太赫兹同轴腔高阶模式回旋管振荡器多模非线性研究

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1、ClassifiedIndex：TN128U．D．C：0441．3SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationJllllflltlllllllllllllll[1lliflllllltlllfllllY2576756NoNLINEARMUl月IMoDESTUDIESoFTERAHERTZCoAXIALCAVITYHIGH．oRDERMoDEGYRoTRoNoSCILLATORSGrade：2005Candidate：ZhangHuiboAcademicDegr

2、eeAppliedfor：Ph．D．Speciality：ComunicationandInformationSystemSupervisor：Prof．ZhangShi-Chang西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于：1．保密口，在年解密后适

3、用本授权书；2．不保密函适用本授权书。粼一繇易峭锒舯撕躲日期劢-弓．”7日期V／岁．么，乙夕西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本论文的主要创新点如下：1．建立了同轴腔回旋管振荡器起振模型，其中包括：(1)考虑内导体开槽下同轴腔体中各个模式的冷腔体电磁特性分析模型

4、，并利用FORTRAN语言编制了相应程序，给定腔体的具体结构，就可计算出相应模式的谐振频率、绕射因子以及冷腔体场分布；(2)建立了多个模式在冷腔体场分布下的起振模型，推导出了起振过程中开槽深度较浅情况下各模式在外壁和内导体上的欧姆损耗的近似表达式，并提出了相应的数值计算方法，进而编写了考虑模式竞争和欧姆损耗的多模起振程序。利用国外已有的实验参数进行数值计算，模拟结果验证了该多模起振模型的可靠性。(第二章，第三章)2．提出了一种考虑多模的同轴结构高阶模式基波回旋管振荡器的设计方法：以工作于0．22THz的同轴结构回旋管

5、振荡器为例，首先确定其腔体参数和竞争模式，然后研究内导体开槽以及取负坡度对于抑制模式竞争的影响，对考虑不同旋转方向模式的多模起振过程进行模拟。结果表明：内导体合适的开槽以及适当的坡度选择不仅可以稀化模谱，还可以降低竞争模式的绕射因子，从而提高其起振电流，所设计的器件可以稳定的工作在单一模式下，其腔体损耗小于腔体壁所能承受的最大值。(第四章)3．为降低工作磁场，提出了一种扶助同轴结构高阶模式高次谐波回旋管振荡器起振的方法，并具体设计了一只工作于超高阶边廊模式TE34．4三次谐波、工作频率为0。34THz并具有上百千瓦级

6、功率输出的同轴腔回旋管振荡器。研究发现：由于高阶模式的模谱密、高次谐波与电子束互作用较弱，普通高阶模式的三次谐波难以从激烈的模式竞争中起振，而采用边廊模式(即角向模式指数远大于径向模式指数)可以有效的克服模式竞争，使所需要的高阶模式高次谐波起振。据此，通过对内导体开槽深度对基波模式参数影响的分析，选取合适的开槽深度将大大稀化其与工作模式之间的频率分割度，进而有效地抑制来自基波的模式竞争。(第五章)学位论文作者签名：么同期：≯I；年6月刁日西南交通大学博士研究生学位论文第1页摘要太赫兹波泛指频率介于远红外和微波频段之间

7、的电磁辐射，由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，因而具备许多独特性质，在雷达、通信、材料处理、成像等领域有着广泛的应用前景。随着太赫兹波应用的日益广泛，研制有效的太赫兹辐射源成为世界各国在该领域的研究热点之一。基于电子回旋受激辐射原理发展起来的快波回旋器件——回旋管，被认为是目前最能获得高功率(上百千瓦及以上)输出的太赫兹辐射源。工作在太赫兹频段的传统圆柱腔回旋管工作在低阶模式，横向尺寸较小，这给加工及散热带来一定困难，导致输出功率受到限制。而采用同轴结构的回旋管谐振腔，由于其特殊结构可以抑制高阶模式竞争，进而可以增大

8、其腔体横向尺寸，从而可以获得更大的功率输出。目前，关于同轴腔回旋管的实验研究，主要是为国际热核聚变(ITER)提供高功率电磁辐射源，其频率最高为170GHz，功率可达2．2MW。而对此结构下更高频率辐射的回旋管的研究，尚未见诸报道。同轴腔回旋管要获得高功率太赫兹波输出，有两个须得解决的主要问题：一是要尽可能地增大腔体的横向尺寸以利于加工和散热，