填充等離子體的繞射輻射振蕩器高頻特性研究

呂文麗

(中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引言

高功率微波源是高功率微波技術(shù)中的核心部分，而相對論繞射輻射振蕩器（RDG）是一種重要的高功率毫米波源器件，具有良好的發(fā)展前景，如何提高RDG的功率及效率已成為研究熱點(diǎn)。在微波真空電子器件中注入濃度適當(dāng)?shù)牡入x子體可以導(dǎo)致管子性能大幅度提高，經(jīng)歷了從20世紀(jì)50年代開始的漫長探索過程，80年代后期終于在高功率返波管中獲得實驗證實[1-2]。由美國馬里蘭大學(xué)等離子體研究所進(jìn)行的該項實驗中，在注入等離子體前后小心地保持電子束參量不變，排除了由于克服空間電荷限制束電流密度提高而導(dǎo)致管子輸出功率增加這種簡單機(jī)制的作用。國內(nèi)電子科技大學(xué)通過對非磁化等離子體填充相對論返波管的粒子模擬表明[3-4]：在一定的等離子體密度范圍內(nèi)，觀察到電子注的良好傳輸，并得到高功率的電磁波輸出。在背景等離子體密度的變化過程中，存在有一峰值功率點(diǎn)，本文研究表明反射器和漂移段的作用可提高這一峰值功率點(diǎn)。為提高器件輸出功率，本文進(jìn)行了具有反射器和漂移段的RDG研究，運(yùn)用粒子模擬軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，具體分析了填充的等離子體密度、反射器和漂移段對輸出功率的影響，實現(xiàn)了較高的器件輸出功率與效率，為發(fā)展新型高功率毫米波振蕩輻射源奠定了理論和仿真基礎(chǔ)。

1 基本原理

1.1 基本理論

相對論繞射輻射振蕩器是一種自激振蕩產(chǎn)生微波的O型電子注器件[5]，其采用合適的慢波結(jié)構(gòu)使器件中傳播的微波滿足以下兩個條件：（1）微波相速略低于（近似相等）電子注速度，使電子產(chǎn)生切倫柯夫（Cherenkov）輻射：（2）微波的群速與相速相反，引發(fā)自激振蕩。為了能夠方便的輸出電磁波考慮在器件的前端加一反射器，這樣逆電子注方向的電磁波在電子注輸入端通過反射器后將返波變成前向波，最后在輸出端輻射出去，同時達(dá)到增強(qiáng)輸出功率的目的[6]。

在真空電子領(lǐng)域，等離子體填充能有效改善相對論電子器件的輻射特性。研究表明等離子體填充的相對論返波管不僅功率提高了8倍、效率提高到40%，而且輻射信號的頻率也隨等離子體密度的增加而上移。等離子體填充的高功率微波器件相比于真空情況下具有更高的互作用效率，并提出了相關(guān)理論來解釋此種現(xiàn)象。傅濤等曾對等離子體加載的自由電子激光進(jìn)行了深入的理論和實驗研究，發(fā)現(xiàn)了一個最佳的等離子體密度，能夠使器件的輸出功率和駐波互作用效率得到較大的提高[7-8]。

1.1 等離體子密度

通過對非磁化等離子體填充相對論返波管的粒子模擬表明[3]：在一定的等離子體密度范圍內(nèi)，觀察到電子注的良好傳輸，并得到高功率的電磁波輸出。在背景等離子體密度的變化過程中，存在有一峰值功率點(diǎn)，同實驗中測到的結(jié)果完全吻合。通過對填充不同密度的背景離子的模擬發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量越大的，束流傳輸越好，輸出功率越大。

等離子體填充的相對論返波管已經(jīng)被研究，我們有理由相信RDG也有類似的效果。即在RDG中填充等離子體可以得到高功率輸出。

2 粒子模擬

圖1為PIC模擬結(jié)構(gòu)圖[9-10]，圖中包含：（1）陰極；（2）反射器；（3）間隙；（4）慢波系統(tǒng)。其中間隙（3）對電子注起預(yù)調(diào)制的作用。高頻結(jié)構(gòu)的尺寸：周期為0.1 mm，膜片的厚度為0.06 mm，高度為0.07 mm，其中半圓弧的半徑為0.03 mm，波導(dǎo)半徑為1 mm，采用兩段慢波結(jié)構(gòu)，第一段慢波結(jié)構(gòu)周期數(shù)為7，第二段慢波結(jié)構(gòu)周期數(shù)為4，中間漂移段的長度為mm，磁場2.74 Tesla。

圖1 PIC模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PIC simulation structure

電子注傳輸情況如圖2所示，采用環(huán)形電子注，雖然電子注半徑隨著磁場的導(dǎo)引有變化，但是電子束厚度變化不大，仍是O型的線性環(huán)形電子束，有利于表面慢波的Cherenkov束波互作用。

圖2 電子注傳輸圖Fig.2 The transmission of the electron beam

由圖3知，隨著等離子體密度的增加，TM01模的輸出功率增加，在等離子體密度為1.2×104m-3w處輸出功率最大，隨后迅速減小。模擬表明，填充等離子體后，RDG的輸出功率達(dá)到5×1012w，與不填充等離子體器件的3.4×106w相比，輸出功率大幅提升。模擬結(jié)果與理論結(jié)果一致。

圖3 輸出功率隨等離子體密度變化關(guān)系圖Fig.3 Output power of microwave vs plasma density

3 結(jié)論

在本文中，我們使用PIC方法研究了具有太赫茲結(jié)構(gòu)與有反射器的相對論繞射輻射振蕩器。粒子模擬表明，通過填充等離子體，我們不僅可以觀察到電子束的良好傳輸。而且在背景等離子體密度變化過程中，有一個峰值功率點(diǎn)。反射器和漂移段的組合不僅可以提高該峰值功率點(diǎn)，還可以顯著提高輸出功率。該理論的結(jié)果與實驗結(jié)果一致。本文的研究工作有助于提高等離子體填充裝置的性能。

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