亚太赫兹波折叠波导扩展互作用振荡器研究

对于亚太赫兹波段扩展互作用振荡器(EIO),本文采用折叠波导作为慢波谐振系统,研究了周期数对高频特性的影响,计算了特征阻抗、起振电流随周期数的变化规律,为有效降低起振电流提供了途径.在此基础上,采用PIC进行模拟研究,探讨了EIO在弱电流连续波和强电流脉冲工作方式下的注波互作用和输出特性,深入分析了EIO的周期数调谐、电压调谐的特性.在连续波工作时,EIO的输出功率约2.5 W;在脉冲工作方式下,通过电压调谐,EIO的输出功率约26-50 W,激发频率约105.26-105.31 GHz.采用慢走丝加工方法,探讨了高频系统的两种加工方式,测试了慢波系统的谐振特性、输出窗的传输特性,并与模拟结果进行了对比分析,验证了该加工方法在该频段的可行性和实用性,为实用型整管研究提高了重要依据.     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构,从Maxwell方程组和Floquet定理出发,导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM0n模式的色散曲线,数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响,运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度,可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率; 调节内导体半径的大小,几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm,槽深取2 mm,槽宽取3.6 mm,漂移长度取7.5 mm的结构,在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下,器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便,具有广阔的应用前景。     

X波段内同轴膜片加载相对论返波振荡器的特性研究

 把同轴膜片作为相对论返波振荡器的慢波结构,从Maxwell方程组和Floquet定理出发,导出了电磁波在同轴膜片加载相对论返波振荡器中的色散关系。通过编程计算得出TM_0n模式的色散曲线,数值分析了周期长度和导体半径对器件工作频率的影响,运用PIC程序模拟了返波振荡器中注波互作用过程。讨论了纵向聚焦磁场、电子注到慢波结构的距离、槽深和槽宽对输出功率和效率的影响。研究表明：增加器件的周期长度,可以减小器件的截止频率和同一模式下的工作频率; 调节内导体半径的大小,几乎不影响器件的工作频率。周期长度取11 mm,槽深取2 mm,槽宽取3.6 mm,漂移长度取7.5 mm的结构,在520 kV电压、8 kA电流和0.7 T的轴向聚焦磁场条件下,器件能输出2.8 GW的峰值功率,功率效率约33.2%。该慢波结构加工方便,具有广阔的应用前景。     

Dispersion relations of lattice waves in three-dimensional strongly coupled complex plasma crystals

Dispersion relation matrices, with the screened Coulomb interaction between a charged dust particle and all other particles taken into account, are derived for waves in body centred cubic (bcc) and face centred cubic (fcc) lattices in three-dimensional strongly coupled complex plasma crystals separately. The matrices are then calculated in characteristic directions to obtain the longitudinal and transverse eigenmodes. The longitudinal and transverse waves for these cases are discussed separately.     

Love waves in layered flexoelectric structures

Abstract

In this paper, the flexoelectric effect on Love waves propagating in a structure with a nanoscale piezoelectric guiding layer deposited on an isotropic elastic substrate is analytically investigated. Transcendental complex dispersion equations are obtained and solved numerically which are corresponding to the electrically open and short conditions at the free surface. A detailed discussion about the dispersion relations of the fundamental mode is subsequently presented. The results indicate that flexoelectricity has a substantial effect on Love wave propagation. The presence of flexoelectricity leads to a complex phase velocity with a negative/positive imaginary part, which means Love waves attenuate/grow over time. In addition, the phase velocity dispersion relations depend greatly on the thickness and flexoelectric coefficients of the guiding layer. The current work is the first attempt to explore the flexoelectric effect on the propagation characteristics of surface acoustic waves (SAWs). And the results would be beneficial to achieve a better performance of SAW devices.     

