太赫茲輻射在眾多前沿領域具有廣闊的應用前景。在太赫茲科學技術的發(fā)展中,太赫茲源的研究一直是核心內(nèi)容。然而,根據(jù)國內(nèi)外太赫茲源的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn),目前仍然缺乏有效、便捷的方法實現(xiàn)高功率太赫茲輻射,從而導致相關技術應用受到了很大限制。因此,探索具有新物理結構、新工作機制的高功率太赫茲源是當前太赫茲科技發(fā)展的迫切需求。電子束-等離子體系統(tǒng)是一種新型的太赫茲源,具有高功率、高效率、小型化、成本低的獨特優(yōu)勢。本文針對電子束-等離子體系統(tǒng)激發(fā)太赫茲輻射的機制問題,從理論、模擬與實驗三個方面入手,開展了一系列研究:在理論方面,主要采用線性理論研究了電子束、等離子體與波三者互作用激發(fā)的電磁不穩(wěn)定性的機制,通過高斯定律、安培定律與能量守恒方程得到了電子束-等離子體系統(tǒng)的虛陰極形成條件;在模擬方面,采用Particle-in-cell(PIC)方法研究了電子束-等離子體系統(tǒng)通過非線性相互作用激發(fā)太赫茲輻射的過程;在實驗方面,設計、建造了緊湊型的束-等離子體系統(tǒng)實驗裝置,在此基礎之上驗證了系統(tǒng)激發(fā)電磁不穩(wěn)定性的機制,為理論提供了實驗支撐。論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點有:1、根據(jù)PIC模擬得到的等離子體分布結果,建立了非均勻電子束-離子通道系統(tǒng)的理論模型。采用線性理論推導了系統(tǒng)電磁不穩(wěn)定性的色散關系,并分析了系統(tǒng)中各個模式之間的相互作用以及系統(tǒng)激發(fā)太赫茲輻射物理機制。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在兩種不穩(wěn)定性:第一種出現(xiàn)在系統(tǒng)中心附近,是由快空間電荷波與前向電磁波耦合導致的電磁不穩(wěn)定性;第二種出現(xiàn)在半徑較大的區(qū)域,是由慢空間電荷波與電子束模耦合導致的束流不穩(wěn)定性。在此基礎之上,本論文針對電子束-離子通道系統(tǒng)的電磁輻射機制,提出了一種新的物理解釋:電子束邊界附近的電子首先通過束流不穩(wěn)定性獲得縱向振蕩能量,當這些電子隨著自聚焦運動到達中心區(qū)域時,會通過電磁不穩(wěn)定性交出能量,從而激發(fā)電磁輻射。進一步的研究發(fā)現(xiàn),在電子束-離子通道系統(tǒng)中,隨著等離子體密度的提高,系統(tǒng)激發(fā)電磁不穩(wěn)定性的頻率與帶寬都會提高,當?shù)入x子體密度達到1×10~(22)/m~3時,輻射頻率將接近1THz以上,這一結果也得到了PIC模擬的支持。2、通過PIC模擬發(fā)現(xiàn)電子束-等離子體系統(tǒng)中存在一種新的太赫茲輻射機制。這種機制的產(chǎn)生必須滿足以下條件:(1)電子束密度遠低于等離子體密度;(2)電子束橫向尺寸小于等離子體波長;(3)電子束脈寬遠大于等離子體振蕩周期。在此條件下,電子束將在等離子體中驅動等離子體尾場,而等離子體尾場又會反作用于電子束,最終將長脈寬的電子束調(diào)整成一列以等離子體波長為周期的短脈寬的束團,這一過程稱為“自調(diào)制”。研究發(fā)現(xiàn),當電子束發(fā)展到自調(diào)制非線性階段時,可以驅動基頻位于等離子體頻率附近且?guī)в幸幌盗懈叽沃C波的高頻電磁輻射。在目前電子束密度為1×10~(18)/m~3,等離子體密度為1×10~(22)/m~3的參數(shù)條件下,系統(tǒng)的輻射頻率已經(jīng)達到太赫茲波段,功率密度可以達到1GW/m~2以上。理論分析表明,系統(tǒng)的太赫茲輻射機制本質(zhì)上是等離子體尾場中的振蕩電子對高頻電子束模的共振散射。3、提出一種基于自調(diào)制電子束的太赫茲切倫科夫輻射源方案。該方案是將電子束與等離子體同時注入到一個介質(zhì)加載慢波結構中,使電子束通過自調(diào)制進而與系統(tǒng)特定頻率的高階本征模相互作用。PIC模擬結果表明,自調(diào)制電子束能夠有選擇地激發(fā)慢波結構中特定的高階本征模,而頻率低于等離子體頻率的低階本征模無法存在于等離子體中,因此會被抑制。研究還發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)中模式的增長情況與色散關系得到的結果符合得很好。這種太赫茲源能夠很好地工作在高次諧波,功率容量大,且不需要外加強磁場。在目前的模擬參數(shù)下,估算得到輻射的峰值功率可達7.9MW,能量轉換效率可達8.3%。