發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 16:52

　　 太赫茲輻射在眾多前沿領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在太赫茲科學(xué)技術(shù)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(guó)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(shí)現(xiàn)高功率太赫茲輻射,從而導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)應(yīng)用受到了很大限制。因此,探索具有新物理結(jié)構(gòu)、新工作機(jī)制的高功率太赫茲源是當(dāng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)電子束-等離子體系統(tǒng)激發(fā)太赫茲輻射的機(jī)制問(wèn)題,從理論、模擬與實(shí)驗(yàn)三個(gè)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(jī)制,通過(guò)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(guò)非線性相互作用激發(fā)太赫茲輻射的過(guò)程;在實(shí)驗(yàn)方面,設(shè)計(jì)、建造了緊湊型的束-等離子體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置,在此基礎(chǔ)之上驗(yàn)證了系統(tǒng)激發(fā)電磁不穩(wěn)定性的機(jī)制,為理論提供了實(shí)驗(yàn)支撐。論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)有:1、根據(jù)PIC模擬得到的等離子體分布結(jié)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(dǎo)了系統(tǒng)電磁不穩(wěn)定性的色散關(guān)系,并分析了系統(tǒng)中各個(gè)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(jī)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(dǎo)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(dǎo)致的束流不穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)之上,本論文針對(duì)電子束-離子通道系統(tǒng)的電磁輻射機(jī)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(guò)束流不穩(wěn)定性獲得縱向振蕩能量,當(dāng)這些電子隨著自聚焦運(yùn)動(dòng)到達(dá)中心區(qū)域時(shí),會(huì)通過(guò)電磁不穩(wěn)定性交出能量,從而激發(fā)電磁輻射。進(jìn)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(huì)提高,當(dāng)?shù)入x子體密度達(dá)到1×10~(22)/m~3時(shí),輻射頻率將接近1THz以上,這一結(jié)果也得到了PIC模擬的支持。2、通過(guò)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(jī)制。這種機(jī)制的產(chǎn)生必須滿足以下條件:(1)電子束密度遠(yuǎn)低于等離子體密度;(2)電子束橫向尺寸小于等離子體波長(zhǎng);(3)電子束脈寬遠(yuǎn)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(qū)動(dòng)等離子體尾場(chǎng),而等離子體尾場(chǎng)又會(huì)反作用于電子束,最終將長(zhǎng)脈寬的電子束調(diào)整成一列以等離子體波長(zhǎng)為周期的短脈寬的束團(tuán),這一過(guò)程稱為“自調(diào)制”。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)電子束發(fā)展到自調(diào)制非線性階段時(shí),可以驅(qū)動(dòng)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(dá)到太赫茲波段,功率密度可以達(dá)到1GW/m~2以上。理論分析表明,系統(tǒng)的太赫茲輻射機(jī)制本質(zhì)上是等離子體尾場(chǎng)中的振蕩電子對(duì)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(shí)注入到一個(gè)介質(zhì)加載慢波結(jié)構(gòu)中,使電子束通過(guò)自調(diào)制進(jìn)而與系統(tǒng)特定頻率的高階本征模相互作用。PIC模擬結(jié)果表明,自調(diào)制電子束能夠有選擇地激發(fā)慢波結(jié)構(gòu)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(wú)法存在于等離子體中,因此會(huì)被抑制。研究還發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)中模式的增長(zhǎng)情況與色散關(guān)系得到的結(jié)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(qiáng)磁場(chǎng)。在目前的模擬參數(shù)下,估算得到輻射的峰值功率可達(dá)7.9MW,能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)8.3%。4、開展了基于電子束-等離子體系統(tǒng)的虛陰極機(jī)制研究。建立了離子聚焦機(jī)制下的虛陰極閾值方程,并通過(guò)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(huì)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(diǎn),通過(guò)PIC模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),理論結(jié)果與模擬結(jié)果高度吻合。這一系列的模擬中沒(méi)有出現(xiàn)虛陰極激發(fā)電磁輻射的情況,這是因?yàn)槟壳暗哪�擬中沒(méi)有考慮實(shí)際的電子束陰極,所以虛陰極的反射電流不會(huì)進(jìn)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(jī)制。此時(shí)的離子通道會(huì)形成一個(gè)前后閉合的空腔結(jié)構(gòu),虛陰極的部分發(fā)射電流和反射電流會(huì)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(qū)動(dòng)等離子體中的電子與離子反向運(yùn)動(dòng),從而形成高密度電子束-離子通道系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)此方案,設(shè)計(jì)并建立了一套“束-等離子體系統(tǒng)(PBS)”實(shí)驗(yàn)裝置。在PBS裝置上開展了電子束-離子通道系統(tǒng)輻射機(jī)制的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dāng)示波器檢測(cè)到電壓脈沖上升沿的信號(hào)時(shí),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(hào),頻譜的峰值出現(xiàn)在8GHz左右。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),這個(gè)高頻信號(hào)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。從理論上講,只要進(jìn)一步提高等離子體密度,就可以獲得更高頻甚至達(dá)到THz波段的輻射。通過(guò)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(jī)制被揭示出來(lái)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的機(jī)制有:電子束-離子通道系統(tǒng)中的模式耦合機(jī)制、自調(diào)制電子束與等離子體尾場(chǎng)互作用的共振輻射機(jī)制以及虛陰極機(jī)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(chǔ)。
【學(xué)位單位】：四川大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(diǎn)及應(yīng)用
        1.1.2 太赫茲源簡(jiǎn)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(diǎn)
    1.4 論文的結(jié)構(gòu)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(jī)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(guān)系
        2.2.3 色散關(guān)系的解以及太赫茲輻射的物理機(jī)制
    2.3 與均勻系統(tǒng)理論結(jié)果的對(duì)比
    2.4 與粒子模擬結(jié)果的對(duì)比
    2.5 小結(jié)
第三章 電子束與等離子體尾場(chǎng)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(jiǎn)介
    3.3 電子束與等離子體尾場(chǎng)共振激發(fā)的太赫茲輻射
        3.3.1 物理模型
        3.3.2 模擬結(jié)果
        3.3.3 輻射的物理機(jī)制討論
    3.4 自調(diào)制電子束在介質(zhì)加載慢波結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)的太赫茲輻射
        3.4.1 物理模型與色散關(guān)系
        3.4.2 粒子模擬研究
    3.5 小結(jié)
第四章 電子束-等離子體系統(tǒng)中的虛陰極機(jī)制
    4.1 引言
    4.2 虛陰極機(jī)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(jié)
第五章 電子束-離子通道系統(tǒng)輻射機(jī)制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.1 引言
    5.2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹
    5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    5.4 小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
作者在讀期間的科研成果簡(jiǎn)介
致謝

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