0.22THz準光波導回旋返波管的設計與模擬研究
回旋返波管作為一種頻率可調諧的大功率太赫茲輻射源器件，具有較好的實(shí)用前景。本文根據回旋返波管線(xiàn)性理論設計了一只中心工作頻率在0.22THz的準光波導回旋返波管，采用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進(jìn)行數值模擬研究，分析其工作特性。仿真結果表明：所設計的回旋返波管可獲得14kW 的峰值功率輸出，輸出功率大于5kW 時(shí)調諧帶寬大于1GHz。
太赫茲科學(xué)技術(shù)作為一門(mén)新興的學(xué)科，自誕生以來(lái)由于其廣闊的應用前景從而受到普遍的重視，發(fā)展形勢迅速。太赫茲源作為太赫茲技術(shù)發(fā)展的基礎，一直被人們看著(zhù)是太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展前進(jìn)過(guò)程中的重點(diǎn)。電子回旋脈塞作為一種重要的毫米波-太赫茲輻射源器件，在等離子體加熱、受控核聚變、等離子體診斷、毫太赫茲雷達、通信及電子對抗、工業(yè)加工等方面有著(zhù)十分重要的應用前景，近30年一直受到各國研究者的廣泛關(guān)注。
電子回旋脈塞是一種快波器件，其工作原理基于電子在磁場(chǎng)中的回旋諧振受激輻射機理，不需要像傳統微波、毫米波真空電子器件那樣需要慢波系統，并且可在太赫茲波導中實(shí)現大功率輸出。目前俄羅斯應用物理研究所已研制出1THz以上頻率的電子回旋脈塞器件，我國電子科技大學(xué)也研制出0.22THz與0.42THz的電子回旋脈塞器件。
電子回旋脈塞器件主要有回旋單腔管、回旋速調管、回旋行波管以及回旋返波管等類(lèi)型，其中回旋返波管作為一種具有調頻功能的器件，應用潛力十分遠大。但當器件的工作頻率逐漸升高時(shí)，為了解決尺寸共渡效應以及功率容量等問(wèn)題，往往需要使用高次模作為工作模式，這就引入了模式競爭問(wèn)題。在太赫茲頻段，由于器件的尺寸很小，模式競爭也就更加難以抑制，因此調諧性能?chē)乐叵陆�，所以需研究新型結構的適用于太赫茲頻段的回旋返波管。
美國MIT提出采用一種準光結構作為回旋管的高頻結構，并采用該結構成功研制出0.14THz回旋單腔管與回旋行波管。本文采用這種準光結構設計了一只中心工作頻率0.22THz，工作模式為HE0 6模的準光波導回旋返波管，并利用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對設計進(jìn)行了模擬分析。
1、回旋返波管原理
回旋返波管(Gyro-Backward wave oscillator，Gyro-BWO)是在外加磁場(chǎng)引導的回旋電子注與高頻結構中電磁波的返波相互作用的一類(lèi)電子回旋脈塞器件�；匦挡ü艿碾娮踊匦C振條件如下[4]：
ω-kzvz-sΩc =0， (1)
式中：s是諧波數，kz是縱向波數，ω 是波的角頻率;vz是電子的軸向速度，Ω=eB/(γ0m)是相對論電子回旋頻率，γ0=(1-β2)-1/2是相對論因子，v是電子速度，c是光速。
當回旋電子注通過(guò)高頻結構時(shí)，由于受到TE模E場(chǎng)的作用，電子速度會(huì )發(fā)生變化，從而導致一部分電子處于加速狀態(tài)，一部分電子處于減速狀態(tài)，電子回旋頻率也會(huì )隨之變化。這種回旋頻率的變化進(jìn)一步導致回旋軌道中相位的群聚。所以當波的多普勒漂移頻率略大于電子回旋頻率Ω 或其諧波頻率sΩ 時(shí)，高頻場(chǎng)使得大部分電子處于減速區，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，回旋電子注在角向形成群聚，電子注交出能量，高頻場(chǎng)獲得能量，就形成了電子注與場(chǎng)的能量交換。耦合色散曲線(xiàn)如圖1表示了回旋返波管的工作點(diǎn)。
圖1 回旋返波管色散曲線(xiàn)
在回旋返波管中，工作頻率將隨著(zhù)回旋電子注的色散曲線(xiàn)傾斜深度的不同而不同，這就是說(shuō)，它是ν⊥的函數，從而也就是加速電壓V 的函數，因此，回旋返波管的震蕩頻率能在相當寬的頻率范圍內通過(guò)調整電壓來(lái)實(shí)現連續調諧。
結論
本文設計了一只中心工作頻率在0.22THz的準光波導回旋返波管，根據回旋管線(xiàn)性理論選取了工作參數，并采用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進(jìn)行了模擬分析。模擬結果表明：在B=8.4T，I=7A，#=1.5，L=21mm，V=40kV時(shí)，可獲得14kW 的峰值功率輸出和5%的效率，調節電壓35～50kV，頻率變化220.7～219.5GHz，輸出功率大于5kW，說(shuō)明本文設計的回旋返波管具有大于1GHz的調諧帶寬，本文可為準光波導回旋器件的實(shí)驗與研發(fā)奠定了一定的基礎。
