0.6 THz三次谐波回旋管的研究

 太赫兹回旋管是一类基于电子回旋受激辐射机理的快波器件,同时也是目前最具发展前景的高功率太赫兹辐射源.本文根据回旋管的线性理论和自洽非线性理论对三次谐波、工作频率0.6 THz的回旋管进行了研究,重点讨论了引导中心分别为0mm的实心回旋电子注和0.315mm的空心回旋电子注的模式竞争.通过分析比较,发现工作在0.6THz 、三次谐波的众多模式中TE37模是一比较理想的工作模式,它不仅有相对较高的功率输出,而且还有相对较少的模式竞争.本文中的设计采用55kV/1.0A,电子注的速度横纵比为1.5,在工作磁场7.86T下,数值计算结果表明输出功率达4.73kW.     

应用于动态核极化核磁共振的太赫兹回旋管

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。     

W波段二次谐波回旋振荡器

针对谐波回旋管互作用效率低的问题, 以自洽非线性理论为基本工具, 系统地分析了三个关键因素, 即互作用腔体长度(Q值)、电子注的横纵速度比和工作电压对二次谐波互作用系统性能的影响.研究发现当工作磁场选择在硬激发区时, 通过综合调节电子注的横纵速度比和工作电压能够获得较高的互作用效率.基于自洽非线性理论优化设计了一个W波段二次谐波回旋振荡器, 粒子模拟(PIC)结果显示当电子注速度离散３％, 工作电压37 kV, 电流4 A时, 输出效率达到了39.5%.     

W波段三次谐波回旋振荡管的模拟与设计

研究了影响毫米波谐波回旋管互作用效率的多个因素,通过采用三次谐波工作,94 GHz回旋管的工作磁场降低到了1.185 T,使采用永磁体取代超导磁体成为可能.利用自洽非线性计算和粒子模拟研究了回旋振荡管的注-波互作用过程,发现了腔体品质因数与互作用效率的内在联系,研究了工作电压和电子注横纵速率比对耦合强度的影响,考虑了磁场渐变及电子注速度离散对互作用效率的影响,通过选择合理的工作模式和系统参数,当工作电压为40 kV、工作电流为12 A、电子注横向速度离散为3%时获得了95 kW的输出功率及19.7%的效率.当采用单级降压收集极后,效率可以进一步提高到39.2%.     

高次谐波太赫兹回旋管的多模工作研究

为了发展大功率、实用性强的太赫兹辐射源,文中对太赫兹回旋管中多个二次谐波工作模式的注波互作用进行了理论和实验研究,分析不同参数下多个二次谐波工作模式单模振荡的条件.实验研究结果表明,在二次谐波工作状态下,通过调节工作磁场、电流等参数,在单管中实现了四个不同频率0.391、0.404、0.416、0.423 THz,千瓦级以上输出功率的太赫兹波辐射.     

高次谐波大回旋太赫兹振荡器多模工作特性

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管,借助于三维粒子模拟,研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明,通过调节磁场强度,可以在多个相邻谐波处连续激发振荡,实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射,最大辐射功率为19kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争,讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外,论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的研究

应用自行编制的电子注-波互作用的自洽非线性模拟程序,我们对Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的注-波互作用进行了研究.通过对回旋速调管放大器的数值模拟,我们详细描述了二次谐波电子注-波互作用过程中电子群聚的物理图景;并研究了不同变化参数(漂移管长度和静磁场强度)对电子效率的影响.模拟结果表明:设计的二次谐波回旋速调管放大器的电子效率为15.4%,相应的输出功率约为161kW.     

35GHz三次谐波低电压回旋管理论研究

用动力学理论分析了三次谐波复合腔回旋管中的注-波互作用,选取了工作点;建立了突变复合腔回旋管的自洽非线性理论模型,该模型既考虑了电子和高频场的自洽相互作用又考虑了复合腔过渡部分模式的耦合,基于该理论模型,对一只三次谐波35GHz突变结构复合腔回旋管中电子注与H₆₁-H₆₂高频场互作用进行了数值模拟,当电流20A,磁场为0.442T时,互作用效率为24%,输出功率为210kW.     

太赫兹回旋管研究进展

回旋管是一种基于电子回旋谐振受激辐射的快波器件,是目前太赫兹波段输出功率和效率最高的重要器件,本文给出了目前国内外太赫兹回旋管技术的发展状况,分析了太赫兹回旋管的特点和应用前景.     