4、開展了基于電子束-等離子體系統(tǒng)的虛陰極機制研究。建立了離子聚焦機制下的虛陰極閾值方程,并通過求解該方程得到了虛陰極形成的參數(shù)區(qū)域。如果系統(tǒng)的初始參數(shù)位于該區(qū)域中,則虛陰極將會形成。本研究在虛陰極參數(shù)區(qū)域內(nèi)、外以及接近閾值的位置選取了大量的采樣點,通過PIC模擬驗證發(fā)現(xiàn),理論結果與模擬結果高度吻合。這一系列的模擬中沒有出現(xiàn)虛陰極激發(fā)電磁輻射的情況,這是因為目前的模擬中沒有考慮實際的電子束陰極,所以虛陰極的反射電流不會進一步形成振蕩電流,從而激發(fā)輻射。然而,本研究在電子束密度低于等離子體密度情況下,發(fā)現(xiàn)了一種虛陰極自發(fā)振蕩輻射的機制。此時的離子通道會形成一個前后閉合的空腔結構,虛陰極的部分發(fā)射電流和反射電流會束縛在離子通道內(nèi)形成振蕩電流,從而激發(fā)寬頻的輻射。在目前的參數(shù)條件下,輻射頻譜已經(jīng)覆蓋到了THz波段。5、提出了一種利用高壓脈沖電源驅動等離子體中的電子與離子反向運動,從而形成高密度電子束-離子通道系統(tǒng)的實驗方案。根據(jù)此方案,設計并建立了一套“束-等離子體系統(tǒng)(PBS)”實驗裝置。在PBS裝置上開展了電子束-離子通道系統(tǒng)輻射機制的驗證實驗。實驗采用的等離子體密度為10~(17)/m~3~10~(18)/m~3,脈沖電壓為20kV,脈寬為20μs。研究發(fā)現(xiàn),當示波器檢測到電壓脈沖上升沿的信號時,系統(tǒng)的輻射頻譜中出現(xiàn)了在等離子體的頻率范圍內(nèi)的高頻信號,頻譜的峰值出現(xiàn)在8GHz左右。通過對比實驗可以發(fā)現(xiàn),這個高頻信號既不是等離子體的噪聲,也不是電壓脈沖在真空室內(nèi)激發(fā)的本征模,因此只有可能電壓脈沖與等離子體相互作用產(chǎn)生的。由于實驗測到的輻射頻率與理論輻射頻率基本一致,本文提出的理論得到了實驗結果的支持。從理論上講,只要進一步提高等離子體密度,就可以獲得更高頻甚至達到THz波段的輻射。通過本研究的開展,電子束-等離子體系統(tǒng)在不同參數(shù)條件下的多種太赫茲輻射機制被揭示出來。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的機制有:電子束-離子通道系統(tǒng)中的模式耦合機制、自調(diào)制電子束與等離子體尾場互作用的共振輻射機制以及虛陰極機制。本研究也為高功率太赫茲源的研發(fā)提供了新的思路和理論基礎。
【學位單位】：四川大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O536
【文章目錄】：摘要
abstract
第一章 緒論
1.1 太赫茲輻射
1.1.1 太赫茲輻射的特點及應用
1.1.2 太赫茲源簡介
1.2 基于電子束-等離子體系統(tǒng)的新型THz源
1.2.1 等離子體
1.2.2 基于電子束-等離子體系統(tǒng)的新型THz源
1.2.3 早期發(fā)展
1.2.4 研究現(xiàn)狀
1.3 論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點
1.4 論文的結構安排
第二章 電子束-離子通道系統(tǒng)激發(fā)太赫茲輻射的機制研究
2.1 引言
2.2 非均勻束-離子通道系統(tǒng)激發(fā)太赫茲輻射的線性理論
2.2.1 物理模型
2.2.2 色散關系
2.2.3 色散關系的解以及太赫茲輻射的物理機制
2.3 與均勻系統(tǒng)理論結果的對比
2.4 與粒子模擬結果的對比
2.5 小結
第三章 電子束與等離子體尾場互作用激發(fā)太赫茲輻射的研究
3.1 引言
3.2 模擬代碼簡介
3.3 電子束與等離子體尾場共振激發(fā)的太赫茲輻射
3.3.1 物理模型
3.3.2 模擬結果
3.3.3 輻射的物理機制討論
3.4 自調(diào)制電子束在介質(zhì)加載慢波結構中驅動的太赫茲輻射
3.4.1 物理模型與色散關系
3.4.2 粒子模擬研究
3.5 小結
第四章 電子束-等離子體系統(tǒng)中的虛陰極機制
4.1 引言
4.2 虛陰極機制的形成條件研究
4.3 虛陰極激發(fā)THz輻射的粒子模擬研究
4.4 小結
第五章 電子束-離子通道系統(tǒng)輻射機制的實驗驗證
5.1 引言
5.2 實驗裝置介紹
5.3 實驗結果與分析
5.4 小結
第六章 總結與展望
參考文獻
作者在讀期間的科研成果簡介
致謝
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本文編號：
2878143
