可调谐太赫兹回旋管粒子模拟研究

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回旋管是重要的大功率太赫兹器件,其研究拥有十分重大的价值,在物理学、生物学、材料科学、雷达和受控热核聚变等领域有广阔的应用前景。目前的太赫兹回旋管振荡器一般工作在点频,其应用受到限制,本文针对大功率可调谐太赫兹辐射源缺乏的现状,结合目前正在进行的科研项目,在电子科技大学开发的CHPIC粒子模拟软件的基础上,开展了可调谐太赫兹回旋管的PIC粒子模拟研究。PIC粒子模拟主要处理大量带电粒子与电磁场之间的相互作用,采用时域有限差分法(FDTD)离散麦克斯韦方程组,采用有限大小粒子模型对进行描述,在离散网格中推进粒子运动,PIC粒子模拟技术考虑了电磁场对粒子的作用、粒子运动对电磁场的影响以及带电粒子之间的空间电荷效应,较为完善地描述了带电粒子与电磁场之间的复杂的非线性相互作用,是目前真空电子学器件最重要的研究手段。本文分析了PIC粒子模拟的原理和基本理论、电磁场算法和粒子与场互作用算法。为进行可调谐太赫兹回旋管的PIC粒子模拟,研究并实现了回旋电子注发射边界条件和并行算法,利用CHPIC仿真软件对300GHz大功率可调谐回旋管进行仿真设计,并对相关参数进行分析和优化,对注波互作用进行系统的模拟研究,结果表明工作电压为55kV、电流3A条件下,在12T~13T之间调节磁场,频率从303.774GHz变化到316.677GHz,频率可调谐范围为12.903GHz;在外加磁场为12T、电流3A条件下,电子束电压在50kV-59kV之间变化时,频率从303.434GHz变化到304.8GHz,频带宽度为1.366GHz。通过本文的研究,初步掌握了可调谐太赫兹回旋管的特性和设计方法,为研制可调谐太赫兹回旋管奠定基础。
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