带状电子注驱动的准光谐振腔回旋管

回旋管作为一种重要的真空电子源，能够在毫米波和太赫兹频段生成高峰值以及高平均功率的电磁辐射，在波谱学、雷达、通信、生物医学等领域具有广泛的应用前景。传统的回旋管将不可避免地面对激烈的模式竞争问题，引入准光谐振腔将有望大大减小模式竞争的激烈程度。本文基于电子回旋脉塞理论，将准光谐振腔及带状电子注进行结合，以期实现更高的输出功率及效率。仿真结果表明，在电子电压为40 kV，背景磁场为8.4 T时，设计的准光回旋管能在220 GHz频点处产生6.1 kW的输出，电子效率达到6.1%且在一段时间内能稳定运行。本文结构将可能为高频段乃至高次谐波工作的回旋管设计提供全新方案，从而进一步用于通信、雷达等领域。     

An Ultrahigh-order-mode, Higher-harmonic Coaxial Gyrotron Oscillator in Sub-terahertz Wave Range

A coaxial cavity gyrotron oscillator at a frequency of 0.34 THz is studied, which operates with a quite low magnetic field of 4.55 Tesla at the third cyclotron harmonic of the ultrahigh-order mode TE_43,4. Properly choosing the depth of the longitudinal corrugations on the inner rod and optimizing the electron-beam position significantly suppress the mode competition. Nonlinear multimode simulations show the feasibility of the single-mode operation with an output power of 163 kW by using an electron beam with a voltage of 70kV and a current of 30A, which corresponds to an interaction efficiency of 9.2 % with maxim density of ohmic losses 2.9 kW/cm².     

3mm二次谐波回旋振荡管设计与数值模拟

二次谐波回旋振荡管的互作用磁场比基波回旋振荡管的磁场降低了一半,从而降低了设计难度,具有广阔的应用前景。通过对单腔结构的W波段二次谐波回旋振荡管高频结构、起振电流、模式竞争以及注波互作用研究,确定了W波段TE02模二次谐波回旋振荡管的基本工作参数,通过粒子模拟(PIC)软件进行计算,在电子注电压为60kV,注电流为6A及速度比为1.5时,获得了67.5kW的输出功率和超过18%的效率,且工作稳定。     

A W-band Third Harmonic Gyrotron with an Iris Cavity

The design and experimental results of a W-band gyrotron operating at the third cyclotron harmonic are presented. The gyrotron is designed to operate at the TE₆₁ mode, which is significantly distinct from competing modes. An iris cavity is employed for the purpose of trapping the third harmonic mode more effectively and lowering its start current. In the experiment, the gyrotron is drived by a triode magnetron injection gun (MIG) which can produce a 45 kV, 3 A electron beam. When maximum axial magnetic field is 1.22 T, a single mode third harmonic gyrotron radiation is observed with the frequency of 94.86 GHz. The maximum output power is 5.5 kW, corresponding to an efficiency of 4%. Another third harmonic mode TE₀₂ is also detected at 88.8 GHz, with maximum output power of 1.5 kW.     

Design of a CW 1 THz Gyrotron (Gyrotron Fu Cw III) Using a 20 T Superconducting Magnet

Design of a CW 1 THz gyrotron at second harmonic operation using a 20 T superconducting magnet has been described. The mode competition analysis is employed to investigate operation conditions of second harmonic mode, which is being excited at the frequency ranging from 920 GHz to 1014 GHz. The output power up to 250 watt corresponding to the efficiency of 4.16 percent could be achieved by using an electron beam with accelerating voltage 30 kV and current 200 mA. The important advantage of this gyrotron is that the single mode excitation at second harmonic, and extremely high frequency of the radiation, could be maintained even at high currents. It opens possibility to realize a high power radiation source at 1 THz. Such gyrotron is under construction at FIR Center, University of Fukui.     

Electron-optical system of terahertz gyrotron

A gun with the magnetic-field cusp in the anode-cathode gap is developed. A near-axis beam with an electron energy of 50–80 keV, a current of up to 0.7 A, a pitch factor of 1.5, and a relatively small spread of rotational velocities is generated using the gun in magnetic field of 10.5–14 T. The gyrotron with a working frequency of up to 1.0 THz that operates at the third cyclotron harmonic is demonstrated for the first time.     

太赫兹二次谐波回旋振荡管

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz 回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模拟(PIC)方法验证非线性动力学研究结果,模拟结果显示当工作电压为12 kV、工作电流为0.24 A 时,输出功率和效率分别为173 W 和6%。若采用降压收集极后,则整管效率可进一步提高至14.4%。