（光学专业论文）双电子注毫米波及亚毫米波辐射源的研究.pdf

摘要 摘要 由于毫米波及亚毫米波在电磁波谱中的独特优势，使其在军事和民用两方面 都存在广泛的应用前景，而源是毫米波及亚毫米波能否被利用的核心。在毫米波 及亚毫米波波段，自由电子激光( f r e e e l e c t r o nl a s e r s ，简称f e l ) 是一种重要的大 功率、频率可调的辐射源；另一方面，基于光栅结构的真空电子器件如b w o 、 o r o t r o n 、s p 辐射源等器件，既可以发展成为紧凑、小功率的辐射源，也可以发展 成为高功率的辐射源，因而受到广泛的关注。基于这种原因，本论文探讨了利用 双流不稳定性的机制改善这些器件的性能，对双电子注器件中注波互作用的特性 进行了理论分析、粒子模拟和实验三个方面的深入研究，结果表明引入双电子注 可明显改善这些器件的性能。本文的主要工作如下： ( 1 )提出了具有引导磁场的双电子注自由电子激光( f e l ) 。通过线性流 体理论推导了具有引导磁场双电子注f e l 的色散方程，并且进行了求解。结果表 明：引入轴向磁场，不仅可以提高双电子注注波互作用的线性增长率，而且可以 增加带宽；双电注处于最佳的速度差和电流比时，注波互作用的增长率得到了较 大的提高。 ( 2 )研究了双电子注平板封闭光栅c h e r e n k o v 器件。利用流体理论和场匹 配的方法，导出了双电子注情况下的色散方程。理论分析表明：由于存在双流不 稳定性，使得双电子注器件的线性增长率较单电子注有明显的增加；粒子模拟表 明，双电子注处于最佳电压比和电流比时，双电子注器件的辐射功率得到了显著 的提高。 ( 3 )创新性地引入了双流不稳定性机制改善平板开放光栅s p 器件的辐射 性能。通过色散方程的求解和分析，表明在注波互作用的同步点，由于双流不稳 定性，双电子注系统的线性增长率得到了明显的提高。粒子模拟表明：采用双电 子注不仅可以提高s p 辐射的功率、缩短饱和时间，而且可以降低起振的阈值电流。 ( 4 )研究了双电子注圆柱光栅毫米波辐射源。利用流体理论和场匹配的方 法导出了分立双电子注激励圆柱光栅的色散方程，并进行了求解。结果表明：双 流不稳定性改进了线性增长率。粒子模拟研究表明：双电子注系统较之单电子注 系统可以获得更大的辐射功率；同时研究了双电子注之间距离对器件性能的影响， 模拟发现双电子注之间的距离增大，双流不稳定性减弱，导致辐射功率快速衰减。 摘要 ( 5 )在国内首次进行了相对论双电子注绕射辐射振荡器( r d g ) 的实验。 氖管阵列屏测试出毫米波辐射主要是对称的t m 模式，利用色散延迟线测试到频 率为3 0 2 7 g h z ；测试到双电子注r d g 的辐射功率为1 8 9 6 9 m w ，而单电子注r d g 的辐射功率为1 3 9 4 4 m w 。实验结果表明：采用双电子注有利于提高器件的辐射功 率和增加信号脉冲宽度。 关键词：双电子注及双流不稳定性、毫米波及亚毫米波、自由电子激光、c h e r e n k o v 辐射、s m i t h p u r c e l l 辐射 a b s t r a c t a b s t r a c t m i l l i m e t e ra n ds u b m i l l i m e t e rw a v e sw i t ht h eu n i q u ea d v a n t a g e si nt h ee l e c t r o - m a g n e t i cs p e c t r u ma r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h en a t i o n a ld e f e n s em i l i t a r ya n de i v i l a p p l i c a t i o n s h o w e v e r ，t h er a d i a t i o ns o u r c , e sa r eo n eo ft h ek e y st od e v e l o pt h e a p p l i c a t i o n so fm i l l i m e t e ra n ds u b m i l l i m e t e rw a v e s a 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 r ，f r e e e l e c t r o nl a s e r ( f e l ) i so n eo fi m p o r t a n tr a d i a t i o ns o u r c e so fh i g h p o w e ra n dt u n a b l ef r e q u e n c y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ev a c u u me l e c t r o nd e v i c e sb a s e do n g r a t i n g ，s u c ha st h eb a