填充等离子体的绕射辐射振荡器高频特性研究

吕文丽

(中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266100）

0 引言

高功率微波源是高功率微波技术中的核心部分，而相对论绕射辐射振荡器（RDG）是一种重要的高功率毫米波源器件，具有良好的发展前景，如何提高RDG的功率及效率已成为研究热点。在微波真空电子器件中注入浓度适当的等离子体可以导致管子性能大幅度提高，经历了从20世纪50年代开始的漫长探索过程，80年代后期终于在高功率返波管中获得实验证实[1-2]。由美国马里兰大学等离子体研究所进行的该项实验中，在注入等离子体前后小心地保持电子束参量不变，排除了由于克服空间电荷限制束电流密度提高而导致管子输出功率增加这种简单机制的作用。国内电子科技大学通过对非磁化等离子体填充相对论返波管的粒子模拟表明[3-4]：在一定的等离子体密度范围内，观察到电子注的良好传输，并得到高功率的电磁波输出。在背景等离子体密度的变化过程中，存在有一峰值功率点，本文研究表明反射器和漂移段的作用可提高这一峰值功率点。为提高器件输出功率，本文进行了具有反射器和漂移段的RDG研究，运用粒子模拟软件对其进行数值模拟仿真，具体分析了填充的等离子体密度、反射器和漂移段对输出功率的影响，实现了较高的器件输出功率与效率，为发展新型高功率毫米波振荡辐射源奠定了理论和仿真基础。

1 基本原理

1.1 基本理论

相对论绕射辐射振荡器是一种自激振荡产生微波的O型电子注器件[5]，其采用合适的慢波结构使器件中传播的微波满足以下两个条件：（1）微波相速略低于（近似相等）电子注速度，使电子产生切伦柯夫（Cherenkov）辐射：（2）微波的群速与相速相反，引发自激振荡。为了能够方便的输出电磁波考虑在器件的前端加一反射器，这样逆电子注方向的电磁波在电子注输入端通过反射器后将返波变成前向波，最后在输出端辐射出去，同时达到增强输出功率的目的[6]。

在真空电子领域，等离子体填充能有效改善相对论电子器件的辐射特性。研究表明等离子体填充的相对论返波管不仅功率提高了8倍、效率提高到40%，而且辐射信号的频率也随等离子体密度的增加而上移。等离子体填充的高功率微波器件相比于真空情况下具有更高的互作用效率，并提出了相关理论来解释此种现象。傅涛等曾对等离子体加载的自由电子激光进行了深入的理论和实验研究，发现了一个最佳的等离子体密度，能够使器件的输出功率和驻波互作用效率得到较大的提高[7-8]。

1.1 等离体子密度

通过对非磁化等离子体填充相对论返波管的粒子模拟表明[3]：在一定的等离子体密度范围内，观察到电子注的良好传输，并得到高功率的电磁波输出。在背景等离子体密度的变化过程中，存在有一峰值功率点，同实验中测到的结果完全吻合。通过对填充不同密度的背景离子的模拟发现，质量越大的，束流传输越好，输出功率越大。

等离子体填充的相对论返波管已经被研究，我们有理由相信RDG也有类似的效果。即在RDG中填充等离子体可以得到高功率输出。

2 粒子模拟

图1为PIC模拟结构图[9-10]，图中包含：（1）阴极；（2）反射器；（3）间隙；（4）慢波系统。其中间隙（3）对电子注起预调制的作用。高频结构的尺寸：周期为0.1 mm，膜片的厚度为0.06 mm，高度为0.07 mm，其中半圆弧的半径为0.03 mm，波导半径为1 mm，采用两段慢波结构，第一段慢波结构周期数为7，第二段慢波结构周期数为4，中间漂移段的长度为mm，磁场2.74 Tesla。

图1 PIC模拟结构图Fig.1 PIC simulation structure

电子注传输情况如图2所示，采用环形电子注，虽然电子注半径随着磁场的导引有变化，但是电子束厚度变化不大，仍是O型的线性环形电子束，有利于表面慢波的Cherenkov束波互作用。

图2 电子注传输图Fig.2 The transmission of the electron beam

由图3知，随着等离子体密度的增加，TM01模的输出功率增加，在等离子体密度为1.2×104m-3w处输出功率最大，随后迅速减小。模拟表明，填充等离子体后，RDG的输出功率达到5×1012w，与不填充等离子体器件的3.4×106w相比，输出功率大幅提升。模拟结果与理论结果一致。

图3 输出功率随等离子体密度变化关系图Fig.3 Output power of microwave vs plasma density

3 结论

在本文中，我们使用PIC方法研究了具有太赫兹结构与有反射器的相对论绕射辐射振荡器。粒子模拟表明，通过填充等离子体，我们不仅可以观察到电子束的良好传输。而且在背景等离子体密度变化过程中，有一个峰值功率点。反射器和漂移段的组合不仅可以提高该峰值功率点，还可以显著提高输出功率。该理论的结果与实验结果一致。本文的研究工作有助于提高等离子体填充装置的性能。

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