超材料帶狀注輻射源的機(jī)理研究.pdf

1、伴隨著材料科學(xué)的發(fā)展尤其是新型半導(dǎo)體材料的更新?lián)Q代和加工手段的進(jìn)步特別是微細(xì)加工工藝水平的不斷提高，固態(tài)電子器件在近些年得到了迅猛的發(fā)展。與此同時(shí)，由于具有體積大、重量重等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)真空電子器件逐漸被固態(tài)電子器件所取代。因此，亟需通過(guò)引入新的物理機(jī)制使得真空電子器件煥發(fā)新的活力。
　　鑒于此，本學(xué)位論文采用理論分析、仿真模擬以及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，論證了帶狀注在超材料中穩(wěn)定傳輸?shù)目尚行?，?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超材料中反向切倫科夫輻射效應(yīng)的物

2、理機(jī)理，從而提出了新型的小型化超材料帶狀注輻射源。
　　本學(xué)位論文通過(guò)將一種全金屬超材料（由平板型的互補(bǔ)電開口環(huán)諧振器(CeSRR)陣列加載方波導(dǎo)所構(gòu)成)和帶狀注用于新型真空電子器件，從而開展了以下的創(chuàng)新性研究工作：
　　1.研究了超材料的有效本構(gòu)參數(shù)和高頻特性。從有效媒質(zhì)的觀點(diǎn)出發(fā)，利用基于S參數(shù)的參數(shù)提取法和Drude模型分析得到該超材料分別在2.83GHz-3.05GHz頻帶內(nèi)同時(shí)具有負(fù)的有效介電常數(shù)和負(fù)的有效磁導(dǎo)率，

3、即該超材料在上述頻帶內(nèi)可視為左手材料；從慢波結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)該超材料的基模零次空間諧波在上述頻帶范圍內(nèi)具有返波特性且其耦合阻抗大于750Q。
　　2.提出了一種帶狀注電子槍的設(shè)計(jì)方法。利用皮爾斯電子槍的基本理論，研究了帶狀注電子槍內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況，從而設(shè)計(jì)了用于計(jì)算帶狀注電子槍主要參數(shù)的迭代算法。上述方法具有迅速準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可應(yīng)用于帶狀注器件中電子槍的設(shè)計(jì)。
　　3.研究了均勻軸向磁場(chǎng)聚焦下帶狀注在超材料慢波結(jié)構(gòu)中

4、的傳輸特性。提出了一種超材料慢波結(jié)構(gòu)理論模型，進(jìn)而推導(dǎo)出了帶狀注在超材料慢波結(jié)構(gòu)中的空間電荷場(chǎng)；利用該空間電荷場(chǎng)計(jì)算了均勻軸向磁場(chǎng)聚焦下帶狀注的豎直偏移量，該豎直偏移量定量描述了帶狀注的傳輸不穩(wěn)定性；通過(guò)理論計(jì)算和仿真模擬相結(jié)合的方法研究證實(shí)：減小帶狀注與CeSRR陣列的間距可以有效抑制帶狀注的傳輸不穩(wěn)定性，即帶狀注在超材料慢波結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定傳輸是可行的。上述工作為反向切倫科夫輻射效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及超材料帶狀注輻射源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

5、>　　4.首次利用帶電粒子激勵(lì)的方法在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了超材料中的反向切倫科夫輻射。為了開展實(shí)驗(yàn)研究，我們構(gòu)建了反向切倫科夫輻射的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括特斯拉變壓器、陰極組件、超材料、耦合器、收集極、螺線管磁聚焦系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在端口1(近收集極端口)獲得的信號(hào)頻率與端口2(近陰極端口)的幾乎一致，信號(hào)功率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于端口2的信號(hào)；同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)端口1的信號(hào)相對(duì)于端口2的信號(hào)有一定的延遲時(shí)間，而該時(shí)間近似等于信號(hào)從端口2到端口1的傳播時(shí)間；該結(jié)果說(shuō)明

6、在端口2獲得了反向切倫科夫輻射信號(hào)而在端口1獲得了其反射信號(hào)。另外，仿真結(jié)果表明：超材料中的切倫科夫輻射角是位置相關(guān)的且大于150'歸一化功率流的增長(zhǎng)方向與帶狀注的運(yùn)動(dòng)方向相反。上述事實(shí)證明了超材料中反向切倫科夫輻射效應(yīng)。
　　5.提出了雙頻超材料帶狀注輻射源。在反向切倫科夫輻射效應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步研究超材料慢波結(jié)構(gòu)的特性，我們提出了具有波導(dǎo)耦合器的雙頻超材料帶狀注輻射源。仿真結(jié)果表明該輻射源具有百千瓦量級(jí)的峰值輸出功率，電子