耦合腔高频特性的单腔模型研究与应用

在耦合腔结构的高频特性模拟中,基于准周期边界条件法建立的双腔模型,由于两端电场的边界条件完全相同,导致了伪解的出现。本文建立了单腔仿真模型,消除了伪解存在的边界条件,避免伪解的出现。在保证求解精度的基础上,网格数目减少了 62%,总计算时间缩小了 56%,一次性生成色散曲线和耦合阻抗曲线,提高了色散和耦合阻抗的数据处理效率,为高频结构参数优化提供了更有效的途径。采用单腔仿真模型,模拟分析了各结构尺寸对高频特性的影响。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波,从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明,在400 keV,8.9 kA的束流条件下,轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出,功率效率为14%,频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

等离子体部分填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性

 对有限厚环形等离子体层填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性进行了分析。研究结果表明，对于ω＞ω_p的高频TM_0n模，模式色散曲线随等离子体密度的增加而上移；ω≤ω_p的低频等离子体模为一系列呈周期变化的密度谱，部分模式能与电子注发生较强的同步互作用。等离子体模的时间增长率随等离子体密度的增加快速增加，而TM_0n模则快速减小或缓慢增加，因此在较高的等离子体密度下，高频模式可能被抑制。     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明：慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm 范围内、工作频率在300~420 GHz 范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明:慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm范围内、工作频率在300~420 GHz范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。     

轴向提取矩形波导TE10模虚阴极振荡器

 轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器可以不需要模式转换器或弯曲过渡波导而直接通过天线轴向辐射微波，从而使微波源及其辐射系统更加紧凑。粒子模拟结果表明，在400 keV，8.9 kA的束流条件下，轴向提取矩形波导TE₁₀模虚阴极振荡器在2.12 GHz处可以获得功率为500 MW的高功率微波输出，功率效率为14%，频率、模式纯净。这些结果为相同波段同类装置的小型化提供了一条可能的技术途径。     

Magnetoacoustic waves with effect of arbitrary degree of temperature and spin degeneracy in electron-positron-ion plasmas

The linear properties of magnetosonic waves are studied in nearly degenerate and nearly non-degenerate quantum plasmas composed of electrons, positrons and ions in the presence of spin- effect. Using the fluid equations, a generalized dispersion relation for perpendicular and oblique propagation is derived. It is found that degree of temperature and spin degeneracy modify the dispersive properties of the given modes. The results of analysis are beneficial for understanding the collective phenomena in dense quantum astrophysical plasmas.     

Linear theory of a dielectric-loaded rectangular Cerenkov maser with a sheet electron beam

A three-dimensional model of a dielectric-loaded rectangular Cerenkov maser with a sheet electron beam for the beam-wave interaction is proposed.Based on this model,the hybrid-mode dispersion equation is derived with the Borgnis potential function by using the field-matching method.Its approximate solution is obtained under the assumption of a dilute electron beam.By using the Ansoft high frequency structural simulator(HFSS) code,the electromagnetic field distribution in the interaction structure is given.Through numerical calculations,the effects of beam thickness,beam and dielectric-layer gap distance,beam voltage,and current density on the resonant growth rate are analysed in detail.     

W波段带状注扩展互作用振荡器的粒子模拟

设计了一种工作在W波段的振荡器。采用宽高比值为2的薄矩形电子注降低空间电荷效应,周期耦合腔慢波线作为高频结构以增加功率容量,阶梯渐变矩形波导作为输出结构,使输出结构与高频结构匹配连接减少反射。利用三维PIC粒子模拟程序进行数值模拟,分析慢波结构的周期数及周期长度对输出功率、频率及效率的影响。结果表明：当阴极电压为13.0~16.1 kV时,谐振腔能正常工作;谐振腔周期数为9,阴极电压为15.7 kV时输出功率和转换效率最大,输出峰值功率大于1.9 kW,平均功率为980 W,频率为91.6 GHz,转换效率达25%,输出频率随谐振腔周期长度的减小而增大。     

