a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ef u r t h e rr e s e a r c ho na l lk i n d so fm i c r o w a v ec o m p o n e n t s ，t h e y v eb e e n g r e a t l ya p p l i e da n dd e v e l o p e da tt h em i c r o w a v eb a n d w h e nw o r k i n gf r e q u e n c yh a s b e e np r o m o t e da tt h eb a n do fm i l l i m e t e ra n ds u bm i l l i m e t e r , f o rt h ed e f i c i e n c yb o t hi n s t r u c t u r e sa n dm a t e r i a l sa n dw o r k i n gm e c h a n i s m s ，c o m m o nm i c r o w a v et u b e sa r e f r u s t r a t e da tt h i sb a n df o rw o r k i n g ，e s p e c i a l l yf o re n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c ya n do u t p u t p o w e r h o w e v e r , t h ee m e r g e n c eo fg y r oc o m p o n e n t sb r e a k st h et r a d i t i o n a lm e c h a n i s m o fm i c r o w a v et u b e sa n dh e n c es o l v e st h ep r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e st h a th a v eb e e n e n c o u n t e r e df o rl o n g t h ee x p l o r a t i o na n du t i l i z a t i o na tt h eb a n do fm i l l i m e t e ra n ds u b m i l l i m e t e rb r i n g sap r o m i s i n gf u t u r ei nv a c u u me l e c t r o n i c sf i e l da n dd r a m a t i c a l l yp u t t h i sd i s c i p l i n ef o r w a r da sw e l l t h ef a s tw a v ed e v i c eg y r o t r o ni sb a s eo nt h er a d i a t i o nt h e o r yw h i c hi se x c i t a t e d b ye l e c t r o n sc y c l o t r o nr e s o n a n c e i t sf r e q u e n c yi sv e r yh i 曲e s p e c i a l l ya tt h em i l l i m e t e r a n ds u b m i l l i m e t e rw a v eb a n d a n di tc a np r o d u c eh i g ho u t p u tp o w e ri np u l s ea n d c o n t i n u u mw a v e i tc a nb eu s e di np l a s m ah e a t i n g ，a c c e l e r a t o r , r a d a r , c o m m u n i c a t i o n ， e l e c t r o nr i v a l r y ，m i c r o w a v ew e a p o na n ds oo n t h et h zr a d i a t i o nr e s o u r c ei so n eo ft h em a n ye m p h a s e sr e s e a r c h i n gi t e mi nt h z t e c h n i q u ea ti n t e m a t i o n a la c a d e m er e c e n ty e a r s b e c a u s et h et h zi s b e t w e e nt h e m i l l i m e t e rw a v ea n dt h ei n f r a r e d ，i ti sd i f f i c u l tt op r o d u c et h et h zr a d i a t i o nr e s o n a n c e b u tt h ea p p l i c a t i o ns u c ha st h er a d a r sa n df a rd i s t a n c ed e t e c t i n gn e e dg r e a tp o w e rt h z r e s o u r c e t h eg y r o t r o ni st h eo n l yd e v i c ew h oc a np r o d u c eg r e a tp o w e rt h zw a v e t h em e t h o do fp i c ( p a r t i c l e i n - c e l l ) s i m u l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h