變化對漸變復(fù)合腔冷腔特性的影響,同時(shí)還研究了電子注參數(shù)、磁場、電子注質(zhì)量等多種因素對復(fù)合腔回旋管中注-波互作用效率的影響。根據(jù)線性和非線性模擬結(jié)果,利用時(shí)域多模非線性理論對設(shè)計(jì)的0.42 THz漸變復(fù)合腔回旋管中的模式競爭進(jìn)行了模擬研究,深入討論了窗片和激光功率探頭反射、歐姆損耗、電子注質(zhì)量等多種因素對模式競爭的影響�；跀�(shù)值模擬,對設(shè)計(jì)的0.42 THz漸變復(fù)合腔回旋管進(jìn)行了加工和熱測實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)要求。本論文的主要研究內(nèi)容及貢獻(xiàn)如下:1.基于圓波導(dǎo)耦合波理論,編制了漸變復(fù)合腔的冷腔模擬程序,經(jīng)驗(yàn)證其模擬結(jié)果與HFSS,CST等商業(yè)軟件非常接近。同時(shí)詳細(xì)分析了腔體結(jié)構(gòu)尺寸變化對漸變復(fù)合腔冷腔特性的影響,并初步設(shè)計(jì)了工作頻率為0.42 THz,工作模式為TE_(17.4)的漸變復(fù)合腔高頻結(jié)構(gòu)。2.起振電流是回旋管模式競爭研究的前提,論文從起振電流的定義出發(fā)推導(dǎo)了漸變復(fù)合腔結(jié)構(gòu)中模式起振電流的具體表達(dá)式,并編制了漸變復(fù)合腔起振電流模擬程序。利用該程序詳細(xì)分析了電子注質(zhì)量,歐姆損耗,工作模式對的相位差等多種因素對模式起振電流的影響。3.基于有源傳輸線方程和相對論下的電子運(yùn)動(dòng)方程,詳細(xì)推導(dǎo)了漸變復(fù)合腔回旋管注-波互作用方程,編制了相應(yīng)的模擬程序,并與CST粒子模擬軟件進(jìn)行了對比驗(yàn)證。同時(shí)利用編制的模擬程序討論了多種因素如電子注電壓,電流,磁場,電子注質(zhì)量等對注-波互作用效率的影響。最終給出了0.42 THz二次諧波漸變復(fù)合腔回旋管的最佳熱腔工作參數(shù),該回旋管能夠?qū)崿F(xiàn)功率為78.78 kW,頻率為420.0210 GHz的太赫茲波輸出,同時(shí)對輸出窗進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)。4.基于時(shí)域多模非線性模型,編制了漸變復(fù)合腔回旋管模式競爭的數(shù)值模擬程序。利用該模擬程序?qū)υO(shè)計(jì)的0.42 THz漸變復(fù)合腔回旋管中模式競爭問題進(jìn)行了研究,并討論了電子注質(zhì)量,歐姆損耗,輸出窗和激光功率探頭的反射等多種因素對模式競爭的影響。研究結(jié)果表明工作模式TE_(17.4)在選取的工作參數(shù)范圍內(nèi)能夠首先被激勵(lì)起來并穩(wěn)定地參與注-波互作用,而競爭模式在整個(gè)互作用過程都得到了很好地抑制,同時(shí)還表明漸變復(fù)合腔結(jié)構(gòu)在抑制模式競爭方面具有明顯的優(yōu)勢。5.基于線性理論、非線性理論和模式競爭的大量模擬,對0.42 THz漸變復(fù)合腔回旋管進(jìn)行了加工和實(shí)驗(yàn)測試。測試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的0.42 THz漸變復(fù)合腔回旋管能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖功率為19.3 kW,頻率為421.645 GHz的太赫茲波輸出。針對于輸出功率和工作頻率與理論值存在一定的偏差,本論文詳細(xì)分析了加工誤差,電子注質(zhì)量,電壓上升沿和過沖現(xiàn)象,輸出窗及功率探頭的反射等多種因素對注-波互作用的影響。研究結(jié)果表明當(dāng)考慮合適的影響因素時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠與理論模擬值很好地吻合。
【圖文】：

