基于左手材料加载波导的高次谐波回旋返波管研究

Gyrotron Backward-Wave-Oscillator (Gyro-BWO) is a kind of Electron Cyclotron Maser, which frequency can be tuned continually. It is considered for wide potential applications. However, due to the strong operation magnet, it is hardly to achieve high frequency. So that, operation at high harmonic, which could reduce the required magnetic field strength, is an important development direction of the Gyro-BWO. The conventional Gyro-BWOs adopt interaction structure based on cylindrical waveguide, which mode spectrum is narrow and difficult to operate at high harmonic. To avoid this problem, we proposal a novel cylindrical waveguide which is loaded Left-Hand Materials (LHM). The LHM could change the characteristics of electromagnetic wave sufficiently. We plan to explore the LHM structure unit for Gyro-BWO by theoretical analysis, simulation and experiment. Then design the interaction structure which has wide mode spectrum. Based above investigation, we plan to build up beam-wave interaction theory for high harmonic Gyro-BWO with LHM loaded waveguide, and research the interaction mechanism between electron beam and high harmonic cyclotron wave in the structure. Then explore high coupled-efficiency field distribution, and design interaction structure for Gyro-BWO with experiment. The project result could provide novel technological approaches for high harmonic Electron Cyclotron Maser.

回旋返波管是一种频率连续可调谐的电子回旋受激辐射器件，具有较广阔的应用前景，但受制于工作所需的强磁场，其工作频率难以提高。因此采用高次谐波工作降低所需磁场强度是提高回旋返波管的重要发展方向。然而，传统回旋返波管采用的圆柱波导高频结构中模式密度大，难以实现高次谐波工作。本项目针对圆柱波导高频结构的问题，提出采用左手材料加载圆柱波导的新高频结构。左手材料对电磁波的传输特性有显著改变，通过理论分析、电磁仿真与实验，探索适用于回旋返波管的左手材料结构单元，设计具有高模式分割度的高频结构。并在此基础上建立左手材料加载高频系统的高次谐波回旋返波管注波互作用理论，结合三维粒子模拟分析高频系统中回旋电子注与高次回旋谐波互作用的物理过程，探索具有高耦合系数的模式场分布，设计适用于高次谐波回旋返波管的高频结构并开展实验研究。本项目的成果可以为研究高次谐波电子回旋受激辐射器件提供新的途径。

回旋返波管是一种频率连续可调谐的电子回旋受激辐射器件，具有较广阔的应用前景，但受制于工作所需的强磁场，其工作频率难以提高。因此采用高次谐波工作降低所需磁场强度是提高回旋返波管的重要发展方向。然而，传统回旋返波管采用的圆柱波导高频结构中模式密度大，难以实现高次谐波工作。本项目针对圆柱波导高频结构的问题，提出采用左手材料加载圆柱波导的新高频结构。本项目对左手材料加载圆柱波导的传输特性进行了研究分析，分析了不同加载方式对波导中传输模式的影响，以及可能出现的新型电磁模式。此基础上将电磁分析的结果结合回旋返波管的理论研究，通过采用数值场分布进行研究的新方法，分析了采用左手材料加载圆柱波导作为高次谐波回旋返波管的可行性，还分析了如果要实现高次谐波回旋返波管工作所需的电磁场分布。将两方面结合起来，探索了有望用于高次谐波回旋返波管工作的左手材料结构。在理论分析的基础上，对左手材料加载圆柱波导的传输特性进行了探索实验和对基于左手材料加载圆柱波导的二次谐波太赫兹回旋返波管进行了粒子模拟仿真。结果表明，利用左手材料对不同模式传输特性影响不同的特点，可以改善高次谐波回旋返波管中的模式竞争，有望实现高次谐波输出。