【摘要】：太赫茲(THz)波是介于微波和紅外之間、頻率在0.1THz-10THz之間的電磁波。太赫茲波具有:(1)對大多數(shù)非金屬的介質有著較強的穿透力;(2)太赫茲波的穿透性會隨著水和組織密度的改變而改變;(3)相較于X-射線,太赫茲波具有很小的電離性;(4)由于其中心工作頻率較高,相對于中心頻率較低的器件其絕對帶寬具有很大優(yōu)勢;(5)采用太赫茲波作為探測源的器件,得益于較高的頻率,通常具有更高的分辨率;(6)相較于紅外線,在雨中或者其他惡劣氣象條件下,其損耗相對較小等優(yōu)點。這些優(yōu)點使得太赫茲波在工業(yè)、科研和國防上有著誘人的應用前景。但由于材料科學、研究手段以及精密加工水平等條件的限制,長期以來太赫茲器件的發(fā)展極為緩慢,以致于出現(xiàn)了所謂的太赫茲間隙(THz Gap)。近年來材料科學、計算機科學以及精細加工等方面的快速發(fā)展,為開展高增益、寬帶寬以及小型化的太赫茲器件的研究提供了前提條件,為填補太赫茲間隙,促進太赫茲科學技術的發(fā)展奠定了基礎。相較于核磁共振與低頻段(頻率低于100GHz)電子順磁共振檢測技術,太赫茲頻段的電子順磁共振檢測儀在分辨率和靈敏度方面具有很大的優(yōu)勢,在醫(yī)學檢測、化學研究以及工業(yè)生產中都具有良好的應用前景。但由于中等功率(幾十瓦)太赫茲信號源的匱乏,太赫茲頻段的電子順磁共振技術的發(fā)展遇到了瓶頸。本論文對帶狀束器件的交錯雙柵周期慢波結構、大電子通道寬帶耦合器、混合模式輸出窗、高電子發(fā)射密度帶狀束電子槍以及周期永磁聚焦磁體等重要部件都進行了探索性的研究;并在相關研究的基礎上設計了一支太赫茲波段(263GHz)帶狀束行波管。論文首先從交錯雙柵周期慢波結構的色散與耦合阻抗特性的理論出發(fā),深入地研究了這種慢波結構中場分布以及能量儲存特性,并在此基礎上對通常使用的耦合阻抗進行了修正。結合Pierce小信號增益分析理論、返波振蕩分析理論對交錯雙柵帶狀束行波管互作用線路的性能進行了總體的評估。在理論分析與仿真模擬的輔助下,為加州大學-戴維斯分校(UC-Davis)260GHz順磁共振探測系統(tǒng)設計了中心頻率為263GHz、工作帶寬大于20GHz的太赫茲輻射放大器。模擬結果顯示,在19000V、0.15A的帶狀束驅動下,在工作頻帶內該真空電子器件可輸出50W的功率,實現(xiàn)30dB的增益;且其零驅PIC粒子模擬顯示,所設計的帶狀束行波管有效地抑制了再生振蕩與返波振蕩的產生,可以穩(wěn)定的工作。其次本文詳細地研究了帶狀束電子槍以及可調式周期永磁聚焦磁體。分別為200GHz雙模帶狀束行波管與263GHz帶狀束行波管設計了可調式帶狀束電子槍與高電流密度電子槍。通過調節(jié)橫向聚焦極的距離,200GHz可調式電子槍可以發(fā)射出0.0866A的低電流帶狀束來驅動低增益、連續(xù)波工作模式的200GHz帶狀束行波管;也可以產生0.2126A的高電流帶狀束來驅動200GHz帶狀束行波管來產生高增益的脈沖電磁輻射。與此同時,在1.2T的均勻磁場的聚焦作用下,低電流帶狀束與高電流帶狀束均實現(xiàn)了良好的電子流通率。263GHz帶狀束電子槍采用了復雜曲面陰極來壓縮電子束,來產生高質量的帶狀束、提高帶狀束的流通率。與此同時,還對帶狀束的傳輸理論進行了分析,研究了帶狀束的流通性以及其影響因素。在理論分析的基礎上,為了約束263GHz帶狀束電子槍發(fā)射出的電子束,本文設計了可調式周期永磁-可調式四極磁體(Permanent Cups Magnet Tunable Quadrupole Magnet,PCM-TQM)。模擬結果顯示,即使考慮電磁波對電子束的調制作用與磁塊剩磁波動的影響,263GHz帶狀束電子槍發(fā)射的電子束在該聚焦系統(tǒng)的約束下也可實現(xiàn)高達95.85%的熱電子傳輸效率。接著本文詳細介紹了帶狀束行波管的其他相關部件的研究與設計。首先介紹了通過混合模式傳輸來擴寬傳輸帶寬的盒型窗,并通過S參數(shù)仿真以及熱分析兩方面來驗證了該設計的可行性。為了降低高頻率電磁波在傳統(tǒng)波導傳輸線路上的損耗,本文為260GHz順磁共振系統(tǒng)設計了低損耗、高純度的波紋波導遠距離傳輸系統(tǒng)。最后,根據(jù)帶狀束的特點為263GHz帶狀束行波管設計了相應的電子收集系統(tǒng)。通過尾端引導磁體的引入、橢圓形收集極的采用,新的收集系統(tǒng)大大縮短了帶狀束收集系統(tǒng)的長度,提高了電子的收集效率。本文的最后給出了部分前文所設計的器件的加工實物與測試結果。測試結果驗證了前面的部分設計,并為進一步改進設計、修正加工誤差指引了方向。
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【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN124

【參考文獻】

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本文編號：2351727