不对称体模回旋管高效准光模式变换的理论及关键技术研究

回旋管是基于电子回旋脉塞(ECM)机理而发展起来的新型高功率毫米波、亚毫米波器件。毫米波辐射的高效传输问题是高频高功率回旋管面临的最重要挑战之一，其核心问题是实现高功率回旋管的高效准光输出，以提高整管的功率容量和输出效率。本项目针对不对称体模(AVM)工作的高功率回旋管，研究其高效准光输出问题，采取理论分析、科学设计与模拟仿真相结合的方法，进行Denisov型高效模式变换理论及关键技术问题的研究。采用几何光学模型结合耦合波理论分析Denisov型准光模式变换器的工作机理，再根据矢量绕射理论和高斯波束理论详细研究其模式变换过程，并确定其开口辐射器和反射镜面系统的设计理论及方法，最后运用反射镜优化算法编写准光输出的模拟仿真程序，进行初步实验验证。项目的研究成果在真空电子学领域具有重要的科学意义和学术价值，可以为研制和发展高频高功率回旋管器件，探索其高效准光输出提供理论参考和实验依据。

回旋振荡管是一种能在毫米波及亚毫米波段输出高功率电磁能量的快波器件，在受控热核聚变的等离子体加热、毫米波定向能武器、先进材料处理等领域有着广泛应用。准光模式变换器是高功率回旋振荡管中的关键部件之一，用于将回旋振荡管的高阶工作模式在紧凑的空间内变换为高斯基模，可实现回旋振荡管输出功率的直接应用或远距离传输，有利于回旋振荡管的工作稳定和整管功率及效率提高。国外各研究机构从基础理论、仿真计算、优化算法和工程实验等方面对准光模式变换器作了大量系统而深入的研究，但国内在该领域的研究工作相对滞后，且差距明显。本项目在继续研究回旋振荡管Vlasov型准光模式变换器的基础上，探索高阶模式回旋振荡管Denisov型准光模式变换理论及关键技术。采用几何光学射线法，分别建模分析阶梯形和螺旋形Vlasov辐射器，讨论了Vlasov型准光模式变换器中对称和不对称曲面反射镜的设计方法，采用修正的矢量绕射积分和物理光学法开发了Vlasov型准光模式变换器仿真计算软件GQOMC-V，利用其设计了W波段TE02模回旋振荡管中的准光模式变换器并初步加工测试；分析了高阶不对称体模回旋振荡管中Denisov型辐射器的普适设计方法，并采用余弦微扰结构导出了缓变截面波导中的模式耦合系数及其积分的解析表达式；根据耦合模理论和口径衍射理论编写了Denisov型准光模式变换器仿真计算程序GQOMC-D，并利用该程序设计了用于110GHz TE22,6模回旋振荡管的Denisov型准光模式变换器；研究了高效准光模式变换器中相位校正镜面系统的相位校正原理和镜面设计方法。项目对不同模式下准光模式变换器中的波导辐射器建模、不规则波导中的高阶模式耦合、聚焦镜面系统设计和相位校正技术进行了深入的理论分析、数值模拟、优化设计和仿真验证，上述研究成果将为高功率回旋振荡管的高效率准光输出的研究奠定一定的理论基础。项目开发回旋振荡管准光模式变换器仿真程序2项，在国内外期刊和学术会议上发表学术论文5篇，培养研究生3名。