太赫兹准光回旋行波放大器关键技术研究

Terahertz technology development is hampered from lack of high power terahertz radiation source.Gyrotron traveling wave (gyro-TWT) amplifiers based on the electron cyclotron maser instability feature high power and broad bandwidth. These advantages satisfied the potential applications in terahertz radar,terahertz communication and other millitary and civil fields. Gyro-TWT amplifiers usualluy operate with high order mode to increase the power capacity in the terahertz band, this inevitably lead to mode competition, resulting in instability. Therefore investigating a new type of interaction circuit to solve mode competition problem has important significance to gyro-TWT amplifier stability. This project focus on the theory and the key technologies for 0.22THz quasioptical gyro-TWT amplifiers with confocal waveguide structure. Quasioptical open confocal structures have been investigated, the method to suppress the parasitic modes has been analyzed, the linear and nonlinear theory model of quasioptical gyro-TWT amplifiers have been established, the calculation code has been developed to study the theoretical analysis and numerical simulation of beam-wave interaction by combining three dimensional particle simulation. At last a 0.22THz quasioptical gyro-TWT amplifier concept design has been completed.

大功率太赫兹辐射源的缺乏严重制约太赫兹技术的发展。回旋行波放大器是基于电子回旋脉塞机制工作的太赫兹源,具有高功率、宽频带的优点，在太赫兹雷达、太赫兹通信等方面具有潜在的应用。回旋行波放大器在太赫兹波段采用高次模式来增加功率容量，不可避免的引起模式竞争，影响工作稳定性。因此寻求一种新型的互作用电路，解决模式竞争问题，使回旋行波放大器稳定工作具有重要的意义。本项目选用共焦波导结构作为互作用电路，对0.22THz准光回旋行波放大器的关键技术进行研究，研究共焦波导高频系统特性，分析抑制竞争模式的方法，建立太赫兹准光回旋行波放大器的线性和非线性理论模型，编制计算软件，并结合三维粒子仿真软件,进行准光回旋行波放大器注-波互作用的理论分析和数值模拟，完成0.22THz准光回旋行波放大器整管概念设计。

回旋行波放大器以其高功率、宽频带等优点成为具有发展潜力的太赫兹高功率相干辐射源，在雷达成像、反隐身目标探测等方面具有重要的应用前景。但回旋行波放大器在向高频率发展过程中，由于其模式竞争带来的稳定性越来越差，为此提出一种新型高频结构-共焦波导结构。本项目选用共焦波导结构作为互作用电路，开展了高功率太赫兹准光回旋行波放大器的理论和关键技术研究。对共焦波导高频系统的电磁特性进行了详细的分析，研究了其模式选择的特性及损耗特性；建立了太赫兹准光回旋行波放大器的线性和非线性理论模型，开发出准光回旋行波放大器线性和非线性模拟软件，对共焦波导回旋行波放大器的注-波互作用进行了理论分析；对用于共焦波导回旋行波放大器的磁控式注入电子光学系统进行了研究，设计出一支低速度零散层流性好的磁控式注入电子枪；研究了共焦波导回旋行波放大器输入\输出耦合系统。输入耦合系统的设计结果表明，能够将矩形波导TE10模转换为共焦波导TE06模，输出准光系统的设计表明，该准光模式变换器能够将共焦波导模式转换为能量集中的高斯波束。该研究成果，使得太赫兹准光回旋行波管放大器关键和核心的瓶颈技术得以突破,为我国高功率宽频带回旋行波放大器的研制奠定理论和技术基础。