c k w a r dw a v eo s c i l l a t o r ( b w o ) ，o r o t r o na n ds m i t h p u r c e l l ( s p ) r a d i a t i o ns o u r c e ，a r ew i d e l ya t t e n t i v eb yt h er e s e a r c h e r s ，f o rw h i c ha r eap r o m i s i n g a l t e r n a t eo ft h ed e v e l o p m e n to ft u n a b l e ，c o m p a c t ，p o w e r f u lr a d i a t i o ns o u r c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n , a na p p r o a c ho fu s i n gt w o s t r e a mi n t a b i l i t y ( t s i ) t oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e so fs u c hk i n d so fd e v i c e si sp r e s e n t e d t h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o n so nt h e b e a m w a v ei n t e r a c t i o n so ft h et w oe l e c t r o nb e a m sd e v i c eh a v eb e e np e r f o r m e dt h r o u g h t h et h e o r e t i c a la n a l y s e s ，p a r t i c l e i n - c e l l ( p i c ) s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n ts t u d y t h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h ep e r f o r m a n c e so fd e v i c e sa r em a r k e d l ye n h a n c e m e n td u et ot h e t w ob e a mi n t e r a c t i o n s t h em a j o ra c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et w o s t r e a mf r e e - e l e c t r o nl a s e r ( f e l ) w i t h 粗a x i a lg u i d i n gm a g n e t i c f i e l d ( a g m f ) i sp r e s e n t e d t h ed i s p e r s i o ne q u a t i o n 、) l ，i t l la na g m f i sd e r i v e dw i t ht h e h e l po fl i n e a r i z e df l u i dt h e o r ya n ds o l v e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el i n e a r g r o w t hr a t eo fb e a m w a v ei n t e r a c t i o ni se n h a n c e da n db a n dw i d t hi se n l a r g e da st h e p r e s e n c eo fa g m f m o r e o v e r , ac o n s i d e r a b l ee n h a n c e m e n to fg r o w t hr a t em a x i m u m i so b t a i n e da tt h et h eo p t i m u mv e l o c i t ys e p a r a t i o na n dc u r r e n tr a t i oo ft w oe l e c t r o n b e a m s ( 2 ) t h et w oe l e c t r o nb e a m sp l a n a rc l o s e dg r a t i n go fc h e r e n k o vd e v i c ei s s t u d i e d t h ed i s p e r s i o ne q u a t i o n sa r ed e r i v e da n ds o l v e d ，t h er e s u l t ss h o wt h