e c o m p u t a t i o n a lp h y s i c s i th a sg r e a ta d v a n t a g ei nt h er e s e a r c ho nt h el i n e a ra n dn o n l i n e a r p h y s i c a lm e c h a n i s m t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o nu s e dt oe x p l o r et h ep r o c e s so ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nf i e l da n de l e c t r o n sh a sp r o v e dt ob ee x c e l l e n t t h ea r t i c l e i n v e s t i g a t e3 0 0 g h zg y r o t r o n ，t h ea i mi s t or e s e a r c ht h er e l a t i o no f p a r a m e t e r i tc a np r o v i d es o m er e f e r e n c e dw o r t hf o rt h zr e s o u r c e f i r s t l y , t h ea u t h o r r e s e a r c h e st h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h eg y r o t r o n t h e o r ym o d e li sb a s e do nt h e e l e c t r o n sk i n e t i ce q u a t i o n ，h i g hf r e q u e n c yf i e l de q u a t i o n i i ! 生塑! ! ! ! 墮! b a s eo nt h er e s e a r c ho ft h e o r y , c o m p u t e rc o d et oc a l t yo u tt oc a l c u l a t eh a sb e e n d e v e l o p e da l o n gw i t ht h et h e o r y , s ot h e r e l a t i o no fp a r a m e t e ro ft h eg y r o t r o nh a sb e e n k n o w , t h r o u g hh f s st h ea u t h o rs i m u l a t et h ec o l dc a v i t y f i n a l l y , u s i n gt h em e t h o do fp i c ，t h ea u t h o r s i m u l a t i n g t h eg y r o t r o nw h i c h p a r a m e t e ri sc a l c u l a t e ，ig e ts o m er e s u l t ss u c ha st h ef i e l dd i s t r i b u t i o n ，f r e q u e n c ya n ds o o n i tc a np r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rt h e d e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h zr a d i a t i o n l e s o n a n t e k e y w o r d ：g y r o t r o n ，t h z ，p a r t i c l es i m u l a t i o n ，m a g i c i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 簽名： 塞磊 日期：硼年爐月ye t 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：塞是導(dǎo)師簽名： 日期：加2 年壚月日 第一章緒論 第一章緒論 近年來t h z 技術(shù)是國際學(xué)術(shù)界的研究熱點，其中t h z 輻射源是研究的重點之 一。由于t h z 波段處于毫米波與紅外線之間，t h z 輻射的產(chǎn)生困難很大，目前t h z 源的輸出功率大多在毫瓦數(shù)量級，對于雷達(dá)、遠(yuǎn)距離探測、醫(yī)學(xué)等重要應(yīng)用，需 要瓦級以上的輻射源。基于真空電子學(xué)產(chǎn)生的t h z 輻射源的研究工作取得了很大 的進(jìn)展，其中包括真空電子器件、電子迥旋脈塞、自由電子激光( f e l ) 、c h e r e n k o v 輻射等，甚至使用儲存環(huán)加速器來產(chǎn)生高亮度t h z 輻射。某些真空電子器件如反 波管、擴展互作用振蕩器、繞射輻射器件等的工作頻率已接近或達(dá)到1 t h z 。其中 回旋管是很有發(fā)展前景的太赫茲輻射源。 1 1 太赫茲的發(fā)展及應(yīng)用 太赫茲( t e r a h e r t z ) 波是指頻率在o 1 t h z 一1 0 t h z ( 波長為3 0 0 0 3 0 a m ) 范 圍內(nèi)的電磁波。由圖1 1 可見在長波段它與毫米波、亞毫米波相重合，而在短波段 與紅外線相重合，在電磁波譜中占有很特殊的位子。在技術(shù)與理論方面，太赫茲 的長波方向主要屬于電子學(xué)范疇，而在短波方向則主要屬于光子學(xué)，太赫茲這一 位子正好處于科學(xué)技術(shù)發(fā)展相對較好的微波毫米波與紅外線光學(xué)之間，形成了一 個相對落后的“空白”，這一“空白蘊含著深刻的物理意義【卜2 j 。 