Smith-Purcell超辐射太赫兹源的相关研究

论文摘要

太赫兹电磁波（THz）通常是指频率在0.1 THz至10 THz的电磁波。太赫兹波的波长在30μm至3 mm之间,处于毫米波与红外线之间,该波段的电磁波具有高分辨率、低能量和高穿透性等独特的性质,从而使得太赫兹电磁波具有广泛的应用前景和重大的研究价值。太赫兹辐射源是太赫兹科学技术转化为现实生产力中的重要环节,而真空电子学太赫兹源具有高功率、高效率、室温工作特点的,所以开展真空电子学太赫兹源的研究对促进太赫兹技术的发展具有重大意义。然而真空电子学太赫兹辐射源随着频率的提高,结构尺寸大幅度减小,起振电流密度大幅度上升,因此提高现有真空电子学太赫兹辐射源的工作频率以及降低起振电流密度成为了现阶段的主要研究目标。基于以上原因,本论文将深入研究开放式光栅结构的色散特性,对SmithPurcell辐射（SPR）的应用进行拓展研究;探讨二维周期柱结构的色散特性,对电子注在二维周期柱结构中激励Smith-Purcell超辐射（SSPR）进行深入探讨,旨在降低电子注能量和电流密度,设计高功率、高效、紧凑、可调的太赫兹辐射源模型;最后进行后续的相关实验研究。研究的具体内容如下:a.基于开放式光栅对高次谐波Smith-Purcell超辐射的机理进行深入研究系统中结构的色散特性是结构的特有属性,是研究系统的基础。色散特性关系到真空器件的工作电压、频带宽度、工作频点、工作稳定性等一系列重要指标。由于通常高次谐波Smith-Purcell超辐射的辐射功率过小,故现有研究都集中于二次谐波Smith-Purcell超辐射。本文通过理论分析开放式光栅结构的色散特性,提出了一种新的机理,通过抑制二次谐波超辐射,来提高三次谐波超辐射的输出功率,并通过PIC仿真验证其可行性,从而大幅度提高辐射源的工作频率。b.多电子注在二维周期柱结构中激励Smith-Purcell超辐射的研究工作在太赫兹波段的太赫兹辐射源对电子注电流密度的要求随频率提升而急剧增加。二维周期柱结构可以让电子注在其结构内部通过,增加表面波与电子注互作用面积,同时可以允许多电子注之间的耦合。本文主要通过本征模拟分析二维周期柱结构的色散特性,然后通过PIC模拟,探讨最佳二维周期柱的结构尺寸,最后再通过仿真模拟,对比验证二维周期柱结构可以达到降低起振电流密度和提高辐射功率目的。c.三反射镜耦合输出Smith-Purcell超辐射的研究Smith-Purcell超辐射是具有辐射角的相干辐射,而三反射镜准光腔具有高Q值、角度可调的优势,在耦合输出Smith-Purcell超辐射方面具有独特的地位和作用。本文主要基于自由电磁振荡理论来理论分析三反射镜中电磁场分布,并获得腔体的谐振条件;使用PIC仿真二维周期柱耦合三反射镜的模型,验证三反射镜在耦合输出Smith-Purcell超辐射中的适用性。d.Smith-Purcell超辐射的初步实验前文工作已经对开放光栅结构和二维周期柱中Smith-Purcell超辐射进行了深入研究,实验验证是将理论转化为实践的基本步骤。由于时间问题,本文仅完成了Smith-Purcell超辐射实验研究的初步阶段。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 太赫兹科学与技术简介
•     1.1.1 太赫兹科学与技术简介
•     1.1.2 太赫兹源简介
•   1.2 Smith-Purcell辐射效应简介
•     1.2.1 Smith-Purcell辐射简介
•     1.2.2 Smith-Purcell超辐射现象
•   1.3 本论文的思路与主要工作内容
• 第二章 开放光栅的SMITH-PURCELL超辐射的研究
•   2.1 开放光栅的三次谐波Smith-Purcell超辐射的机理
•     2.1.1 开放光栅结构的色散特性
•     2.1.2 三次谐波Smith-Purcell超辐射的机理
•   2.2 开放光栅的三次谐波Smith-Purcell超辐射的仿真研究
•   2.3 本章小结
• 第三章 多电子注在二维周期柱中激励SMITH-PURCELL超辐射的研究
•   3.1 二维周期柱结构的色散特性
•     3.1.1 二维周期柱结构中表面波场的主模
•     3.1.2 二维周期柱结构的色散特性
•   3.2 二维周期柱结构的注波互作用研究
•     3.2.1 二维周期柱中电子注的最佳耦合尺寸
•     3.2.2 二维周期柱中Smith-Purcell超辐射的模拟研究
•   3.3 本章小结
• 第四章 三反射镜耦合输出SMITH-PURCELL超辐射的研究
•   4.1 三反射镜准光腔的研究
•     4.1.1 三反射镜准光腔的模型简介
•     4.1.2 三反射镜腔体的谐振条件
•   4.2 三反射镜耦合输出Smith-Purcell超辐射的模拟研究
•   4.3 本章小结
• 第五章 SMITH-PURCELL超辐射的初步实验研究
•   5.1 实验仪器简介
•   5.2 实验方案的制定
•   5.3 电子注平行入射开放光栅结构的初步实验与测量
•     5.3.1 实验准备阶段
•     5.3.2 电子枪测试阶段
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果与荣誉

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡鹏飞

导师: 胡旻

关键词: 太赫兹辐射源,超辐射,光栅,二维周期柱,三反射镜准光腔

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: O441.4

总页数: 62

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