介质切伦柯夫脉塞的粒子模拟

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1、·研究与设计·介质切伦柯夫脉塞的粒子模拟李悦宝，祝大军，刘盛纲(电子科技大学物理电子学院，四川I成都610054)PICSimulationofDielectricCerenkovMaserLIYue—bao，ZHUDa—jun，LIUSheng—gang(SchoolofPhysicalElectronics，UESTofChina，Chengdu610054，China)Abstract：AccordingtotheanalysisofdielectricCerenkovmaser，thedielectricCerenko

2、vmaserdisper—sionequationarederived，andthedispersioncurvesofdispersionequationarepresented．Throughthewayofparticle-in—cell(PIC)simulation．wecanseetheoutputpowerandoutputfrequencywillbechangedcorrespondingtothepercentageofdielectricinnerradiitoouterradiiand．Soitispos

3、sibletoachievehighfrequencymicrowaveoutputbyadjustthewidthofdielectricfilm．Keywords：Intenserelativisticannularelectronbeam；Dispersionequation；Dispersioncurves；Particle—in—cellsimUlation摘要：通过对介质切伦柯夫脉塞的分析，推导出了注波互作用色散方程，由色散方程得出了色散曲线，并且对介质膜片加载的切伦柯夫脉塞进行了数值模拟。研究发现微波频率随着介质

4、膜片内外半径比值的变化而变化，通过调整介质膜片的厚度来调整输出频率，从而使研制出高频率微波器件成为可能。关键词：环形电子注；色散方程；色散曲线；粒子模拟中图分类号：TN61文献标识码：A文章编号：l002—8935(2007)05-0027-03目前高功率微波(HPM)是国际上非常值得人们关注的研究领域，对其的研究可以追述到2O世纪5O年代。由于高功率微波在军事上和民用上都有着极其广泛的应用前景[1]，引起了各国的高度重视，特别是近些年高功率微波得到了长足的发展，自从苏联著名科学家P．S切伦柯夫在1934年实验中发现Chere

5、nkov效应以来，切伦柯夫脉塞微波源就成为高功率微波源的一个重要分支【2]，相继产生了许多微波产生方案，其中最为著名的是等离子体切伦1注波互作用区不意图柯夫脉塞和切伦柯夫自由电子激光【3．4]。这两种方作用区示意图，设空心相对论电子注的初速度为案都是为了提高微波输出频率和功率。本文通过选73o，进入由相对介电常数为e的介质膜片加载的圆择合适介质膜片的厚度，设计一种通过调整介质膜柱波导内，由麦克斯韦方程可以得到扰动电场E片厚度来调整输出功率和输出频率的器件。满足有源波动方程嘲：Ir(r等：一foL，一f由nJ。：(1)1理论分析

6、当电子注沿对称轴方向通过介质膜片加载的圆式中，p2一一，cL《一ez，fo一(1一届)1柱形金属波导时会产生纵向扰动；图1所示注波互!二Q曼团坐标可以得出输出频率为6．2GHz，这一点在下述其中，flo一∞为电子注密度，。为电子质量，c为数值模拟的过程中得到了验证。真空中的光速，为传播常数。当电子注无限薄时电子注只有在r—R处有贡献，所以忽略径向场对源的作用，对式(1)两边沿电子注作径向积分，就得到跳变条件：limO3E~R[+s一一凳备池为了有效地使电子注与波互作用，在考虑角向对称的情况下扰动电场的解可表示为以下形式]：图2

7、色散曲线其中，q一er一,Io和K。分别为零阶第一类虚2数值模拟宗量贝塞尔函数和第二类虚宗量贝塞尔函数，-，。和基于上述理论分析，对此器件进行数值模拟l8]，y。分别为零阶第一类贝塞尔函数和第二类贝塞尔其结构如图3所示。此器件主要由一个介质膜片加函数[川。载的圆柱波导和同轴输出腔组成，其中器件的总长EI=EⅡlr—R6，E枷一E加lr—R1，HIL为22．5cm，波导的半径R一1．45cm，同轴内导—H。Ⅲlr—R1，EⅢlr—R2—0(4)体半径Ri一0．73cm，环形电子注的中心位置R一利用边界条件(4)和跳变条件(2)消

8、去待定系0．4cm，厚度ARb一3mm；介质的总长度为12．5数就可以得到介质切伦柯夫脉塞的注波互作用色散cm，介质内半径R一0．67cm，当输入电压U===480方程为：kV，输入电流J一0．9kV，输出功率和频率随着R／R的比值和介质膜片的相对介电常数e的变化J(。)B(