t h z 波段 l o o1 0 31 0 61 0 91 0 1 21 0 1 51 0 1 8i0 2 1l 瀘 h z k h zm h zg h zt h z p h z e h zz h zy h z頻率 圖1 - 1 太赫茲波段在電磁波譜中的位子 太赫茲波( 也稱t 射線) ，它具有毫米波的特點，可以穿透許多物質(zhì)。太赫茲 波也具有紅外光的特點，很容易在空間傳播、反射、聚焦、衍射。同時，太赫茲 波的光子能量很小，其光子能量約為x 射線的1 1 0 6 ( 頻率為1 t h z 的波) ，不會對 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 生物組織產(chǎn)生破壞作用，所以與x 射線相比更具有優(yōu)勢。經(jīng)過近十幾年的研究， 國際上對太赫茲輻射已經(jīng)達(dá)成如下的共識，即太赫茲是一種新的、有很多獨特優(yōu) 點的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，其獨特的性質(zhì)將在物 理、化學(xué)、信息和生物學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及材料、通訊、國家安全等技術(shù)領(lǐng)域 具有重大的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景，t h z 技術(shù)被認(rèn)為是改變未來世界的十大 技術(shù)之一。 雖然太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)只在近幾年才取得一定的成果，而且目前還 沒有適當(dāng)功率的小型化商品出現(xiàn)，但太赫茲技術(shù)的應(yīng)用早已得到同步開展這主 要歸功于太赫茲波在某些應(yīng)用領(lǐng)域的不可替代性例如，很多干燥的非極性非金 屬材料在太赫茲波段的穿透性很強；太赫茲波的能量很低( 1 t h z 約4 e m v ) ，對有機 組織無傷害；太赫茲脈沖的寬度一般在亞皮秒級，信噪比高，適合瞬態(tài)研究；采 用太赫茲t d s 技術(shù)可以直接測量太赫茲波電磁場的相位和振幅。正是太赫茲波的 這些特性才使它在許多領(lǐng)域受到了重視t h z 技術(shù)在成像技術(shù)、軍事安全、生物醫(yī) 學(xué)、天文物理等方面具有很好的應(yīng)用前景。 太赫茲波成像技術(shù)相對于可見光和x 射線有非常強的互補特征，其穿透能力 介于兩者之間，又不會對人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、 生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開展得最廣泛的研究。太赫茲波成像技術(shù)可 以利用相位信息進(jìn)行成像，許多干電介物質(zhì)對太赫茲波段基本是透明的，但是折 射率不同會引起太赫茲波相位的變化，從而實現(xiàn)對不同材料的鑒別。例如使用太 赫茲波成像技術(shù)在車站、機場對行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想，它可以準(zhǔn)確地 檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等【3 。5 】。對細(xì)胞水平的生物組織進(jìn)行成像， 主要是測量不同組織及其含水量對太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌及 其它組織表層病變的早期診斷等。通過太赫茲t d s 技術(shù)還可以同時探測太赫茲波 的相位和振幅變化信息，可以實現(xiàn)對材料光譜特性的研究，例如測定摻雜半導(dǎo)體 載流子的富集度和遷移率和研究高溫超導(dǎo)材料的特性等。 由于太赫茲波對材料的敏感性，太赫茲技術(shù)可以廣泛用于機場、碼頭等部門 及國土安全檢測。美國r p i 學(xué)院進(jìn)行的太赫茲波探測地雷試驗，在1 0 m 的范圍達(dá) 到了2 m m 的精度【6 】，另外有關(guān)太赫茲波炸藥探測和生化武器監(jiān)測的研究也正在開 展【7 圳。由于軍事應(yīng)用要求有高能量的光源、高靈敏度的探測技術(shù)和高穩(wěn)定性的系 統(tǒng)，目前實驗中采用的太赫茲系統(tǒng)大多都不能夠直接用于軍事用途但是由于太 赫茲波具有比毫米波更好的方向性和高的空間分辨率、比紅外光更大的帶寬和容 量，太赫茲波用于軍事和通信還是有很大的前景的，尤其是在太空環(huán)境下。 2 第一章緒論 太赫茲系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。除了前面提到的癌癥診斷外，還 可以采用反射型系統(tǒng)進(jìn)行太赫茲斷層掃描成像。太赫茲系統(tǒng)還有可能在外科手術(shù) 中用于實時檢查癌組織切除狀況，使患者避免復(fù)發(fā)或切除健康組織的危險；太赫 茲還可以得到比超聲波更清晰的軟組織成像，以方便醫(yī)生研究傷口愈合、腫瘤生 長等情況太赫茲在生物醫(yī)學(xué)上的其它用途還有：研究藥物和細(xì)胞的相互作用來指 導(dǎo)藥物生產(chǎn)；d n a 電荷傳遞分子機制的超快過程研究；核酸的電子轉(zhuǎn)移超快過程 研究等。 天文學(xué)是太赫茲技術(shù)的另一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。天體和星際輻射包含了 星際形成過程和星際介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的豐富信息，而太赫茲波段的觀測要比其它波 段有更低的背景噪聲。 隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，天文學(xué)家和天體物理學(xué)家對太赫茲波段天文觀測的 興趣日益增加。目前世界上已經(jīng)建造了多臺太赫茲波段的射電望遠(yuǎn)鏡，用于研究 銀河系星際云中復(fù)雜的物理狀態(tài)及結(jié)構(gòu)。 目前，( 1 ) 在美國包括常青藤大學(xué)在內(nèi)有數(shù)十所大學(xué)都在從事t h z 的研究工作， 特別是美國的一些重要的實驗室，如l l n l ( l a w r e n c el i v e r m o r e 國家實驗室) 、 l b n l ( l a w r e n c eb e r k e l e y 國家實驗室) 、s l a c ( 斯坦福直線加速器中心) 、j p l ( 噴氣 推進(jìn)實驗室) 、b n l ( b r o o k h a v e n 國家實驗室) 、n r l ( 海軍研究實驗室) 、a l s ( 高級 光源) 、o r n l ( 橡樹嶺國家實驗室) 等都在開展t h z 科學(xué)技術(shù)的研究工作。美國國 家基金會( n s f ) 、國家航天局( n a s a ) 、能源部( d o e ) 和國立衛(wèi)生研究院( n i h ) 等從 2 0 世紀(jì)9 0 年代中期開始對t h z 科技研究進(jìn)行了大規(guī)模的投入。 ( 2 ) 英國的r u t h e r f o r d 國家實驗室以及劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)、s t r a t h c l y d e 大學(xué)等 十幾所大學(xué)；德國的k f z 、b e s s y 、k a r l s r u h e 大學(xué)、c o h n 大學(xué)、h a m b u r g 大學(xué)等 科研院所和高校，都在積極開展t h z 研究工作。歐洲國家還利用歐盟的資金組織 了跨國家的多學(xué)科參加的大型合作研究項目。在俄國，國家科學(xué)院專門設(shè)立了一 個t h z 研究計劃，i a p 、i g p 及一些大學(xué)也都在積極開展t h z 研究工作。 ( 3 ) 在亞洲，日本政府于2 0 0 5 年1 月8 日，公布了日本未來1 0 年科技戰(zhàn)略規(guī) 劃，提出了1 0 項重大關(guān)鍵技術(shù)，將t h z 技術(shù)列為首位。東京大學(xué)、京都大學(xué)、大 阪大學(xué)、東北大學(xué)、福井大學(xué)以及s l l s c 、n t ta d v a n c e dt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 等公司也都大力開展了t h z 的研究與開發(fā)工作。此外，韓國的國立首爾大學(xué)、浦 項科技大學(xué)以及新加坡的國立新加坡大學(xué)等也都在積極開展t h z 方面的研究。 ( 4 ) 我國臺灣省的臺灣大學(xué)、臺灣清華大學(xué)等也積極開展了t h z 研究工作，并 發(fā)表了不少有分量的論文?？梢姡壳耙呀?jīng)在全世界范圍內(nèi)形成了一個t h z 技術(shù) 電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 研究高潮。 目前美國和歐洲在太赫茲技術(shù)領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢，約有一百個研究小組對太 赫茲的基礎(chǔ)理論和各種應(yīng)用研究開展了廣泛的討論和實驗。在亞洲地區(qū)，日本理 化研究所( r i k e n ) 己成為世界太赫茲技術(shù)的重要交流中心之一；韓國和中國臺灣地 區(qū)也相繼開展了太赫茲相關(guān)光電子材料、t h z 激光器、太赫茲光譜學(xué)和太赫茲生 物醫(yī)學(xué)成像等研究在國內(nèi)，太赫茲研究也已受到了極大的重視。進(jìn)入2 l 世紀(jì)以 來，太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，太赫茲科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了加速 發(fā)展時期。作為一個具有廣泛應(yīng)用前景的新興學(xué)科，在可以預(yù)見的將來，太赫茲 技術(shù)將和電磁波譜的其它波段一樣，給人類的社會生活帶來深遠(yuǎn)的影響。 1 2 太赫茲源的產(chǎn)生方法 在太赫茲技術(shù)及應(yīng)用中，太赫茲輻射源研究是太赫茲技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)， 有多種方法可以產(chǎn)生t h z 輻射，主要包括以下幾類【l o 】： ( 1 ) 光子學(xué)的t h z 發(fā)生器，如利用超短激光脈沖去激發(fā)太赫茲輻射源也是產(chǎn) 生脈沖太赫茲輻射的主要方法，常用的技術(shù)有光導(dǎo)和光整流技術(shù)。但其轉(zhuǎn)換的效 率很底，平均功率只有微瓦的數(shù)量級。 ( 2 ) 半導(dǎo)體t h z 源，半導(dǎo)體t h z 源具有小巧、價格低廉和頻率可調(diào)的特點， 是人們希望的一種太赫茲源，但這類技術(shù)的t h z 源中，大部分需要器件的制冷且 輸出功率較小，并且把頻率延伸到太赫茲也是具有很大的困難。 ( 3 ) 真空電子學(xué)的t h z 輻射源，如自由電子激光器，電子回旋管、反波管、 納米速調(diào)管、繞射輻射振蕩器等，這類技術(shù)產(chǎn)生的太赫茲源具有輸出功率較大， 可在常溫下工作的特點。