el i n e a r g r o w t hr a t ea n db a n dw i d t ho ft w oe l e c t r o nb e a m sd e v i c ea r el a r g e rt h a nt h a to fs i n g l e b e a md u et ot h et s i t h er e s u l t so fp i cs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h er a d i a t i o np o w e ro f t w oe l e c t r o nb e a m sc h e r e n k o vd e v i c ei so b t a i n e dac o n s i d e r a b l ee n h a n c e m e n t sa ta s u i t a b l ev o l t a g er a t i oa n dc u r r e n tr a t i o i i i a b s i k a c i ( 3 )an o v e la p p r o a c ht ot h ee n h a n c e m e n to fs pr a d i a t i o ne m p l o y e dt h et s ii n p l a n a ro p e ng r a t i n gi sp r e s e n t e d t h ep l a n a ro p e ng r a t i n gi s d r i v e nb yt w oe l e c t r o n b e a m st h a tp r o p a g a t eo v e rt h eg r a t i n gw i t hav e l o c i t ys e p a r a t i o n t h r o u g ht h es o l u t i o n s a n da n a l y s e so fd i s p e r s i o ne q u a t i o n , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el i n e a rg r o w t hr a t eo ft h e t w oe l e c t r o nb e a m ss y s t e mc a nb ea c h i e v e dac o n s i d e r a b l ei m p r o v e m e n ta tt h e s y n c h r o n i z a t i o np o i n td u et o t h et s i w i mt h eh e l po fp i cs i m u l a t i o n , t h e e n h a n c e m e n to fs pr a d i a t i o np o w e r ，t h es h o r t e n e ds a t u r a t e dt i m ea n dt h el e s s e n e d t h r e s h o l dc u r r e n ta r eo b s e r v e d ( 4 ) t h em i l l i m e t e rr a d i a t i o ns o u r c eo fc y l i n d r i c a lg r a t i n gd r i v e nb yt w o e l e c t r o nb e a m si ss t u d i e d t h ed i s p e r s i o ne q u a t i o no ft w os e p a r a t e db e a m si nt h e c y l i n d r i c a lg r a t i n gi sd e r i v e da n ds o l v e d n l er e s u l t ss h o wt h a tt h el i n e a rg r o w t h r a t ei s m a r k e d l ye n h a n c e dd u et ot h et s i t h ep i cs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er a d i a t i o n p o w e ro ft w ob e a ms y s t e mi sl a r g e rt h a nt h a to fs i n g l eb e a m o n 廿1 eo t h e rh a n d ，t h e e f f e c to fd i s t a n c eb e t w e e nt h et w oe l e c t r o nb e a m so nt h eo nt h ep e r f o r m a m a n c ei s i n v e s t i g a t e d t h ep