于太赫茲波介于毫米波和紅外光之間，所以它既具有光的特性又具有毫米波性。正是由于太赫茲波的特殊性，它在物體成像，環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療診斷，射線，寬帶通信，雷達(dá)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-6]，如圖 1-2 所示，太赫茲技于檢測人體衣物內(nèi)的刀具、槍械等物品，由于它具有非接觸、探測距離遠(yuǎn)、對無傷害等特點(diǎn)，因此對 THz 科學(xué)技術(shù)的研究具有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用[7-26]。同時(shí)由于太赫茲波的特殊性導(dǎo)致無法使用常規(guī)手段對太赫茲波進(jìn)行研電子學(xué)角度出發(fā)，太赫茲波波長太短，，常規(guī)器體的尺寸太小，導(dǎo)致器件的功率急劇降低和加工難度增加；從光子學(xué)角度出發(fā)，太赫茲波的頻率又太低，導(dǎo)致之間距離太近，量子效率過低，一般的光學(xué)器件很難在 10THz 以下的頻段內(nèi)。所以太赫茲頻段是目前唯一沒有被深入認(rèn)識(shí)和充分利用的頻段，形成了一個(gè)相對落后的“太赫茲空白”。由于太赫茲科學(xué)技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景，而且還是一未開發(fā)的前沿領(lǐng)域，所以太赫茲技術(shù)受到了世界各國高度重視。太赫茲科學(xué)技美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一；日本政府把太赫茲科學(xué)技術(shù)確立家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)之首”；中國于 2005 年召開了以“太赫茲科學(xué)技新發(fā)展”為主題的學(xué)術(shù)討論會(huì)，大力發(fā)展我國的太赫茲科學(xué)技術(shù)[1-3]。

回旋管則是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、大功率太赫茲源輻射的電真空器件體器件的頻率可調(diào)、價(jià)格相對低廉、占用體積小等優(yōu)勢，回旋管的優(yōu)高效率、大功率等方面。所以太赫茲回旋管成為雷達(dá)、遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)等太赫茲研究應(yīng)用的最好選擇。正是由于回旋管是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)大功赫茲源輻射的器件，各國都對其進(jìn)行了深入的研究并取得非常不錯(cuò)斯的科學(xué)院應(yīng)用物理研究（IAP）所報(bào)道了如圖 1-4 所示工作頻率為 率為 0.5 kW 的太赫茲回旋管，這是所報(bào)道的最高頻段的太赫茲回太赫茲回旋管工作于基波狀態(tài)，故采用了 40T 的脈沖磁場；同時(shí)俄羅馬里蘭大學(xué)共同研制了如圖 1-5 所示工作頻率為 670GHz，脈沖輸出 210kW 的太赫茲回旋管，這是報(bào)道的回旋管在太赫茲頻段能夠產(chǎn)生]；日本福井大學(xué)研制出了工作頻率為 389 GHz, 輸出功率為 83 kW赫茲回旋管[39]，該回旋管已經(jīng)應(yīng)用于等離子體的檢測和核磁共振等其他國家也對太赫茲回旋管進(jìn)行了大量的研究[40-43]，但由于關(guān)鍵技有取得非常突出的成果。所以本論文結(jié)合我校承擔(dān)的國家“十二 五赫茲回旋管中一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入地研究。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN11

【參考文獻(xiàn)】

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1 雷文強(qiáng);蔣藝;胡林林;馬國武;孫迪敏;;大功率太赫茲回旋管的腔體分析與模擬[J];太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào);2014年01期

2 何明霞;陳濤;;太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究[J];電子測量與儀器學(xué)報(bào);2012年06期

3 劉盛綱;鐘任斌;;太赫茲科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展[J];電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);2009年05期

4 劉盛綱;;太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展[J];中國基礎(chǔ)科學(xué);2006年01期

5 李宏福,杜品忠,楊仕文,謝仲憐,周曉嵐,萬洪蓉,黃勇;突變復(fù)合腔回旋管自洽場理論與模擬[J];物理學(xué)報(bào);2000年02期

6 李宏福;劉盛綱;;一種分布于圓周上的多導(dǎo)體結(jié)構(gòu)[J];成都電訊工程學(xué)院學(xué)報(bào);1987年04期

本文編號(hào)：2597781