不同的用途對t h z 源可能提出不同的要求，有的要求輸 出功率較大，有的要求較合適的頻率。 1 3 太赫茲回旋管的國內(nèi)外的發(fā)展 回旋管是很有發(fā)展前景的t h z 輻射源，美國馬薩諸塞州科學(xué)技術(shù)研究所設(shè)計 出太赫茲波段短脈沖回旋振蕩器【1 1 】。其突出特點是可在低電壓、低電流( 1 2 k v ， 1 0 0 m a ) 下連續(xù)運行，可工作在一次或二次諧波下的高階單一模式；基波條件下 的工作頻率2 3 0 g h z ，輸出功率7 0 w ；二次諧波下的工作頻率接近4 6 0 g h z ，輸出 功率達(dá)數(shù)瓦。 4 第一章緒論 發(fā)展高頻率，中等功率的回旋管【1 2 。13 1 ，從毫米到亞毫米波的波源，用于等離 子散射掃頻衰減測試技術(shù)【1 4 1 5 】，電子旋轉(zhuǎn)共振( e s r ) 實驗，等等。這種回旋管用 于基摸，二次，甚至三次回旋的電子回旋振蕩，但是這種回旋管在高磁場的條件 下工作，一般要高于1 0 t 。它們的很多優(yōu)點比傳統(tǒng)的回旋管要好，象頻率穩(wěn)定和功 率輸出相對較高。 日本f u k u i 大學(xué)報道他們近年來研究回旋管的系列成梨1 7 j ，日本f u l “i 大 學(xué)研究的g y r o t r o nf us e r i e s 是一種高功率中等功率的發(fā)射源，頻段從毫米波到亞 毫米波段。g y r o t r o nf us e r i e s 一共有7 支回旋管組成。該系列的主要特點是：具 有很高的工作頻率，其中最高頻率達(dá)到1 t h z ，該工作頻率下采用了超導(dǎo)磁鐵，提 供磁場脈沖強度2 1 t ，調(diào)節(jié)工作磁場，系列回旋管覆蓋的頻率范圍范圍3 8 1 0 0 0 g h z ；該系列回旋管具有中等的輸出功率，運行在基波時的輸出功率可以從幾 百瓦到幾十千瓦，二次諧波時的輸出功率從幾十瓦到幾千瓦。 其中g(shù) y r o t r o nf ui 【1 8 】頻率從3 8 - 2 2 0 g h z 被用于e s r 實驗的散射源。 g y r o t r o nf ui i 【1 9 】是這系列里第一個毫米波的器件，最大頻率是4 0 2 g h z ，在日 本被用于國際核科學(xué)學(xué)會的緊密螺旋( c h s ) 中，也用于研究模式競爭【2 0 】和模式 激勵【2 l 】這些研究給以后研究提高效率指出了方向。 g y r o t r o nf ui i i 【2 2 】其頻率已經(jīng)達(dá)到6 3 6 g h z ，證實了回旋管振幅的調(diào)制【2 3 】和頻 率的轉(zhuǎn)換【2 4 】被用于紅外光譜檢測的發(fā)射源。結(jié)構(gòu)如圖1 2 。 1 零 盤 立 ￥ - - 5 d n l m 一t e “，m m - - - - ”番o t r i m _ 圖1 - 2g y r o t r o nf ui i i 腔體結(jié)構(gòu) g y r o t r o nf ui i i 被設(shè)計成取很大的q 值，這樣回旋振蕩的電子的起振電流的 閥門值將減小。例如：碣。，的q 值在5 9 5 g h z 的時候是q = 1 2 3 0 0 。 g y r o t r o nf ui i i 在1 2 t 磁場的條件下，提供了許多在基模和二次回旋下輸出 功率為幾百瓦的頻率從1 5 0 g h z 到6 3 0 g h z 。這種頻率覆蓋毫米波到亞毫米，功率 幾百瓦的回旋管是理想的散射測試和遠(yuǎn)紅外分光鏡的發(fā)射源。 g y r o t r o nf uw a 2 5 】頻率從1 6 0 到8 8 9 g h z 許多是在單一的模式和基摸的條 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 件下產(chǎn)生的。這只回旋管用于高頻率的e s r 實驗的發(fā)射源。其結(jié)構(gòu)如圖： ii 毒 竺 “ ； _ d m m 一 圖l - 3g y r o t r o nf ui v a 腔體結(jié)構(gòu) 設(shè)計是從計算機模擬開始的，采用很小的腔體半徑來獲得很好的模式分離， 然后在眾多模式的條件下運算基摸，二次回旋，和三次回旋。這種運算對高頻率， 諧波回旋管很重要。列如，圖1 3 中，直徑只有3 2 3 m m 。1 7 t 的超導(dǎo)磁場用于 g y r o t r o nf ui v 。 g y r o t r o nf u 在磁場b o = 1 0 8 8 t ，加速電子速電壓k = 1 4 k v ，電子電流 i b = 0 0 8 a ，腔體內(nèi)的模式為t e 0 3 | 其輸出頻率為3 0 1 9 g h z ，輸出功率為1 1 2 k w ， 效率為1 5 3 。 2 0 0 6 年3 1 屆國際紅外微波會議上日本f u k u i 大學(xué)發(fā)表了設(shè)計4 0 0 g h z 回旋管 用于d n p n m p 光譜的文章【2 6 】中提出的方案產(chǎn)生了頻率為3 9 4 6 g h z 的回旋管方 案。運行模式采用匾。，陰極電壓2 5 k v ，陽極電壓一2 2 3 k v ，電流1 5 0 m a ，輸出 功率為1 0 0 w a t t ，口= 1 6 ，磁場鼠= 7 3 5 t ，腔體半徑2 3 6 m m ，腔體長度1 5 m m ，品 質(zhì)因數(shù)q = 1 1 2 4 3 ，電子半徑= 0 5 4 m m ，陰極半徑r = 4 5 m m ，入口和出口的角度 為6 度和2 5 度，效率為2 7 ?？梢员容^的是在1 9 9 2 年發(fā)表的關(guān)于二次回旋的文 章 2 7 】腔體結(jié)如圖1 4 。 圖143 8 4 g h z 二次諧波腔體結(jié)構(gòu) 采用的模式也是甌。