i cr e s u l t ss h o wt h et s i i sw e a k e n e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft w o e l e c t r o nb e a m ss e p a r a t e dd i s t a n c e ，r e s u l t i n gi nt h es h a r pd e c r e a s eo fr a d i a t i o np o w e r ( 5 )f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ee x p e r i m e n to fm i l l i m e t e r - w a v e - b a n dr e l a t i v i s t i c d i f f r a c t i o ng e n e r a t o r ( r d g ) d r i v e nb yt w oe l e c t r o nb e a m si sp r o j e c t e da n dp e r f o r m e d m a i nr a d i a t i o nm o d eo ft h ed e v i c et e s t e db yn e o nt u b ea r r a yi st ms y m m e t r y , a n dw i t h t h eh e l po fd i s p e r s i o nd e l a yl i n e ，t h em e a s u r e dr a d i a t i o nf r e q u e n c yi s3 0 2 7 g h z t h e r a d i a t i o np o w e ro ft w ob e a m s 壬ga n ds i n g l eb e a mr d ga r e18 6 6 9 m wa n d 13 9 4 4 m w , r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h er a d i a t o np o w e ri se n h a n c e d a n dt h ep u l s ew i d t hi si n c r e a s e db yu s eo f t w oe l e c t o nb e a m s k e yw o r d s ：t w o e l e c t r o nb e a m sa n dt w o s t r e a mi n s t a b i l i t y ,m i l l i m e t e ra n d s u b m i l l i m e t e r w a v e s ，f r e e e l e c t r o nl a s e r , c h e r e n k o v r a d i a t i o n ， s m i t h p u r c e l lr a d i a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：乒叩矿年月矿日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：沥女衙， ， 导师签名： 曰期么缈f 年无月8 日 镕谭绪论 引言 第一章绪论 电磁波谱中 1 1 ，波长为1 0 l m m ( 频率为3 0 g h p 3 0 0 g h z ) 的电磁被称毫米波； 波长为i 加0 3h i m ( 频率为3 0 0 g h z i o t h z ，i t h z = 1 0 0 0 g h z l 奇电磁渡称为亚毫米 波或远红外吐波长为3 m m 一3 0 埘f ( 频率0 1 t h z i o t h z ) 的电磁波，通常称之为 a 赫兹波( t h z ) ，它们在电磁波谱中的位置如图1 1 所示，目前毫米波与砸毫米 t h zg a p i 1 0 00 1 2 1 5 0 2 1 10 31 c 6 1 0 910 1。0 t 8110 2 4 d ck i l o m o g ogj g a + r c p e t a e oz e t t ay o t t a f r e q u e n c y ( h z ) 图1l 电磁波谱 波正是处于开拓与发腱的研究领域，对这一领域的研究具有重要的意义p 】。首先它 填补了电磁波谱中微波与红外之间的研究空白，进一步完善了人竹耐电磁辐射现 象的深刻认识；其次，深入研究毫米波及亚毫米波的产生、探测以及与其它物质 相互作用的规律，必然会推动科学技术的发展；第三，它有着广泛的应用领域与 美好的应用前景，与其它电磁波段相比有其独特的优点和长处，在许多应用领域 是其它波段不。j 取代的，因此，对毫米波尤其是亚毫米波频谱资源的丌发应用必 将造福于人类，促进社会的文明与进步。但是，产生毫米波亚毫米波的源是该频 段能否被广泛应用的核心之一，所以研制和开发高性能的亚毫米波辐射源是目前 国际上的热点研究领域。 