毫米波回旋超辐射的粒子模拟与实验研究

　　电真空器件中的超辐射源于量子电子学中Dicke超辐射现象的经典推广,是由短电子束脉冲产生的强相干辐射,其辐射率定标为输出功率正比于电子 数的平方。近年来,超辐射由于其高峰值功率和效率的特点在高功率微波研究中形成了新的热点。俄罗斯进行了一系列基于契伦科夫超辐射机理的器件实验研究,并 在X,Ka等波段获得了超过100%的峰值功率效率[1-6],这标志着契伦科夫超辐射机理的研究已经逐渐趋于成熟。相比之下,在回旋超辐射领域的研究则 较少。事实上,回旋超辐射在高频段的超辐射高功率微波源发展中具有潜在的优势,这主要是因为:(1)回旋器件在高阶模式的稳定运行使得采用大横向尺寸的器 件来产生高频段微波成为可能。这样,一方面可以有效地减小空间电荷力对于电子束的影响,另一方面在高功率运行状态时可以减少管内击穿的可能性;(2)回旋 器件通常采用大空心回旋电子束,束中的每个电子都沿螺旋轨道运动,这对于减小空间电荷力也是有利的;(3)当工作频率一定时,工作在高次回旋谐波可以有效 地降低对磁场的要求;(4)回旋器件可磁场调谐,可通过变化磁场在不同模式下工作,因此将可能使基于回旋超辐射机理的高功率微波源具有更好的适应性。回旋 超辐射在回旋器件的这些优点上结合了超辐射现象高峰值功率效率的特点,对于高频段高峰值功率微波的产生具有重要意义。

　　到目前为止,回旋超辐射的研究仍然处于起步阶段。1999年,N.S.Ginzburg, I.V.Zotova等人报道了针对回旋超辐射进行的研究情况[7-8],在电子束参数为250 kV,0.1~1.0 kA,磁场强度约为1.2 T时获得了输出微波峰值功率超过200 kW,频率28.6~36.4 GHz,工作模式为TE21。国内鲜见回旋超辐射的相关报道。本文采用3维粒子模拟软件进行了回旋超辐射的特性分析,并阐述初步实验的情况。

　　1　3维PIC粒子模拟设计及优化

　　1.1　结构与引导磁场参数设计

　　采用0.5 cm半径的光滑圆波导作为器件互作用结构,其色散曲线如图1所示。当束压为210 kV,横纵动量比为1且为1次回旋谐波互作用时,逐渐增大磁场,同步关系曲线依次与TE11,TE21,TE01和TE31的色散曲线相切,其对应相切点 的磁场强度分别为0·767 8,1.273 7,1.598 2和1.752 0 T。

　　在3维PIC粒子模拟软件中建模,模拟的结构如图2和图3所示,其中R,z分别表示径向、轴向坐标。结构左端为一截止波导,截止波导左端面发射 理想轴向运动电子束,最右端为理想的匹配边界条件。系统的磁场由线圈提供,包括引导磁场线圈和kicker磁场线圈。图4和5分别为磁场的轴向分量与径向 分量沿z轴的位形分布图。从发射面发射的轴向运动电子束在经过kicker磁场时,部分纵向动量转化为横向动量,参与束波互作用后在引导磁场末端打到结构 壁上。