大功率0.34THz辐射源中慢波结构的优化设计.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 12 (2013) 120703 大功率0.34 THz 辐射源中慢波结构的优化设计 1 12† 1 1 1 1 李爽 王建国 童长江 王光强 陆希成 王雪锋 1) ( 西北核技术研究所, 西安 710024 ) 2) ( 西安交通大学电子与信息工程学院, 西安 710049 ) ( 2013年1月3 日收到; 2013年2月27 日收到修改稿) 为研制大功率太赫兹源, 提出以切连科夫表面波振荡器为基础, 采用过模结构来研究0.34 THz 信号的产生. 重 点研究了慢波结构的各参数对器件输出性能的影响, 对慢波结构进行了优化设计, 并采用数值模拟方法, 对慢波结 构实际参数的选取和实验中所允许的加工精度提了具体要求; 最后采用粒子模拟对该结构进行了“热腔” 模拟计算. 结果表明该结构能够产生频率为0.34 THz, 输出功率约为7.8 MW 的太赫兹信号, 并且稳定工作于表面波振荡器状 态. 该结果为下一步0.34 THz 太赫兹源的研制奠定了基础. 关键词: 表面波振荡器, 慢波结构, 太赫兹, 粒子模拟 PACS: 07.57.Hm, 41.20.jb, 41.60.m DOI: 10.7498/aps.62.120703 文仍采用过模结构的SWO. 对于SWO, 慢波结构 1 引言 (slow-wave structure, SWS) 的参数选择是至关重要 的, 本文重点对高频系统中的SWS 进行设计和优 太赫兹(THz) 波是指频率在0.1—10 THz 范围 化, 并从理论上分析了SWS 的加工精度要求, 为该 内的电磁波. 由于该波段兼有毫米波与红外光两个 频段大功率太赫兹源的研制提供理论指导. 区域的特性, 因而融合了毫米波和红外光的优点, 特别是相对适中的波束宽度、较宽的系统带宽和 2 结构方案选取 大的多普勒频移特性, 十分有利于目标的探测识别 和干扰对抗 13 . 这些特点为太赫兹波的应用提 相对论切连科夫器件的特点是采用了某种慢 供了巨大潜力, 使得许多国家都投入了大量的人力 波结构, 将器件中轴向传播的电磁波相速度降到略 物力进行太赫兹技术的研究. 太赫兹源是太赫兹技 低于注入的电子速度. 此时, 电子在器件中就会产 术应用的基础, 但是目前国内外针对大功率甚至高 生切连科夫辐射. 此类器件具有高功率、高效率、 功率太赫兹源的研究比较少, 尤其是紧凑型、大功 适合重复频率工作和结构紧凑等优点. 本文采用 10 率太赫兹源的严重滞后阻碍了太赫兹技术的广泛 的是SWO, 其原理如图 1 所示 . 工作时, 由爆炸 应用. 阴极发射产生薄的环形电子注, 在强磁场引导下通 西北核技术研究所对0.14 THz 大功率源进行 过前端漂移管进入慢波结构, 与结构波发生有效的 了理论设计、数值模拟和实验研究48 , 研制了 注波互作用, 产生能量交换, 使得电磁波被放大. 在 MW 级输出功率的源. 所研制的器件采用基于相 SWO 中产生的太赫兹波沿着慢波结构表面传输, 对论切连科夫辐射机制的真空电子学器件, 为了增