本论文重点研究双电子注毫米波及亚毫米波辐射源，本章中首先介绍毫米波 驶亚毫米波的特点及其应用：在此基础上介绍毫米波及亚毫米波辐射源的发展现 状，阐述取电子注产生双流不稳定性的机理、双电子注器件的研究进展。最后对 本文的主要内容、创新点及结构安排作扼要的介绍。 电子科技大学博士学位论文 1 2 毫米波及亚毫米波的特点及其应用 由于毫米波及亚毫米波在电磁波谱中的特殊位置，相对其它波段，它们具有 以下特点： ( 1 )相对于红外线有较好的穿透性，并有多个大气窗口，如表1 1 所示。 表1 - 1毫米波及亚毫米波的大气窗口 频率g h z传输损耗d b k m 3 5 9 4 1 4 0 2 2 0 ( 2 ) 对于给定的天线孔径，波束窄、方向性好； ( 3 ) 有较高的多普勒频移； ( 4 )对掠海目标有较好的分辨能力； ( 5 ) 对于介质，特别是等离子体有良好的加热能力。 因此毫米波在军民两用方面有具有广泛的用途，亚毫米波也具有重要的应用 前景。下面对毫米波及亚毫米波在军民两用领域作简单的介绍： ( 1 ) 毫米波及亚毫米波雷达 国防领域的应用需求是推动毫米波技术发展的重要因素，它在国防领域的重 要应用之一是毫米波雷达，目前常用的毫米波雷达系统有【4 】【9 】：空间目标识别雷达、 直升飞机防控雷达、精密跟踪雷达、多普勒测速雷达等。毫米波雷达的优点是角 分辨率高、频带宽、多普勒频移大和系统的体积小。缺点是由于大气吸收较大， 当需要远距离作用时所需的发射功率及天线增益都比微波系统高。下面介绍一些 典型的应用实例： 在2 0 世纪9 0 年代后期美国海军提出了高功率3 m m 雷达系统的研制项目【1 o 】， 由海军实验室( n r l ) 主持，参加单位有l i t t o n 公司、c p i 公司以及m a r y l a n d 大 学等单位，雷达主要指标如表1 2 所示。不难看出，这是一台3 m m 波段的高平均 宽带雷达，研制这类雷达，表明亚毫米波段的电子战已日趋激烈。该雷达第一期 采用回旋速调管作为发射源，为此美国发展了采用超导磁场的五腔回旋速调管， 目前脉冲功率及平均功率都已达到预期指标，带宽已做到了约7 0 0 m h z ，该雷达系 统整体装置如图1 2 所示【l l 】。 2 m 哪 邶 川 吩 m 0 第章绪论 图1 3 前苏联r u z a 雷达系统的相控阵天线 由于毫米波本身的特点，还存在许多的毫米波雷达系统，本文不尽穷举。对 于亚毫米波雷达系统，目前的研究还处于起步阶段，见诸报道的主要有美国乔治 亚州技术研究所研制实验用的2 2 5 g i t z 脉冲相干雷达l 】“和马萨诸州洛厄尔大学业 毫米波技术实验聿研制的15 6 t h z 雷达l l 。亚毫米波雷达在国防领域具有重要的 应用前景，是目前国际上相当活跃的研究领域。 ( 2 ) 毫米波及亚毫米波通信 毫米波通信系统可以分为地球上的点对点通信和通过卫星的通信或广播。现 在地球上的点对点毫米波通信i ”幢本上只用于对保密要求较高的接力通信中， 幽为地面上的f 线通信基本l 已实现了光缆化。日前无线通信是研究的热点领域， 2 0 0 6 年，国际红外1 l 毫米波会议报道了h 本n t t 微波系统集成实验宅进行的业毫 米波无线通信实验m l 坤j ，输出的中心频率为】2 0 g h z ，而输出功率为1 0 d b m 。图 1 - 4 是发射机及其实验场地。 图i 4 尢线通信实验 ，a ) 1 己线通7 ；构垃射机( b ) 卮线通信的蛮验场地 毫米波及皿毫米波除了存雷达和通信方丽的应用z 外，庄电子j 叶抗、成像等 方面也有重要的应用。 ( 3j 基础研究 由于物质人分子振动能谱和转动能级跃迁的能谱恰好落在亚毫米波段上，因 此，亚毫米波光谱学成为研究物质特性的有利工具 2 2 l ，广泛用于研究液体、气 体的震动波谱和确定高纯半导体中杂质能谱等；也可以利用亚毫米波激发存储环 产生相干t h z 光子，以及用于单晶体中的电子自旋共振研究1 和约瑟夫逊混频 过程的测量以及确定晶体中的稀有物质；此外，毫米波及亚毫米波是受控热核聚 变用等离予体加热以及等离子体参量测量方面堆有教的手段p s lo 1 3 毫米波及亚毫米波辐射源的研究进展 毫米波在国防和民用领域已有重要的应用，而亚毫米波应用前最可观，它们 的席h 开发，源是其中的关键z ，。毫米被及亚毫米波辐射源主要有半导体 辐射源、基于光学和光子学辐射源及真空电子学辐射源。 131 半导体辐射源研究进展 半导体辐射源由于工作电压低、小需要电子枪及聚焦磁场，因此，结构简单、 体积小、可蛹喈、使用方便，目前主要有i m p a t t 、u u 衄g振荡器m 及t h z 量 第一章绪论 子级联激光器( q c l ) 2 8 - 1 3 2 。i m p a t t 器件可州于3 0 g h z 3 0 0 g h z 的整个毫米波频 率范围，g u n n 器件频率也可以达到1 4 0 g h z 。其中，基于半导体性质的q c l 是当 前半导体辐射源发展的重点之一，它是以异质结构半导体( g a a “a i g a a s ) 的导带中 的次能级间的跃迁为基础，利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转的一种激光 器。