高次谐波太赫兹回旋管研究

随着太赫兹科学技术的迅速发展，太赫兹辐射源已成为制约太赫兹科学技术发展的瓶颈，特别是大功率高效率太赫兹辐射源。真空电子学太赫兹辐射源特别是太赫兹回旋管作为目前1.3THz以下千瓦级以上输出功率的辐射源器件受到了各国的广泛重视，并得到了快速的发展。对于太赫兹回旋管其关键技术难题就是降低工作磁场，如1THz回旋管对应一次谐波工作磁场约40Tesla。如果采用s次谐波，则只需要（40/s）Tesla的工作磁场，然而采用高次谐波则会带来严重的模式竞争。因此研究高次谐波太赫兹回旋管中的模式竞争就成为研制太赫兹回旋管的核心技术问题。本项目针对上述问题将对高次谐波（s≥3）太赫兹回旋管核心技术进行详细研究，采用将三维电磁仿真软件与传统回旋管非线性理论相结合的新方法，研究能够有效抑制模式竞争的特殊高频谐振系统和其对应所需的电子光学系统，探索研究适合于高次谐波太赫兹回旋管工作的技术途径。

课题组按照项目研究计划要求圆满完成项目研究任务，围绕高次谐波太赫兹回旋管关键技术开展了理论和前期实验研究，具体包括：. 对高次谐波太赫兹回旋管起振电流、工作磁场、引导中心半径、工作电压、工作电流等关键参数进行研究，分析大回旋三次谐波太赫兹回旋管的单一模式工作。采用粒子模拟软件分析研究阴极区的几何结构，发射带半径，发射电流密度，会切磁场的大小以及位置等对电子枪的性能的影响，设计出符合要求的大回旋电子枪。. 对近轴小回旋电子注情况下的模式竞争进行研究，分析不同引导中心半径情况下的高谐波工作模式，同时对用于产生近轴小回旋电子注的高磁压缩比磁控注入式电子光学系统进行了研究。研究结果表明采用近轴小回旋电子注来抑制模式竞争是可以实现三次谐波太赫兹回旋管的单模振荡。. 对一种特殊横截面谐振腔即波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管进行研究，分析了波瓣波导谐振腔模式分布规律，选取最佳高阶模式以克服模式竞争。研究了波瓣谐振腔三次谐波太赫兹回旋管，获得该回旋管的起振电流、耦合系数以及注-波互作用效率等重要参数。在此基础上发展了任意横截面波导谐振腔太赫兹回旋管非线性理论。采用外部场导入方式编写了任意横截面波导谐振腔太赫兹回旋管非线性计算程序，该程序模块解决了特殊横截面波导谐振腔回旋管的优化设计问题。. 选择近轴小回旋电子注激励三次谐波太赫兹回旋管作为最优方案开展重点研究。通过选用更小半径阴极来获得近轴小回旋电子注，为此课题组对场致发射冷阴极电子枪进行细致研究，因为冷阴极电子枪中阴极半径可以做到毫米量级以下。围绕这一方向开展相关冷阴极场致发射特性及电子光学的理论和实验研究，成功研制出国内外首只纳米冷阴极磁控注入式电子枪，并获得电子枪的束斑。. 发表期刊论文17篇（含录用1篇），SCI检索期刊11篇，EI检索期刊12篇，会议论文8篇，申请发明专利2项，培养硕士研究生3名。