连续调谐的二次谐波太赫兹回旋振荡管稳定性研究

Terahertz wave can be applied to the fields of fusion plasma heating and diagnose, exploring matter structures, health services, security inspection, advanced radar etc. However the technologies of teratz radiation source and detection have not been well solved. A continuously tunable second harmonic THz gyrotron is the most promising source of terahertz wave. The fierce mode competition is a bottleneck of the development of the gyrotron with the performance high frequency, high power, and high stability. This projection is to study the stability of a THz gyrotron with continuously tunable second harmonic and develop the simulation software and experiment which depend on the research of the steady and transient self-constent-state theories besed on the multi-mode coupling and the interaction between the mulit-mode and electron beam with different frequency, which respresents the real process of the gyrotron. The projection is to study the stability of the tunable gyrotron by researching the relationship between the new RF structure and the mode competition, the principle of the mode competition in the process of beam-wave interaction and the electron gun with adjustable parameters.

核聚变等离子体诊断与加热、物质结构探索、医疗、安检、雷达等高新技术领域均需要不同频段的高功率太赫兹波，完整覆盖太赫兹频段的高功率太赫兹辐射源及太赫兹波探测技术仍未得到很好解决。连续调谐的高次谐波回旋振荡管是最有前途的高功率太赫兹辐射源。激烈的模式竞争是制约高频率、高功率、高稳定性回旋振荡管发展的瓶颈。本项目将通过建立实用型多模耦合及多模多频与电子注互作用的稳态和瞬态自洽的回旋管非线性理论，开发相关仿真软件，通过研究新型高频结构与模式竞争的关系、注波互作用过程中的模式竞争机理、连续调谐过程中的模式自选择机理、参数可调的电子光学系统等开展可连续调谐的二次次谐波太赫兹回旋管稳定性研究。

太赫兹波许多独特的品质和优异的特性使其在等离子体诊断、深空科学观测、DNA检测等领域拥有着广阔的应用前景。尽管人们对太赫兹辐射的研究和认知已经有了很大的进展，但有关太赫兹辐射源及探测技术仍未得到很好的解决，连续调谐的高次谐波太赫兹回旋振荡管可以实现一管多频，在低磁场条件下得到低成本高功率太赫兹波，是太赫兹辐射源发展的新方向。为提高功率容量，太赫兹回旋振荡管一般选用高阶模工作，而高次谐波太赫兹回旋振荡管的注波互作用是一个十分复杂的非线性物理过程。连续调谐的高次谐波太赫兹回旋振荡管研究中不但要解决太赫兹回旋振荡管单频点稳定工作面临的模式竞争等问题，还要深入研究调谐过程中不同频点处、变化着的工作模式能稳定工作的自选择机理；低频回旋振荡管的腔壁损耗可以忽略，然而在太赫兹频段，腔壁损耗却与模式竞争关系密切；现有的回旋管理论与技术需要在可调谐高次谐波太赫兹回旋管研究中不断地发展与完善。影响太赫兹回旋振荡管稳定性的因素很多，连续调谐的高次谐波太赫兹回旋振荡管的关联因素更多；需要以相关理论为基础，深入研究各种因素参与回旋振荡管工作过程的方式与条件，进而掌握和利用回旋振荡管的非线性互作用规律，使连续调谐的高次谐波太赫兹回旋管成为可靠、实用、覆盖太赫兹频段的高功率太赫兹波源。结合制管流程，本项目开展了一下方面的研究工作：建立物理概念清晰、实用的多频、多模耦合及多频、多模与电子注稳态和瞬态互作用的实用型物理模型及自洽的非线性理论，为开展可调谐二次谐波太赫兹回旋管稳定性研究提供理论依据；研究了高次谐波太赫兹回旋管实现超宽带范围内可连续调谐时的模式自选择过程；探索了不同模式在不同频点工作时高质量电子光学系统的优化设计及工程可实现问题；探索了调频过程中的磁场同步问题；优化设计出了一支在384-468GHz间12个频点调频的高功率二次谐波太赫兹回旋振荡管。