2 0 0 2 年，意大利和英国的研究小组研制出了频率为44 t h z ，功率约为2 m w ( 温度8 k ) 的q c l 口。此后，很多国家都开展了q c l 的研究工作。2 0 0 6 年，美 国m i t 研制了高功率的q c l ，其工作频率44 t h z ，工作温度为i o k ，产生连续波 的功率为1 3 8 m w ，脉冲功率为2 4 8 m 州”】。最近，斯坦福大学利用38t h z 波进行 医学成像研究”。 132 基于光学和光子学辐射源的研究进展 基于光学和光子学的辐射源目d f 主要包括：( 】) 利用超短激光脉冲产生的t h z 辐射1 3 3 l ：( 2 ) 利用红外光泵浦产生的t h z 辐射【3 7 1 ：( 3 1 利用非线性差频及参量 过程产生t h z 波” 邮。其中，利用超短激光脉冲产生的t h z 辐射是当前常用技 术，具体包括：( 曲利用瞬时光电导产生a 赫兹脉冲，它是在光电导半导体材料( 如 g a a s ) 的表面淀积金属，制成偶极天线电极结构，利用飞秒激光照射电极之间的 光电导半导体材料，就会在其表面瞬时地产生大量自由的电子空穴对，这些光 生载流子在外加电场与内建电场作用下被加速，并由于光生载流子的复合，在光 圈1 - 5 光电导发射器原理图1 正光整流发射器原理 电导半导体材料表面会形成变化极快的光电流，从而产生向外的t h z 电磁辐射脉 冲，如图i - 5 所示【删，如果增大外电场，还可以得到更强的t h z 波。g o ) 利用光整 流产生t h z 辐射，它是利用电光晶体作为非线性介质，使超快檄光脉冲进行二阶 非线性光学过程( 差频产生) 或者高阶非线性光学过程柬产生t h z 电磁脉冲，如 图1 6 所示。如果在电场垂直方向加上磁场，还可以提高太赫兹的辐射功率1 4 1 i 33 基于真空电子学辐射源的研究进展 基于真卒电子学产牛毫米波及亚毫米波的辐射源分为大功率和低功率两大 类，这里介绍毫米波及可巨怠米波辐射源的研究现状： 1331 丈功幸辐射源 甘前基于真空电子学的大功率辐射源主耍囱回艟管】、自由电了激光 ( f e l ) 1 4 5 1 4 9 i 及相对论绕射辐射振荡器i 姒i 等，它们可以产生高功率的毫米波驶 毫米波辐射。 f 1 1 回旋管 随着 t e r 训划的实施，世界各固兴起了研究回旋管的热潮，目前比较典型的 目1 7 日本原子能w f 究所 研制的同旋管 。”n i 剑 一、c ”= “8 n o 蔓 = ? 麓：! = ， 一o * 、l 】c h * # ”n m or 图1 - 8m i t 回旋管实验装置 报道有：闩本原了能研究所研制的网旋管如图1 7 所示i ”i 工作频事为17 0 g h z ， 最大的输出功牢为i m w ，长度约3 m ，重量约8 0 k g 。美国m i t 日日u 报道的同旋昔 l 作频率为1 1 0 g h z ，l5 m w 4 ”，实验装置如图18 所不。，德幽科学家研制1 7 0 g h z 的同轴幽艟管，功率达到2 m w 圳。目前国内的中科院电子所及电子科技大学等单 位也在进行这方面的研究工作。 f 2 1 自由电子激光 自由电子激光( f e l ) 可以实现毫米波到x r a y 的争频段，目前主要朝着短波 长的x - r a v 及长波的t l l z 波段两个方向发展。在当今t h z 技术广泛啦用的需求幸 引下，f e l 进入了新轮的发展时期。 第一章绪论 1 9 9 2 年美国加州大学圣芭芭分校研制的f e l ，工作频率为1 2 0g h z 一47 6 t h z ， 辐射功率为5 0 w 65 k w 4 ”。2 0 0 7 年韩围原子能研究研究的f e l e “h 4 ”，系统主要 由功率为2 5 m w 的磁控管驱动7 m e v 的电子回旋加速器、摇摆器及光学谐振腔组 成，其结构如图i 。9 所示，它的工作频率为o3 3 t h z ，辐射的半均功率大于1 0 0 w 。 俄罗斯b u d k e r 核物理研究所2 0 0 7 年报道了研制的高功率t h z f e l t ” ，器件的工 作频率为13 t h z 25 t h z ( 波长1 2 0 删2 3 0 a n ) ，平均功率4 0 0 w ，图1 1 0 是俄罗 斯t h z f e l 的装置。 慧鎏。罐7羹蠹， 圉1 。1 1 中物院f e l 实验装置及结果 电子科技大学博士学位论文 ( 3 ) 相对论绕射辐射振荡器 相对论绕射辐射振荡器( r e l a t i v i s t i cd i f f r a c t i o ng e n e r a t o r , r d c ) 是一种重要的毫 米波辐射源。上个世纪九十年代，前苏联强流电子学研究所的科学家s p b u g a e v 5 0 】 研制了毫米波段的r d g ，其装置如图1 1 2 所示。器件可以产生6 5 6 8i l l n 和9 1 1 3i n t o 两种波长的微波，辐射功率分别为3 5g w 和4 5g w 。 