等离子体填充THzCherenkov源的机理研究

This project gives a new method of excitaiton of THz radiation in a cylindrical metallic waveguide with an axial magnetized degenerate plasma rod by an electron beam.The project will give theoretical and PIC simulative reseach on the device.The dispersion equation in the device will be derived using the self-consistent linear theory.The interaction of beam-wave will be analyzed in PIC simulation method.The research work is important to develop Cherenkov-type THz source.

本项目提出了环形电子注激励具有轴向磁化简并等离子体棒的圆柱慢波系统产生THz波段Cherenkov辐射的新设想。通过理论分析与三维粒子模拟仿真相结合，分析该慢波结构中电磁波的特性及其注波之间互作用的物理机理，研究该慢波系统中TM模式的色散关系，探讨环形电子注与电磁波互作用产生THz波段Cherenkov辐射的线性增益。本项目的研究成果对于发展Cherenkov型的THz辐射源具有重要的理论意义。

项目背景： THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开：THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大困难之一还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源。本项目提出利用电子注激励等离子体填充的周期性金属圆柱慢波系统产生THz波段Cherenkov辐射源，课题研究成果将为发展THz波段Cherenkov辐射源奠定理论和技术基础。.主要研究内容：①建立磁化等离子柱填充的周期性盘荷加载圆柱慢波结构的电子注及电磁波互作用物理模型，采用场匹配理论，结合HFSS仿真分析轴向磁化简并等离子体填充变形盘和慢波系统的冷腔色散曲线、计算耦合阻抗。.②利用线性理论给出热腔色散曲线和波的增长率曲线，分析电子注位置（在等离子体柱内部和外部）、电子注电压等因素的变化对波增长率的影响。.③在理论分析与仿真研究的基础上，采用粒子模拟软件，进行粒子模拟研究，详细了解这种结构中产生THz频段Cherenkov辐射的特性，研究等离子体填充情况下注波之间互作用的物理过程和机制，分析等离子加载对器件性能的影响。.重要结果：①随着波纹波导平均半径的减小，色散曲线越来越尖锐；随着波纹幅度和周期的增加，色散曲线变得越平坦，但是波纹周期的改变对器件的调谐影响很小因此，设计慢波结构的尺寸时，合理选择结构参数非常重要。.②随着电子注电压和电流的增大，波的增长率也在增大，而且工作带宽也在增大；当电子注越靠近波导壁，注波互作用越有效，当re>0.05cm时，波的增长率迅速增大，工作带宽明显增大。.③有等离子体填充时的输出功率比没有等离子体填充时的输出功率有所提升。加了反射器的结构中，输出功率比没有反射器的结构有所提升。.关键数据：慢波结构参数：r0=0.1cm,h=0.02cm,z0=0.08cm . 电子注参数： re=0.05cm,I=5kA,U=5kV .科学意义：太赫兹技术的提出和发展在中国仅有10几年的时间，国内开展太赫兹源研究的单位仅局限于几家，本课题的研究成果对国内发展Cherenkov型的THz辐射源具有重要的理论指导意义。