太赫兹扩展互作用速调管非线性注-波互作用的机理研究

TeraHertz radiation sources, being the leading edge of scientific research, have a promising future in military and civil area. TeraHertz Extended Interaction Klystron (THz EIK) is one of the most promising compact electronic vacuum devices providing TeraHertz radiation efficiently. The bottle-neck of developing THz EIK is how to study the complex physical phenomenon of nonlinear beam-wave interaction in multi-gap coupled cavities and to eliminate self-excited oscillation accurately and quickly. Presently, there is no any software developed by our country to simulate THz EIK. Meanwhile, MAGIC, mainly used by foreign researchers, can not simulate some of new complex coupled structrue and, is unfeasible in design process for costing great computational resources. Therefore, to solve above mentioned prolbem, this research aims at developing a 2.5-dimensional time domain model combined with Finite Defference Time Domain (FDTD) method, Particle-In-Cell (PIC) model, and Port-Approximation model. Based on 2.5D PIC model, a novel program will be developed to simulate the complex nonliear beam-wave interaction in THz EIK acculately and efficiently. Unquestionably, this research will provide strong support for the development of TeraHertz EIK in China.

太赫兹辐射源在军用和民用领域具有极广阔的应用前景，是当前国内外学术研究的前沿。而太赫兹扩展互作用速调管（THz EIK）是产生太赫兹辐射最可行、最高效的紧凑型电真空器件之一。如何探索出THz EIK中多间隙耦合腔高频系统中复杂的非线性注-波互作用物理过程和找到抑制自激振荡和高频杂谱的方法是研制该类器件面临的最大难题。目前国内并没有能够模拟THz EIK互作用的自主软件，而国外最先进的软件主要是MAGIC，但它无法准确模拟某些新型复杂耦合结构，并且其计算资源消耗大、耗时长的弱点使其无法满足设计需求。 因此，本项目创新性地建立了将时域有限差分方法、粒子模拟思想、端口近似方法3者优点相结合的2.5维时域粒子模型，该模型不仅能确保模拟结果的准确性，将计算时长缩短为MAGIC的数十分之一，同时能模拟新型复杂耦合结构并揭示注-波互作用机理。本研究将为我国开展THz EIK的研制提供强有力的设计支持。

探索复杂的非线性电子注-电磁波互作用机理是速调管研究中最为重要的课题之一。一维圆盘模型只考虑到粒子的轴向运动，无法模拟粒子的径向波动并且通常会过高地估计速调管的效率；二维圆环模型采用格林函数来求解电子注的空间电荷场，这种近似解析形式并不够精确；而全三维的粒子模型，基于该模型的程序如MAGIC3D，由于考虑全三维互作用结构，所以建模复杂，计算资源消耗巨大。因此，为提高速调管设计工作的效率并对器件内部注-波互作用的物理过程进行深入研究，本项目提出了将时域有限差分方法、端口近似方法和粒子模拟思想相结合的2.5维粒子模型，并基于该模型开发出了速调管非线性注-波互作用程序，该程序运行稳定高效，模拟结果准确可靠。本项目研究的主要内容与创新点简述如下：.1. 建立了用于模拟速调管中复杂非线性注-波互作用过程的2.5维粒子模型。. 该模型是首次将时域有限差分方法、端口近似方法和PIC思想结合起来的时域粒子模型。大量的研究表明端口近似方法能够比较准确地模拟谐振腔对互作用系统的影响，时域有限差分方法可以准确地求解出电子注的空间电荷场，因此该模型具有高效、准确和节省计算资源等优点。. 在每一个时间步中，该模型可以选择采用面积权重或体积权重将粒子电荷恰当地分配到空间网格各点上，再根据电流连续性方程将电流分配到网格各边上；同时给出了在这两种分配权重下的分配算法。. 采用时域有限差分方法求解麦克斯韦方程组以精确解出电子注在漂移管中产生的空间电荷场（即粒子的自激场）；给出了柱坐标系下有源麦克斯韦方程的时域有限差分格式。. 采用端口近似等效来模拟高频谐振腔场，谐振腔场分布可以采用解析场或数值场（通过Superfish或CST Microwave Studio等谐振腔模拟软件仿真求得）两种形式。. 最后，采用Boris旋动格式求解洛伦兹力方程来更新粒子的速度和位置，并在柱坐标系下对粒子的速度推进作了修正，避免了粒子在近轴处推进出现的奇异情形。.2. 根据建立的物理模型开发出2.5维太赫兹扩展互作用速调管粒子模拟程序，为新型太赫兹扩展互作用速调管的设计提供了快速有效的手段。应用该模拟程序给出了一个工作频率为1.2THz，峰值输出功率为50mW的太赫兹扩展互作用速调管完整设计方案。