波瓣波导谐振腔太赫兹回旋管的研究

以电子回旋脉塞非线性理论为基础, 结合三维电磁仿真软件, 通过导入高频场数值解替代理论解析的方法, 对波瓣波导谐振腔高次谐波太赫兹回旋管进行了理论和模拟研究. 给出了该类回旋管的起振电流、耦合系数以及注波互作用效率等重要参数, 并在此基础上设计了一只工作频率为0.4 THz, 工作模式TE₃₃模三次谐波波瓣波导谐振腔回旋管, 其电子注参数为1.0 A, 40.5 kV, 横纵速度比1.5,互作用区引导磁场为5.09 T, 输出功率达到3.3 kW.     

一种矩形截面切伦柯夫脉塞金属周期慢波结构的分析方法

分析了矩形截面切伦柯夫脉塞周期金属慢波结构的色散特性,以及结构参数的变化对色散曲线的影响。为避免慢波结构两端突变引起的反射振荡,采用等效电路法分析了用于连接光滑波导和慢波结构的渐变段。将线性形、两段形和指数形的渐变段进行了比较。指数形渐变段末端的功率反射系数最小, 并且整体的变化最平缓, 因此可将其作为实现慢波与快波间转换的较优选择。分析了频率和实际加工误差对指数形渐变段功率反射系数的影响:在频率较小时,功率反射系数也较小;固定频率下,较小的加工误差能使交界处功率反射系数的变化较平缓。在此基础上设计了一个功率反射系数小于0.01的指数渐变段,实现了工作模式和快波模式之间的良好匹配。与耦合模理论分析方法相比,等效电路方法更为简洁,二者结果相符合。     

双离子成份等离子体的离子声色散关系

 以离子温度与电子温度之比为参数,将等离子体介电函数作展开,由此解析地求解了双离子成分等离子体的离子声快、慢波模的色散关系。与现有的其它解析理论相比较,所得到的解析公式更加准确。     

Interaction of Love waves with coupled cavity modes in a 2D holey phononic crystal

The interaction of Love waves with square array of pillars deposited on a cavity defined in a 2D holey phononic crystal is numerically investigated using Finite Element Method. First, the existence of SH surface modes is demonstrated separately for phononic crystals that consist of square arrayed holes, or rectangular arrayed Ni pillars, respectively in, or on, a SiO₂ film deposited on a ST-cut quartz substrate. The coupling between SH modes and torsional mode in pillars induces a transmission dip that occurs at a frequency located in the range of the band-gap of the holey phononic crystal. Second, a cavity is constructed by removing lines of holes in the holey phononic crystal and results in a transmission peak that matches the dip. The optimal geometrical parameters enable us to create a coupling of the cavity mode and the localized pillar mode by introducing lines of pillars into the cavity, which significantly improved the efficiency of the cavity without increasing the crystal size. The obtained results will pave the way to implement advanced designs of high-performance electroacoustic sensors based on coupling modes in phononic crystals.     

量子等离子体中波的色散关系以及朗道阻尼

利用动理学理论研究量子等离子体中波的色散关系和电子朗道阻尼.从电子的量子流体动力学方程和动理学描述下的光子运动方程出发,研究量子效应对光子朗道阻尼的修正.研究发现量子效应只对纵波模式,即电子等离子体波的色散关系有修正,对横向电磁波的色散关系没有影响.量子效应减小了朗道阻尼,起着朗道增长的作用. 关键词： 量子等离子体 朗道阻尼 电子等离子体波 色散关系     

Longitudinal plasma waves in the presence of monopoles of electron mass and electron charge

Dispersion relation for plasma waves in the presence of magnetic monopoles of electron mass and electron charge, is derived. It is shown that magnetic monopole charges, in general, dominate the dispersion. When monopoles form a fraction of the main body of plasma, there are two dominant oscillations. It is suggested that there can be electromagnetic emissions at these frequencies by nonlinear conversions. Possible application to the pulsar neighbourhood is envisaged.