基于同轴结构静电场系统加载的小轨道电子回旋脉塞的高功率太赫兹电磁波辐射源

Terahertz (THz) electromagnetic waves occupy a very special position in the electromagnetic spectrums. It has very important academic value and widely potential application in many fields. Currently, research about terahertz science and technology has become one of the forefront areas within international high-tech research.Here a coaxial small-orbit relativistic electron cyclotron maser with external electrostatic voltage loaded is proposed to get some new knowledge of the high-power THz free electron radiation sources. The major points are as follows: The electromagnetic feature of smooth and corrugated coaxial structure electrostatic system; The influence of different structure and ripple parameters on electromagnetic field such as ripple depth,ripple period,lengh of ripple region and so on; It`s modulation on the motion of relativistic electron;The self-consistent nonlinear theory and simulation model of the coaxial waveguide cyclotron maser with electrostatic voltage loaded; Power amplification effect on small-orbit relativistic maser by electrostatic field and the optimization on electron beam and cavity parameters. It intends to explore a new type of kilowatt high-power terahertz electromagnetic radiation souce with advantages of larger transverse size; stronger beam-wave interaction; better monochromaticity; lower cost of the project and compacter structure.

太赫兹（Terahertz, 缩写THz）电磁波在电磁频谱中占有非常特殊的位置，在许多领域都有着重要的学术价值和广泛的应用前景，成为国际高科技研究最前沿的领域之一。本项目提出并研究一种同轴结构静电场系统加载的小轨道电子回旋脉塞，并用于太赫兹频段，研究内容包括：光滑边界同轴结构静电场系统和波纹壁边界同轴结构静电场系统的电磁特性，对比不同的结构和开槽参数，如波纹幅度、波纹周期、开槽区长度等对电磁特性的影响，以及对相对论性电子运动调制；加载静电压的同轴波导电子回旋脉塞的自洽非线性理论模型，数值模拟方法；静电场对小轨道相对论电子束微波激射器功率放大效应，电子束参数、腔体参数的影响及优化；本项目的研究可望获得高功率太赫兹自由电子辐射源的新知识，探索出一种具有结构横向电尺寸大、束-波互作用强、单色性好、工程成本低、结构紧凑等优点的新型千瓦级高功率太赫兹电磁波辐射源。

本项目研究了一种同轴结构静电场系统加载的小轨道电子回旋脉塞，主要研究了该结构的电磁特性以及结构参数对电磁特性的影响，进而通过跟踪相对论电子在静电场系统中的运动轨迹，发现该系统可以用于调制相对论性电子，充当静电摇摆器，取代传统的静磁摇摆器；建立了同轴结构静电场系统电子束-电磁波耦合互作用的基本模型，首先推导了同轴波导中TE模式的场表达式，然后在考虑了外加静电压的前提下得出了相对论性电子的运动方程，进而推导得到表征束波能量交换的耦合方程，建立了加载静电压的同轴波导回旋脉塞的自洽非线性理论，对电子束-电磁波相互作用的过程进行了理论分析，并用FORTRAN语言编制了相应的程序。