电子科技大学硕士学位论文频率03THz Orotron器件中关键技术研究姓名 陈之亮申请学位级别 硕士专业 光学指导教师 杨梓强20100501摘要摘要采用双反射镜构成开放式谐振腔的奥罗管 是一种有效的毫米波和亚毫米波真空电子学辐射源。近年来由于太赫兹技术的发展越来越受到人们的关注。本文采用理论分析

  电子科技大学硕士学位论文频率03THz Orotron器件中关键技术研究姓名 陈之亮申请学位级别 硕士专业 光学指导教师 杨梓强20100501摘要摘要采用双反射镜构成开放式谐振腔的奥罗管 是一种有效的毫米波和亚毫米波真空电子学辐射源。近年来由于太赫兹技术的发展越来越受到人们的关注。本文采用理论分析与模拟仿真相结合的办法 对工作频率为 器件中电子枪部分和谐振腔部分两项关键技术进行了分析研究。从片状电子注理论及皮尔斯电子枪原理出发通过二维、三维粒子模拟技术设计了具有双阳极结构的片状注电子枪。这种结构的特点是电子注工作电压的改变 即第二阳极电压 不会影响器件的工作电流 电子注电流的大小可以通过改变第一阳极电压的大小进行调节。分别研究了电子枪各个参数对于输出电流的影响。模拟结果表明 阴极与第一阳极间距离、第一阳极电压对输出电流大小影响较大。其他参数如阴极与第二阳极间距离、第二阳极电压、阳极孔大小及阳极片厚度等参数对输出电流大小影响较小。纵向磁场的增大可以有效的抑制电子注的扩散和扭曲。综合考虑现有技术条件 当阴极材料溢出功为 、温度 、工作电压 情况下 得到电子枪输出电流为 相应电流密度为 。采用准光学理论与仿真模拟相结合的方法设计了谐振频率为 的准光学开放式谐振腔。采用准光学理论导出确定反射镜间场分布与纵向腔长的公式。对腔内谐振模式 的场分布进行了数值计算。根据场分布情况确定方形反射镜边长。求解了频率在 。模式下不同值对应的腔长 。建立三维仿真模型对已求解谐振模式进行验证分析 仿真结果与计算结果基本相符。本文对国内发展小型化的短毫米波或 频段真空电子器件具有一定的参考价值。关键词 器件 双阳极电子枪 片状电子注 准光学谐振腔 毫米波与亚毫米波 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名 堡垒 劫日期 口年岁月多护日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 塑兰塾导师签名 日期 日第一章绪论研究的背景和意义第一章绪论为了科学研究和应用的需求 人们需要发展真空电子学的毫米波、亚毫米波源。主要沿着两种不同渠道进行 第一是将传统微波管的工作频率向毫米波、亚毫米波推进 第二是探索毫米波、亚毫米波的新的工作原理和新的器件。不可否认 传统微波管向毫米波段的发展取得了很大进展 但沿这一方向必定会受到某些原则性的限制。第一 传统微波管的尺寸大小与工作波长具有共度性 即随着工作频率的提高 高频系统尺寸会逐渐减小。到达一定程度时会造成器件的无法加工制造。第二 尺寸的减小必然要带来对表面处理要求的提高 随之趋肤效应也随之增加 使得系统的高频损耗加大。第三 尺寸的减小也将带来互作用空间的减小 这将直接影响到器件的功率容量。第四 系统内部的散热、直流击穿打火等问题也会随结构变小而十分严重。因此为了进一步提高工作频率 获得更高功率 具有开放式谐振腔的 器件引起了人们的关注【 器件结构示意图器件是基于史密斯 效应而形成的一类新型毫米波、亚毫米波器件。史密斯帕塞尔效应指的是电子沿光栅运动时 会有电磁波辐射。因在绕射辐射器件中采用了准光学谐振腔和绕射光栅 所以此类器件被称为奥罗管 即具有开放式谐振腔及反射光栅的振荡器 。其由前苏联科学家于 年首先制成。其基本电子科技大学硕士学位论文组成结构如图 所示。若电子注的纵向运动速度为 光栅的空间周期为 观察者的角度为纯 器件从观察角度为。