填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射X-强激光与粒子束.PDFVIP

　第 16 卷 　第 11 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ,No. 11 　 　2004 年 11 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Nov. ,2004 　 ( ) 文章编号 : 　100124322 2004 1121463205 X 填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射 吴坚强 ( 电子科技大学 物理电子学院, 四川 成都 610054) 　　摘 　要 : 　利用自洽线性场理论 ,导出了薄环形相对论电子注通过填充等离子体的介质同轴波导中的注波 互作用色散方程 ,得到了注波互作用产生切伦科夫辐射的同步条件和波增长率。分析了填充等离子体后的波 与电子注之间的能量交换及等离子体密度对色散特性、波增长率和注波能量交换的影响。分析结果表明 :切伦 科夫辐射是由沿介质同轴波导传播的慢波与沿薄环形相对论电子注传播的负能空间电荷波耦合所致 ,且其耦 合强度与电子注的密度成正比 ;输出频率和波增长率随着填充等离子体密度的增大而提高 ;保持一定的输出频 率 ,增大电子注的束流可得到高的微波输出功率。 　　关键词 : 　薄环形电子注 ; 　等离子体 ; 　介质同轴波导 ; 　切伦科夫辐射 ; 　色散特性 　　中图分类号 : 　TH752. 5 　　　　文献标识码 : 　A 　　在高功率相对论微波器件中填充适当密度的背景等离子体可有效地提高器件的注波互作用效率、工作频 率和输出功率[1～4 ] 。目前有关这方面的实验研究主要集中在两种高功率微波器件中 ,一种是介质切伦科夫脉 塞[2 ] ,另一种是相对论返波管[3 ] 。具有代表性的实验有:1987 年 ,俄罗斯的研究小组用 0. 9kA ,0. 4MV 相对论电 子注 , 由等离子体切伦科夫脉塞产生了0. 1GW 的微波 ,效率为 20 %[1 ] ;美国加州大学 Davis 分校利用等离子体 切伦科夫脉塞作放大器 ,得到了输出功率达 GW 水平的微波 ,效率大于 10 % ;而最具影响的实验是美国马里兰 大学的研究小组将等离子体注入相对论返波管中 ,得到了输出功率 600MW ,效率达 40 %的微波输出 ,效率比未 [3 ] ( ) 充等离子体的同类器件提高了近 8 倍 。而后发展起来的 PASTRON plasma2assisted slow2wave oscillator 则大大 推进了此类器件的实用化进程[4 ] 。 　　一系列实验结果的取得 ,推动了理论研究的深入发展[5～8 ] 。本文将利用线性自洽场理论[9 ] ,对环形相对论 电子注通过填充等离子体的介质同轴波导产生注波互作用而激励形成的切伦科夫辐射进行分析讨论。分析结 果可为此类等离子体介质切伦科夫脉塞的工程设计提供一定的理论参考。 1 　分析模型 　　新型慢波系统结构如图 1 所示 , 同轴圆柱波导的内、外半径分别为 a 和 b ; 紧靠内导体放置环形介质筒, 其 内半径为 a , 外半径为 d , 相对介电常数为 ε;在介质筒和外导体之间的空间内填充平衡密度为 n 的等离子 r p0 体。薄环形相对论电子注沿系统的对称轴 z 方向穿过填充 有等离子体的注波互作用区。 　　对于薄环形相对论电子注 ,文献[10 ] 已作过详细讨论。 ( φ )