i l - - 一 # ，* l f f ，噜t1 s d 椭l 诟研e i p 甘h - t d 憎l i 】弦删 图1 - 1 2 前苏联强流电子学研究图1 - 1 3电子科技大学研制的r d g 所研制的r d g 国内电子科技大学在2 0 0 5 年也进行了8 m m 波段相对论绕射辐射振荡器的实 验研究【5 1 1 ，实验装置如图1 1 3 所示。器件的辐射频率为3 4 7 g h z 左右，辐射功率 大于1 0 0 m w 。 本论文在参考文献f 5 l 】的基础上进行了相对论双电子注绕射振荡器的实验和粒 子模拟研究，探讨双电子注提高器件辐射功率、改善注波互作用性能的机理。 1 3 3 2 低功率辐射源 基于真空电子学的低功率毫米波及亚毫米波辐射源，主要有纳米速调管 ( 5 2 】f 5 3 1 、扩展互作用振荡器( e i o ) 5 4 1 - 5 6 1 、绕射辐射振荡器( 如o r o t r o n s r h 5 9 1 、s m i t h p u r c e l l 辐射器件【印】一【6 5 】) 及返波管( b w o ) 1 6 6 1 。【7 l 】等，它们可实现t h z 频段内连 续波的输出功率大于l m w 。 ( 1 ) 纳米速调管( n a n o k l y s t r o n ) 由j p l 、s l a c 和b r o w n 大学合作进行研制的纳米速调管如图1 1 4 所裂5 2 - 5 3 。 采用微加工技术制成谐振系统，碳纳米管作为阴极，发射密度能够达到l o f t - 1 0 0 0 a c m 2 ，采用纳米速调管阵列提高功率。其工作频率范围0 3 t h z - - 3 0 t h z ，工作电 压为5 0 0 v , 输出功率大于5 0 m w 的连续波。 8 第章绪论 1 0 帅 圈1 1 4j p l 研制的纳米速嘲管 ( 2 1 基于光栅结构的辐射器件 基于光栅结构的辐射器件由于可以发展为紧凑、频率可调的毫米波及业毫米 波辐射源，因而受到高度的关注，成为真空辐射源中的热点研究领域。这里主要 介绍最近o r o t r o n 、s p 辐射器件及b w o 的发展现状。 ao r o t r o n 和s p 辐射器件 1 9 9 5 年p h y sr e vl e t t 报道了由d a r t m o u t h 大学等单位叫共同研发的s m i t h p u r c e l l 辐射器件，他们采用相对论电子通过三角形光栅产生s p 辐射。在与电子 注传输方向成1 8 。和3 0 啪角度上分别测试到波长为6 2 0 , u r n 及13 n u n 的电磁波输 出。实验中光栅的周期为l c m ，电压23 m v 。 1 9 9 8 年d a r t m o u t h 大学j u r a t a 【6 ”等人利用扫描电镜产生低能散度、低发射度 的高质量电子束驱动周期性矩形光栅，在实验中观测到了基于s p 效应的超辐射现 象，实验装置如图i - 15 所示。实验中光栅周期为1 7 3 f 肌，电子注的能量为 2 0 4 0 k e v ，器件的工作频率为03 t h z 1 t h z 。 图1 1 5d a r t a n o u t h 大学粟用低电 图1 1 6 脉冲o r o t r o n 压电子注产生s p 的装置 电子科技大学博士学位论文 2 0 0 4 年，r e v s c i i n s t r u m e n t 报道了由俄罗斯与德国的科学家携手研制的脉冲 o r o 仃o n 卯j ，利用电压4 k v 、电流1 5 0 m a 的电子注驱动矩形光栅，产生频率 3 2 0 n 3 8 0 g h z 、脉冲功率大于2 0 m w 的亚毫米波，结构示意图如图1 1 6 所示。 2 0 0 5 年m i t 6 2 】在p h y s r e v l e t t 上报道了他们采用电压15 m e v 、电量9 p c 预 群聚电子束团产生锁频相干的t h zs p 超辐射，其辐射中心频率为2 4 0 g h z 。 2 0 0 1 年，电子科技大学进行了基于光栅结构的s p f e l 实验【6 3 】- 【硎，图1 1 7 为 s p f e l 实验系统。它采用了由衍射光栅和三反镜组成的新型准光学系统。工作频 带为7 3 8 g h z - 1 1 2 g h z ，峰值功率为数十千瓦。 b 返波振荡器( b w o ) 图1 1 7s p f e l 实验系统 p ( g h z ) + 1 0 0 1 0 1 o 1 7 韩。二，l -i 7 瞪攀o 刍蹭 磁榭l 妒渊嘲 q $ 7 0 0 刀h 。l s 啪 q s 4 rx 扪胁 ) $ 3 5 0o s 2 6 0h i 1j 竺嚣 镳 o s 2 l 飞姒 l 蚤l vp p | i f 、 7 、 j f ， 7 y f t 竹f a b i i 哆p t l 篇篓 01 0 2 03 04 0 f r e q u e n c y ( e m - 1 ) 图1 1 8b w o 的辐射功率与频率的关系 l o 5 0 爹曼_i妻)cl l n d l n o o季苫召粤oo 箱一章绪论 1 9 9 8 年，俄罗斯科学家报道了可以产生额率低干1 8 0 g i l z 和18 0 g h z 1 2 0 0 g h z 、输出功率为m w 量级的b w o m i ，其辐射功率与频率的关系如图1 - 1 8 所不i 6 ”。