，陰極的電壓理論值為4 0 k v ，電流為0 6 a ，磁場為7 3 1 t ， 輸出頻率為3 8 4 g h z ，功率為l 千瓦，效率為4 1 ，經(jīng)過實驗測定電流需要1 0 5 a ， 磁場為7 4 3 t ，輸出1 3 千瓦，效率為3 。 日本f u k u i 大學(xué)這一系列的研究成果是目前太赫茲波段回旋管的重要成果之 o 6 第一章緒論 4 6 0 g h z 回旋管的設(shè)計是基于在m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t ef o rt e c h n o l o g yf o rd n p e x p e r i m e n t s2 5 0 g h z 【2 8 。3 0 】回旋管設(shè)計的，對于4 6 0 g h z 二次回旋的結(jié)果分析在文獻(xiàn) 1 1 中。 圖1 - 54 6 0 g h z 二次諧波腔體結(jié)構(gòu) 美國海軍實驗室也研究了具有超高磁場( 1 6 6 t ) 的太赫茲波段的回旋振蕩器， 工作頻率5 0 0 - - - 1 0 0 0 g h z 。 俄羅斯科學(xué)院應(yīng)用物理研究所( i a p ) 正在研制頻率1 t h z ，脈沖輸出功率的 回旋管。 我國真空電子器件已有相當(dāng)好的基礎(chǔ)，電子科技大學(xué)在真空電子器件方面的 研究工作也已有近3 0 年的歷史，回旋管的研究工作已在電子科技大學(xué)和中國科學(xué) 院電子學(xué)研究所進(jìn)行。 1 。4 學(xué)位論文的工作與貢獻(xiàn) 本論文利用回旋管線性及非線性理論對3 0 0 g h z 回旋振蕩管進(jìn)行了初步的探 究，旨在得出一套關(guān)于此回旋管互作用區(qū)的完整參數(shù)以及設(shè)計方案。通過理論推 導(dǎo)輔助以基于m a t l a b 的編程計算，本文確定了該回旋管的工作模式，得出了起 振電流，工作電壓、工作電流、以及腔體尺寸等重要參數(shù)。最后，利用仿真軟件 m a g i c 對各項參數(shù)進(jìn)行了模擬驗證。本文為我國此項研究的進(jìn)一步發(fā)展與完善，提 供了有益的參考。 本文結(jié)構(gòu)如下： 第一章緒論 詳細(xì)介紹了太赫茲的發(fā)展及產(chǎn)生太赫茲的途徑，以及太赫茲回旋管國內(nèi)外的 發(fā)展。 7 電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章回旋管的理論研究 介紹回旋管的理論方法，闡述了回旋管的互作用方程、運動方程以及電子注 與波互作用功率及起振電流的計算。 第三章回旋管的冷腔設(shè)計 通過回旋管的理論，研究3 0 0 g h z 回旋管的腔體尺寸的基本參數(shù)的關(guān)系，包括 腔體尺寸，選取電壓、電流、磁場等。 第四章回旋管粒子模擬( p i c ) 方法分析 通過仿真軟件m a g i c 對3 0 0 g h z 回旋管一次諧波和二次諧波所選參數(shù)進(jìn)行模 擬，在不同引導(dǎo)中心下對一次諧波進(jìn)行了模擬，對3 0 0 g h z 頻率的要求進(jìn)行了驗證。 第五章總結(jié) 對全部論文工作進(jìn)行總結(jié)。 第二章同旋管的! r 作原理和理論基礎(chǔ) 第二章回旋管的工作原理和理論基礎(chǔ) 2 1 電子回旋脈塞 電子在磁場中作回旋運動的回旋頻率為： q = s 噥o y ( 2 1 ) 式中 q o - - p l o m o ( 2 2 ) y ：( 1 _ z 1 - i ，2 ( 2 3 ) = v c ( 2 - 4 ) j 為諧波次數(shù)，由于相對論因子，正比于電子運動的動能，在考慮相對論效應(yīng) 的情況下，電子的回旋頻率反比于電子的動能，即電子的動能越大，回旋頻率越 小：電子的動能越小，回旋頻率越大。電子的回旋半徑由下式確定： r ：生：j l ( 2 5 ) 。 嚷嚷o m o 式中p 表示電子的橫向動量。由此可見，能量大的電子，回旋半徑也大，而能 量小的電子回旋半徑也小。在電子注與電磁波相互作用的過程中，把能量交給波 場的電子，回旋頻率增大，回旋半徑減小：而從波場獲得能量的電子，回旋頻率 減小，回旋半徑增大，其結(jié)果就產(chǎn)生了電子注的群聚，這種電子注的群聚是由于 電子運動的相對論效應(yīng)而引起的。略去相對論效應(yīng)，這種群聚現(xiàn)象就不存在。 我們可以看到，當(dāng)電磁波的頻率略小于電子的相對論回旋頻率時，由于整個 電子的群聚塊逐漸進(jìn)入加速電場，電子將從場獲得能量，反之，當(dāng)電磁波的頻率 略大于電子的相對論回旋頻率時，電子的群聚塊逐漸進(jìn)入減速電場，電子將把能 量交給電場，從而引起波場的激發(fā)，這就是電子回旋脈塞的基本原理。要使電子 把能量交給電磁波，電子注與波之間必須滿足一定的關(guān)系： 9 電子科技火學(xué)碩+ 學(xué)位論文 緲一一n 一些0 ( 2 - 6 ) 式中緲為波的頻率，k 為波的傳輸常數(shù)，u 為電子的軸向速度，s 為諧波次數(shù)。 這個關(guān)系被稱為回旋諧振條件。 由方程式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 4 ) ，我們還可以看出，電子的回旋頻率和回旋半徑與 直流磁場密切相關(guān)：電子的回旋頻率與直流磁場成正比，回旋半徑與直流磁場成 反比。 2 2 回旋管的結(jié)構(gòu)與工作機理 在電子回旋脈塞的機理上建立起來的回旋管已經(jīng)成為一大類器件，回旋管以 其工作頻率高，輸出頻率可以很大的優(yōu)點，已經(jīng)成為t h z 源的一個研究重點。 