基于可控等离子体阴极电子发射的扩展互作用器件研究

The rapid development of the millimeter wave and terahertz science and technology demands a kinds of compact and high power coherent radiation sources. It was extremely difficult for the traditional vacuum electronic device to achieve high power above 100 GHz in a compact size. This project studies for the first time a extended interaction device based on controlable plasma cathode electron emission which combines the merit of the high-current-density of the plasma cathode and the forgiveness of the extended interacton device to the electron beam. The PIC/MCC (Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision) methode will be used to study electron emission process in the plasma cathode. Through analysis and optimize, the basic principle and control techniques can be used to the extended interaction devices. The beam transmission and interaction with the extended interaction slow wave resonant system will aslo be carried out including the experiments. Research results and the key technologies of this project are the theoretical and experimental basis to develop a new kinds of compact and high power coherent radiation sources at millimeter wave and terahertz band. This research is also a new direction of the combination of vacuum electronics and plasma electronics.

毫米波和太赫兹科学技术的飞速发展对紧凑型高功率相干辐射源的需求与日俱增，通常的真空电子器件在高于100GHz频率下要同时实现小型化和高功率的特点将变得极为困难。本项目首次提出结合等离子体阴极产生电子束的高电流密度特点和扩展互作用器件对电子束稳定传输长度要求较低的特点，发展一种基于可控等离子体阴极电子发射的紧凑型高功率扩展互作用器件。通过采用粒子云网格模拟/蒙特卡洛碰撞方法对等离子体阴极中电子发射的详细物理过程进行分析和数值计算，掌握其基本规律和控制技术，同时将其应用于扩展互作用器件中，研究电子束传输和电子与具有等离子体背景的扩展互作用慢波谐振系统的互作用过程，在此基础上开展基于可控等离子体阴极电子发射的扩展互作用器件的验证性实验研究。本项目的研究成果及解决的关键技术将为实现一种新型的便携式毫米波和太赫兹辐射源奠定理论与实验基础，同时也是真空电子学同等离子体电子学相结合的一个新方向。

为满足毫米波和太赫兹科学技术对高功率小型化辐射源的需求，本项目完成了等离子体阴极电子发射机理与控制技术的理论研究和等离子体阴极中等离子体形成与输运的数值模拟工作，建立了全电磁的三维PIC/MCC仿真模型，掌握了在低气压条件下，不同气体产生的等离子阴极中粒子输运过程和电子发射的物理机理，通过优化得到了控制等离子体阴极电子发射的关键参数；研究了等离子体背景条件下扩展互作用慢波谐振结构和束波互作用效率和稳定性等的影响，分析了多间隙扩展互作用慢波谐振结构中基模和横向高次模，通过计算、仿真与设计得出了电子传输、功率容量和输出等特性，完成了原型器件的加工和测试。提出了利用具有一定分布的电子束与新型扩展互作用电路相结合提升毫米波器件的功率水平的新结构。发明了大尺寸基模工作扩展互作用电路，在此基础上提出了一种利用多电子注实现提升毫米波扩展互作用器件功率的新方法，并开展了将其应用于大功率的研究。开展了利用微扰法的毫米波测量技术研究，可在W波段以下完成场分布的详细测量，为毫米波器件的研究增加了测试手段。开展了扩展互作用慢波谐振结构工作在太赫兹频率的研究工作，通过工作在高次模的电路设计，拓展了扩展互作用器件的工作频率区间。通过将扩展互作用的机理应用于毫米波磁控管，首次提出了利用外腔模式增加毫米波磁控管的模式分隔度和改善输出的方法，为发展毫米波磁控管提供了新途径。本项目的研究有望为发展新型紧凑型高功率毫米波和太赫兹辐射源提供新途径，同时本研究还可以拓展到其他方面如：将具有等离子体背景中的电子束应用到其它慢波结构中，如返波管、速调管和其它的诸如金属光栅等慢波电路等发展相应的辐射源；作为真空电子器件在制管前的简易热测实验，相应的实验结果可以作为真空电子器件慢波电路能否有效工作的初步判据；为开展具有等离子体产生的电子束的其它应用奠定理论与实验基础，如高功率微波产生、粒子束应用和等离子体医疗等领域。