其中小于18 0 g h z 的b w o 是便携式的，如图1 - 1 9 ( a ) 所示，产生的平均 功率可以达到1 0 r o w 。而图1 - 1 9 ( b ) 所示的它可以产生018 t h z m2 t h z 之间7 个频 率的辐射波，需要的磁场更强，重量达1 0 0 k g 。在频率为2 6 0 g h z 时，辐射功率可 以达到5 2 r o w 它可以用于光讨孚删晕、等离子体诊断和物体检测等。 圳1 1 9 低功率的b w o图1 2 0 基于光了晶体波导的b w o 由于微细加工技术的发展，高频低功率b w o 迎来了新的发展机遇。2 0 0 6 年， 美国犹他州立大学采用基于光子品体波导研制的低功率b w o ，直u 图1 - 2 0 所示。它 主要利用了微细加工技术，将光了品体波导刻在金上形成惺波电路。器件的工作 频率为2 7 0 g h z 、辐射功率为o5 m w 口i 。 4 双电子注器件的研究及其进展 众所周知，双流不稳定性是等离子体中种很重要的物理现象。在微波辐射 源中，引入双电子注进行注波互作用【7 2 i i ” ，在上个世纪中叶就已经提出，日前仍 然是个研究热点。本论文在f e l 及基于光栅结构的辐射源中，引八双电子注及 双流不稳定性的机制，改善器件注波互作用的性能。首先定性介绍双流不稳定性 的物理机理。 141 双流不稳定性 假设在一维情况f ，有两束密度分别为玛和n ：、漂移速度分别为“和“，的均 匀电子束沿z 轴运动，根据线性化的运动方程、连续性和泊松方程，得到职流屯 电子科技大学博士学位论文 子束的色散关系如下【8 6 】一【8 7 】： 叫= 南2 + 南划 舯v p = a ，k , 垆( 等) 2 ，i = 1 , 2 o 图1 - 2 1 双流不稳定性函数f ( v ，) 方程( 1 1 ) 的示意图如图1 - 2 1 所示。当尼 k 时，它有四个实数解，此时双c 电子注是稳定的。当k k ，时，从图中反映出来只有两个实根，另外一对根是复根 v 。= ( 仍，+ i r ) k ，虚部为负的根代表增长波，并且把它定义为双注不稳定性波； 而虚部为正的根代表衰减波。上述临界值后。可以通过护咖。= o - ：r 得如下： 砖= 譬孚 m 2 ， 上个世纪中叶，在微波电真空器件中，利用不同电位的双阴极产生具有不同电 压的双电子注形成双流不稳定性，实现微波信号的产生与放大，取得了一定的成 果【8 5 1 。 1 4 2 双电子注器件的研究进展 双电子注概念在上个世纪4 0 年代末就提出了。p i e r c e 和h e b e n s t r e i t 7 2 】发展了 双电子注的一维线性理论，对分立双电子注之间的增长率和速度差之间的关系进 行了详细的分析。h a e 停7 5 】在1 9 4 9 年提出了在电子管中产生和放大微波能量的新方 法，即利用有一定速度差的电子注产生的空间电荷波互作用，并且进行了分立的 双电子注和速度分布不均的单电子注的实验，其实验系统如图1 2 2 所示。 a v h o l l e n b e v g l 7 6 j 也进行了环形分立双电子注放大器的实验，但是由于当时的效率 1 2 第一章绪论 不高，双电子注器件并未受到足够的重视。 ( b ) 图1 2 2 双电子注模型 ( a ) 分立双电子注( b ) 具有速度分布的双电子注 1 9 9 3 年，s e r l i n 和f r i e d m a n e 7 8 】提出了相对论双电子注速调管的模型并进行了 实验研究，实验装置如图1 2 3 所示。器件的工作频率为3 5 g h z 。1 9 9 3 年，c c h e l a 7 9 1 提出了分立的相对论双电子注速调管放大器结构，并进行了理论分析和粒子模 拟研究。此后一段时期，由于采用相对论双电子注，效率高，双电子注器件进入 了快速发展的阶段。 图1 2 3 相对论双电子注速调管放大器 1 3 电子科技大学博士学位论文 近年来，电子科技大学【8 8 】- 【8 9 】也进行了相对论k l y s t r o n 双流放大器的研究工作。 前面阐述的双电子注是采用两个电源激励双阴极产生的，在文献【9 0 】中设计了一种 新型的双电子注电子枪，其原理图和实验测试分布分别如图1 2 4 和图1 2 5 所示。 该新颖的阴极结构设计关键之处在于一个电源的作用下，两个阴极之间利用一个 电阻分压形成电压差，从而得到具有一定电压差和电流大小不等的两束电子注； 该电子枪另一个特点在于它的阴极电子发射不是针状的，而是平面的，并且它的 阴极除了发射面之外的其它部分被导体包围可以获得更好的电子注形状。 双电子注除了应用于速调管和行波管之外，在自由电子激光中也得到了较大 的发展和应用 9 1 】 9 6 】。 o r 向巾d a yc u p zt o t