c 龜t h o d e e m it t i n g s t r i p 0 嘰 $ o l e n o id 圖2 - 1 回旋振蕩管結(jié)構(gòu)圖 回旋管的工作原理【3 卜3 3 】 下面簡單來討論一下電子回旋脈塞中電子與場的互作用物理過程，以便對電 子回旋脈塞的機理有一個清楚的圖像。主要討論電子的群聚過程。 磁控注入式電子槍提供一環(huán)形空心電子注，電子注經(jīng)過一段緩變上升的磁 場，產(chǎn)生絕熱壓縮，使電子的能量大部分轉(zhuǎn)化為回旋能量。而電子進(jìn)入的互作用 腔一般為圓柱形開放式諧振腔，可工作在。模式下。電子在此互作用腔中與場 產(chǎn)生相互作用，電子把能量交給場，而電磁波通過真空窗輸出。 圖2 2 和圖2 3 表示電子注在橫截面上的運動。電子環(huán)上每個電子都在作回 旋運動，由于我們研究的是日。模式，所以我們可以考察任一個電子回旋系統(tǒng)。 我們來研究作回旋運動的電子受高頻場的作用。由于在弱相對論效應(yīng)下，高頻磁 1 0 第二章回旋管的j i ：作原理和理論基礎(chǔ) 場比高頻電場的影響小的多，所以在定性討論時，我們略去高頻磁場。 2 l 3 圖2 - 2 未考慮相對論效應(yīng)時的電子回旋系統(tǒng)圖2 - 3 考慮相對論效應(yīng)時的電子回旋系統(tǒng) 在每一個這樣的電子回旋系統(tǒng)中有為數(shù)眾多的電子回旋在軌道上。我們來考 察三個典型的電子，即圖2 - 2 中所示的1 ，2 ，3 號電子。假定第1 號電子在作回 旋運動時，所處的相位不受高頻電場的作用，因而其運動狀態(tài)不變。這樣，第3 號電子則處于高頻場的加速相位，因而從場中獲得能量。而第2 號電子所處的相 位則受到場的減速，因而失去能量?，F(xiàn)在假定電子的非相對論回旋頻率與電磁場 的頻率很接近，即 緲蘭c d = e b o m o ( 2 - 7 ) 我們假定。波在角向的旋轉(zhuǎn)方向與電子相同，即電子作右旋，則電磁波為右旋波。 反之也一樣。電子的旋轉(zhuǎn)運動由其角速度即回旋頻率確定，而波的旋轉(zhuǎn)速度則由 波的頻率決定。由此，電子在旋轉(zhuǎn)時，波的相位也在發(fā)生變化。但由于條件( 2 7 ) ， 所以電子與波的相對相位幾乎可以保持不變，這可以由圖2 2 可看出。 一段時間以后，l 號電子旋轉(zhuǎn)一定的角度，由于略去相對論效應(yīng)后，電子的 回旋頻率是一個常數(shù)，所以2 號電子和3 號電子也旋轉(zhuǎn)了相同的角度。但是它們 的回旋半徑卻不同了。因為 名= 吒國。 ( 2 - 8 ) 所以，1 ，2 ，3 號電子相對于電磁波在相位上沒有變化，但其徑向位置卻改變了。 現(xiàn)在來看看，考慮相對論效應(yīng)以后的情況如何。這時，電子的回旋頻率為 國。= 緲。r ( 2 - 9 ) 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 7 = i , - l 善1 2 ) - 1 2 可見當(dāng)電子速度增加時，回旋頻率下降，而當(dāng)電子速度減小時， 大。這樣，電子運動就如圖2 - 3 所示，如果我們假定 ( 2 - 1 0 ) 回旋頻率反而增 蘭國。 ( 2 一1 1 ) 則經(jīng)過一段時間以后，1 號，2 號，3 號電子的相對位置就如圖2 2 所示。這時受 加速的電子由于回旋頻率的減小，因而向后靠攏l 號電子；而受減速的電子由于 回旋頻率增大，而趕上接近于l 號電子。因此，我們有 矽 f p o ( 2 1 2 ) 這樣就發(fā)生了電子的相位群聚。不過，在這種情況下，這三個電子總的來講，與 場無凈的能量交換，因為2 號電子被加速，3 號電子被減速，得失相抵。但是，如 果有條件 國國。 ( 2 1 3 ) 則情況就不同了。這時，角向群聚的電子整個移向減速場，從而使得總的來講， 電子受到的減速作用多于加速。這樣，電子與場就有了凈的能量交換，而在所述 的情況下，電子將把能量交給場，這只是振蕩與放大所要求的。 以上討論告訴我們，電子的角向群聚只是由于相對論效應(yīng)引起的。所以電子的 回旋脈塞不穩(wěn)定性的物理基礎(chǔ)是電子運動的相對論效應(yīng)。 在回旋管中，環(huán)形電子注內(nèi)有無數(shù)個電子在作回旋運動，每一個回旋圓周軌 道上都有為數(shù)眾多的電子在作回旋運動，它們與波相互作用的結(jié)果都會發(fā)生如上 所述的以相對論運動為基礎(chǔ)的群聚。因此，總的結(jié)果，就得到電子回旋脈塞不穩(wěn) 定性。 2 3 回旋管理論 自電子回旋脈塞被發(fā)現(xiàn)以來，各國專家、學(xué)者對回旋管進(jìn)行了大量的研究工 作，在研究過程中逐步建立了研究回旋管的理論和方法?，F(xiàn)在人們普遍采用回旋 管的線性理論和非線性理論來研究回旋管。 回旋管線性理論，又稱為回旋管動力學(xué)理論，源自等離子體物理研究中的動 1 2 第二章回旋管的i ：作原理利理論基礎(chǔ) 力學(xué)理論，以線性伏拉索夫方程為基礎(chǔ)。它成功地把經(jīng)典統(tǒng)計物理與經(jīng)典電動力 學(xué)結(jié)合起來，形成一種獨特的理論體系。該理論的研究揭示了電子回旋脈塞的機 理以及電子與波互作用的物理機理，是研究回旋管的基礎(chǔ)理論。線性理論中，有 兩種不同的方法，一種是以波導(dǎo)軸坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的方法；另一種是以電子回旋中心 坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的方法。借助該理論，可以解決振蕩器的起振電流、放大器的線性 增益等等很多實際問題。但線性理論不能研究非線性過程，不能給出電子與波互 作用的非線性狀態(tài)的正確圖象，從而不能正確地提供計算輸出功率、效率及其他 一些非線性問題的方程，也不能正確描述電子與波互作用的非線性演變過程。 