0.22THz準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋返波管的設(shè)計與模擬研究
回旋返波管作為一種頻率可調(diào)諧的大功率太赫茲輻射源器件，具有較好的實用前景。本文根據(jù)回旋返波管線性理論設(shè)計了一只中心工作頻率在0.22THz的準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋返波管，采用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進行數(shù)值模擬研究，分析其工作特性。仿真結(jié)果表明：所設(shè)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 時調(diào)諧帶寬大于1GHz。
太赫茲科學(xué)技術(shù)作為一門新興的學(xué)科，自誕生以來由于其廣闊的應(yīng)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(chǔ)，一直被人們看著是太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展前進過程中的重點。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)加工等方面有著十分重要的應(yīng)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中的回旋諧振受激輻射機理，不需要像傳統(tǒng)微波、毫米波真空電子器件那樣需要慢波系統(tǒng)，并且可在太赫茲波導(dǎo)中實現(xiàn)大功率輸出。目前俄羅斯應(yīng)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(diào)管、回旋行波管以及回旋返波管等類型，其中回旋返波管作為一種具有調(diào)頻功能的器件，應(yīng)用潛力十分遠大。但當(dāng)器件的工作頻率逐漸升高時，為了解決尺寸共渡效應(yīng)以及功率容量等問題，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(diào)諧性能嚴重下降，所以需研究新型結(jié)構(gòu)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(zhǔn)光結(jié)構(gòu)作為回旋管的高頻結(jié)構(gòu)，并采用該結(jié)構(gòu)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(zhǔn)光結(jié)構(gòu)設(shè)計了一只中心工作頻率0.22THz，工作模式為HE0 6模的準(zhǔn)光波導(dǎo)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(shè)計進行了模擬分析。
1、回旋返波管原理
回旋返波管(Gyro-Backward wave oscillator，Gyro-BWO)是在外加磁場引導(dǎo)的回旋電子注與高頻結(jié)構(gòu)中電磁波的返波相互作用的一類電子回旋脈塞器件�；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(shù)，kz是縱向波數(shù)，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(dāng)回旋電子注通過高頻結(jié)構(gòu)時，由于受到TE模E場的作用，電子速度會發(fā)生變化，從而導(dǎo)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)，電子回旋頻率也會隨之變化。這種回旋頻率的變化進一步導(dǎo)致回旋軌道中相位的群聚。所以當(dāng)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，高頻場使得大部分電子處于減速區(qū)，經(jīng)過一段時間，回旋電子注在角向形成群聚，電子注交出能量，高頻場獲得能量，就形成了電子注與場的能量交換。耦合色散曲線如圖1表示了回旋返波管的工作點。
圖1 回旋返波管色散曲線
在回旋返波管中，工作頻率將隨著回旋電子注的色散曲線傾斜深度的不同而不同，這就是說，它是ν⊥的函數(shù)，從而也就是加速電壓V 的函數(shù)，因此，回旋返波管的震蕩頻率能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)通過調(diào)整電壓來實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。
結(jié)論
本文設(shè)計了一只中心工作頻率在0.22THz的準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋返波管，根據(jù)回旋管線性理論選取了工作參數(shù)，并采用自主研發(fā)的三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進行了模擬分析。模擬結(jié)果表明：在B=8.4T，I=7A，#=1.5，L=21mm，V=40kV時，可獲得14kW 的峰值功率輸出和5%的效率，調(diào)節(jié)電壓35～50kV，頻率變化220.7～219.5GHz，輸出功率大于5kW，說明本文設(shè)計的回旋返波管具有大于1GHz的調(diào)諧帶寬，本文可為準(zhǔn)光波導(dǎo)回旋器件的實驗與研發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。
