回旋自諧振脈塞多模非線性理論研究.pdf

1、回旋自諧振脈塞(Cycoltron Autoresonance Maser，縮寫CARM)是一類基于電子回旋諧振輻射的高功率電磁波源。自CARM的概念被提出以來，由于其獨特的工作特性(如所需工作磁場低，RF結(jié)構(gòu)的橫向尺寸大，可采用弱相對論電子束等)而引起人們的廣泛關(guān)注。
　　 盡管過去各國學者對CARM已經(jīng)進行過大量的理論研究，但大部分工作只針對于CARM中的單模束波互作用，而對多模束波互作用的研究則少有涉及。然而，當CARM的

2、工作頻率延伸至太赫茲(THz)或亞THz頻段時，通常需要采用高階的電磁波模式來增加器件的幾何尺寸，以解決器件的機械加工和散熱問題。這必然導致波導腔體中電磁波模式的過模問題，從而誘發(fā)器件工作時出現(xiàn)模式競爭，所以，對工作于THz或亞THz頻段的CARM器件來講，對其進行多模束波互作用的理論研究顯得很有必要。為此，針對目前CARM多模理論研究的相對匱乏的現(xiàn)狀，本文以CARM放大器為研究對象，通過對已有單模非線性理論的總結(jié)和分析，建立了比較完善

3、的CARM多模非線性理論，并利用多模理論詳細研究了工作于THz頻段的CARM器件中各電磁模式與相對論電子束的互作用過程。全文主要工作包括：
　　 第一章：緒論。簡單介紹了回旋自諧振脈塞的工作原理以及國內(nèi)外對于回旋自諧振脈塞的研究現(xiàn)狀；
　　 第二章：推導了同軸波導CARM中TE模式和TM模式電磁波的束波耦合方程以及圓柱波導中TE模式和TM模式電磁波的束波耦合方程，同時給出了考慮波導壁歐姆損耗后的束波耦合方程以及相對論電子

4、在多電磁波模式共同作用下的電子運動方程，從而得到了完整描述CARM多模束波互作用的自洽非線性方程組；
　　 第三章：介紹了CARM多模束波互作用非線性模擬軟件的設(shè)計方法，對軟件設(shè)計中涉及到的關(guān)鍵問題進行了詳細的闡述，如物理量的歸一化、初值的選取以及方程組數(shù)值求解過程中的精度監(jiān)測等，最后，給出了整個模擬軟件設(shè)計的流程圖，并利用FORTRAN語言編制了數(shù)值模擬軟件。利用本模擬軟件不僅可以對CARM中的整個多模束波互作用過程進行數(shù)值模

5、擬，同時還可以對CARM的工作參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計；
　　 第四章：從實驗(利用國際上已公布的實驗數(shù)據(jù))和理論兩方面對本論文所編制的多模束波互作用非線性模擬軟件進行了可靠性驗證，為下一步太赫茲CARM器件多模非線性模擬結(jié)果的正確性提供了保障；
　　 第五章：利用本文CARM多模非線性理論模型對采用高階橫電(TE)工作模式的太赫茲CARM進行了多模束波互作用非線性數(shù)值模擬。通過進一步分析主要工作參數(shù)對多模束波互作用過程的影響發(fā)

6、現(xiàn)，高階TE模式太赫茲CARM器件的性能對工作參數(shù)具有很強的依賴性，因此在參數(shù)設(shè)計過程中有必要對其進行多模束波互作用模擬分析；
　　 第六章：利用本文CARM多模非線性理論模型對采用高階橫磁(TM)工作模式的太赫茲CARM進行了多模束波互作用非線性數(shù)值模擬，證實了太赫茲CARM采用高階TM模式的可行性和有效性，并通過進一步分析主要工作參數(shù)對多模束波互作用過程的影響發(fā)現(xiàn)，高階TM模式太赫茲CARM器件的性能對工作參數(shù)具有很強的依賴