回旋管非線性理論，是在線性理論的基礎(chǔ)上，針對電子與波互作用的非線性 過程，建立起來的理論。它也存在兩種不同的處理方法。一種是近似的非線性理 論，它是以給定場近似為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，通常稱之為軌道理論。理論與實踐證 明，該理論對互作用效率及輸出功率的計算能夠給出足夠精確的結(jié)果，同時，由 給定場計算出來的電子群聚的圖象也基本正確，反映了電子群聚的本質(zhì)。不過， 它不能給出電子與波互作用的非線性演變過程。另一種是自洽的非線性理論，在 該理論中，場的幅值是由電子與波互作用的結(jié)果自洽地確定。故此自洽非線性理 論比較完整地反映了電子與波互作用的非線性過程，是一種較理想地理論描述。 此外，粒子模擬的方法也可用來研究回旋管的注波互作用非線性過程，可以得到 很好的結(jié)果，但其計算量很大。 電子科技大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 3 1 互作用場方程 第三章回旋管的理論分析 緩變截面諧振腔的結(jié)構(gòu)圖如圖3 1 所示，由于在一般情況下電子回旋脈塞不穩(wěn) 定機理使的t e 波比t m 波有效的多( 或者更確切地說，t e 波比t m 波研究的成 熟的多) ，所以一般采用t e 波模式。在諧振腔中，不考慮電子與t m 模式及高頻 磁場的作用，那么腔中就只有t e 模式的高頻場，可以表示如下【3 4 - 3 6 】： 冒p ) = e 。= p 。l 厶。g ) e x p o 緲刪t ) ( 3 1 ) 上式中高頻場等于每個模式場e ，。的疊加，其中e 。為甌。模式的正交歸一化 矢量波函數(shù)，e 。滿足 肛二一。d d = 8 。t 。 a e 。= z v 。 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 其中y 。= c m 。，。( k m n f ) e x p ( - i m ( p ) ，1 c 2 。= 萬0 乙一m 2p ：d 。) ，v r a n ； t om 階貝塞 爾函數(shù)一階倒數(shù)的第咒個根，即，：( 1 ，。) = o ，尼。為t e 。模式的截止波數(shù)，k 為 t e 枷模式的振幅，而國。為角頻率。 | 卜一b _ j 一l 2 _ 一_ 一一如一 l i z 奄 黽 z 圖3 - 1 回旋管結(jié)構(gòu)圖 在式( 3 - 1 ) 中，有厶。( z ) 項為t e 。模式的縱向分布函數(shù)，并進(jìn)行歸一化，令 厶( z ) 的最大值為一。在沒有電子注存在的情況下，縱向場為一固定分布函數(shù)，但 是電子注的存在會影響高頻場的縱向分布。這里我們采用一種近似的非線性理論， 1 4 第三章回旋管的理論分析 即假設(shè)注波互作用時，場的縱向分布不受電子注的影響。也即式( 3 一1 ) 中的厶，g ) 采 用冷腔時候的縱向分布。 在緩變截面波導(dǎo)諧振腔中的縱向場滿足不均勻弦方程： 參+ 磅厶= 。 ( 3 - 4 ) 引入復(fù)數(shù)頻率c o = + j 萬，式中0 3 0 表不諧振頻軍， 的損耗。因而繞射品質(zhì)因數(shù)q ?？梢员硎緸?幺= 嘉 且啪傳播常數(shù)船等- ( 南) 2 在輸入端應(yīng)該滿足輻射條件： 車j k 兒：q 而輸m 端也萼滿足輻射條件： 萬表示損耗，主要是輻射引起 年+ j k 厶：q 韶 要求解式( 3 。4 ) ，需要給定輸入端的值，改變復(fù)數(shù)頻率0 3 的值， 解常微分方程，使最終在輸出端滿足輻射邊界條件。 3 2 電子運動方程 圖3 - 2 電子運動截面圖 1 5 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 利用龍格庫塔法求 電子科技火學(xué)碩+ 學(xué)位論文 采用圖3 - 2 所示的坐標(biāo)系，電子在回旋管中的運動滿足洛倫茲方程： 譬：一e 伍+ v x b ) ( 3 8 ) 式中p 為電子的動量，y 為電子的速度，e ，b 為電場強度和磁感應(yīng)強度。令 “= v 7 ，7 0 = e m o ，甜上為甜的橫向分量，廠為相對論因子，則 老一吼( e + ) 面一吼【e + 歹淌j u 叫7 在直角坐標(biāo)系下，電場，磁場和速度分別有三個方向的分量，式( 3 - 9 ) 分解可得： 如， d t d u y d t 生d t 一 e = + 如，飛b ， ”l 。 y 、4 7。 由圖3 - 2 中可以看出 “，+ m y = ”上e x p ( i # ) ，那么 那么可得： ( 3 一l o ) 一咖矽警矽等 伊 鞏c o s 矽警“n 矽等 那么將式( 3 1 0 ) 帶入式( 3 - 1 2 ) 中 等咄( u y b _ - - u ：b y ) 卜一卜專( u ：b ，- ub ：) 卜 = 一r o ( e x 州+ e ys i n # ) 一等i 啦一：b ，) 州+ u _ _ b x - u 上c o s 愿) s i n 幻 1 6 b ， b 叱 一 一 b b y ：i i h ，一廠，一y 十 + r y e e ，1 一 i、，一 坐 刪一出叩一班 絲。 一 “一 蘭 一 墮出墮出 。厶挖 一 西 坳 螂 要 去 # 扣 “ 印 氣 蛀出瀅 = 一上爭赫 第三章回旋管的理論分析 = 一，7 0 ( e xc o s + e ，s n 痧) + r 。7 u - ( 、b ，vc o s 矽- bs i n e ) ( 3 - 1 3 ) d-l(-瑁。(zt u le ，+ ；( 蜓b ，一虬b ：) ) c 。s + ( e ，+ ( u y b ：- u ：b y ) ) s ；n 矽) 2 u 囂( e xs i n 一e ，c o s 矽) + 互u x y l s i i l b ：- u ：b y ) s i n 矽一u ：b x - u xc