的方向输出电磁波 目前已经研制出的 器件可以产生频率在 范围的电磁波【 美国陆军电子研究所及应用开发中心实验室的等人对 器件理论进行讨论 并重点分析研究了频率为 时候的情况 北京电子研究所的宋文淼、郭开周等人对于器件中的空间电荷场进行了理论分析【 俄罗斯科学院光谱研究所等人成功研制出基于 器件设计的可调谐毫米波光谱仪。其法布里 波段的奥罗管振荡频率范围分别为 乌克兰无线电天文学研究院的与德国汉堡技术大学的 等人研究了单腔奥罗管放大器在线性和非线性模型下的情况。并进行了实验研列 。原理图如图 所示。 第一章绪论圈 基于 器件的毫米波光诺仪结构示意图。 光橱部分 球面镜 阴极 收集极 云母接收窗 脉冲狭缝 压电陶瓷传感嚣 螺栓 输出波导 永久磁铁 德国和俄罗斯的等人设计出基于 器件的光谱仪。其主要工作在毫米波频段 灵敏度相比以往有了很大提高州。结构示意图如图 所示。 等人对减小衍射结构时奥罗管性能的变化进行了研究【“】。电于科技大学硕士学位论文图 脉冲式奥罗管内部结构及加 实物圈 等人成功研制出基于器件脉冲发生源 频率为 周期 脉冲功率可达到”】。内部结构图及加工实物图如图 所示。 美国马里兰州大学电子与应用物理研究所等人提出了一种新的求解 器件中横向场的方法【 年俄罗斯无线电工程与电子学院的等人对 器件中周期结构进行优化 通过调节电压可使器件调谐频率变化范围达到 美国马里兰州大学电子与应用物理研究所等人对于 器件中的非线性理论进行了研究 年美国霍普金斯大学应用物理实验室的等人分析研究了在奥罗管作为 频段发生源时 阴极发射材料采用碳纳米管时的情况。其目的在于使器件结构变得更加紧密 尺寸更加小巧 俄罗斯应用物理研究所等人设计工作频率为 的低功率脉冲奥罗管【堋。 美国马里兰州大学电子与计算机工程学院的等人对于平面奥罗管的内部场进行了理论研究。其中详细分析了电子注密度和光栅尺寸对于电场的影响 俄罗斯等人对于 器件中电子注沿一定的倾斜角入射的情况进行了分析研究 一鎏髯『第一章绪论在频段内 器件对于所选定频率的选择及放大特性。所得结果为 电子枪电压为 电子注截面尺寸为 频率为 电流大小为 功率为 本论文主要工作随着器件工作频率向短毫米及 频段的扩展 注波互作用效率逐渐降低 这就要求高密度的驱动电流。工作在短毫米波段起振电流密度一般要求 脯。同时由于片状电子注可通过增加横向尺寸来增大电子注的截面面积 易于大电流下工作 因此一般采用片状电子注。产生高电流密度电子注的电子枪成为这类器件发展的关键。此外 工作在短毫米波段的器件要求极高的加工精度和极苛刻的调整装配条件。因而常规电真空器件向短毫米波段拓展的研究工作产生了极大的困难和限制。由于开放式谐振腔具有尺寸远大于它的工作波长、易于加工等优点 因此成为开发短毫米波及远红外波谱的有效手段之一 是当前波谱开发研究工作的热点。综合上述 高电流密度片状注电子枪以及具有频谱稀疏 易于单模工作的开放式谐振腔是 器件设计中的关键问题。本文将采用理论分析与模拟仿真相结合的方法对工作频率为 器件中高电流密度片状注电子枪与开放式谐振腔的设计两项关键技术进行细致的研究。主要工作如下、设计了具有双阳极结构的片状注电子枪。在片状电子注相关理论分析的基础上 采用二维、三维粒子模拟对双阳极结构电子枪进行了详细的分析研究。分析了极间电压、距离及磁场等参数对电子枪输出电流和电子传输的影响 优化设计了工作电压 输出电流 电流密度 的片状注电子枪。 、研究了谐振频率为 器件中开放式准光学谐振腔。从准光学谐振腔基本理论出发利用数值计算获得了准 各谐振模式的场分布图 根据场分布及谐振频率确定了反射镜边长尺寸。求解了频率在 模式下不同值对应的腔长 。建立了三维仿真模型对相应谐振模式进行了验证分析 仿真结果与计算结果基本相符。整篇论文的组织结构如下 第一章绪论第二章片状电子注相关理论研究

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