基于硅介质光栅的片上太赫兹波源

随着太赫兹技术的快速发展,人们对太赫兹技术在通信、光谱学和传感方面的各种应用越来越感兴趣。太赫兹技术发展与应用的基础是高性能的太赫兹源,传统的太赫兹源体积大且需要高功率电源驱动,难以适应集成太赫兹技术的发展,迫切需要研发新机制的微型太赫兹源。本文研究了一种新型微型化自由电子太赫兹辐射器,基于自由电子与其在光栅介质波导结构中激励的太赫兹波的互作用,实现太赫兹波的激励。这项研究为开发高效的片上太赫兹辐射源和拓展先进太赫兹应用提供了新的选项。

800V行波管研究

提出了一种角度对数周期微带曲折线慢波结构,该结构具有微带型慢波结构尺寸小、易加工的特点,同时特殊的结构使得它可以工作在极低的电压下,可用于低工作电压、宽频带毫米波径向束行波管。给出了这种慢波结构在Ka波段的色散特性和传输特性,并进行了注波互作用的分析。计算结果表明:该新型慢波结构的工作电压可低至809V,输出功率26W,3dB带宽约为19GHz(27～46GHz),虽然单个角度对数周期微带曲折线慢波结构的输出功率较小,但是这种结构通过功率合成,可以达到数百W的功率输出。

94 GHz径向螺旋波导行波管研究

提出了一种具有工作电压小、结构紧凑、散热性好等特点的新型慢波结构——径向螺旋波导结构,利用电磁仿真软件分析了其色散及传输特性,结果表明该种结构行波管工作电压可低至数百伏.由于圆柱电子枪发射面远大于常规行波管,因而在小电流密度下仍可保证大电流:电流密度为100 mA/cm2时电流可达30 A.该结构在W波段具有较大的尺寸,易于加工,并且在更高波段同样具有很好的传输特性,具有较大的研究价值.

ZnO-TiO_2的表面结构及表面性质

本文通过XRD相定量及低能离子散射谱研究了ZnO-TiO_2体系的结构.实验表明,ZnO单层分散在TiO_2表面上,ZoO与TiO_2之间的结合较弱,这种表面结合并不导致新的表面酸位。本文还讨论了ZnO-Al_2O_3、ZnO-SiO_2、ZnO-TiO_2三种含锌二元氧化物在结构、性能方面的明显差异及其根源。

强流相对论性径向带状电子束产生与传输中的物理问题研究

1研究意义 在现代无线电工程系统中，速调管、行波管、返波管这类用于振荡和放大的超高频电真空器件是不可或缺的，被称为电子装备的心脏。而在这些器件中，最重要的组成部分之一就是在与电磁场相互作用中将直流电源能量转变成高频振荡能量的强电子束。

基于螺线盘与永磁体聚焦径向电子束的研究

本文首先对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析,得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度关系之间的解析表达式,接下来分别阐述了螺线盘和轴向磁化的永磁环在空间中产生磁场的分布规律,最后设计了一种基于螺线盘和永磁体混合聚焦径向电子束的引导磁场系统,仿真研究了径向电子束在该引导磁场系统产生的磁场下稳定传输时的束轨迹。

基于螺线盘聚焦径向电子束的理论分析与仿真研究

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析,得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论,给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统,并对电子束的传输特性进行了仿真研究,结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。

径向线内电子束的空间极限电流

为了对径向线内电子束的空间极限电流及相关物理参量进行分析,在径向方向无穷长与束流密度轴向均匀的假设条件下,对电势满足的线性泊松方程进行了解析求解,得到了空间极限电流的解析表达式,接下来对束流密度轴向非均匀分析条件下电势满足的非线性方程进行了数值求解,并与解析结果进行了对比。研究表明径向电子束具有较高的空间极限电流且当束流接近于极限电流传输时,束密度的非均匀性明显增加,相关结论可以为径向高功率微波器件的设计提供指导。

S波段径向注同轴槽振荡器

高功率微波器件在雷达、电子对抗等方面具有重要的应用潜力,因此得到广泛的关注。然而,庞大的体积和重量,以及较低的效率和较短的寿命,严重限制了高功率微波的应用范围。提出了一种径向电子注驱动的同轴槽振荡器,该振荡器无需聚焦系统,从而能够大幅度减少体积和耗能。采用由外向内的径向电子注,阴极电流密度低,可以采用热阴极替代爆炸发射阴极,从而提高器件寿命。PIC仿真中,采用460 kV,6 kA径向电子注能够在3.8 GHz产生1.2 GW的输出,对应效率43.5%。

阴极杆电流对非浸没式径向电子束传输的影响

文中首先阐述了半无限长阴极杆电流对径向电子束传输的影响,通过理论分析得到了径向同轴二极管内的磁场分布及单个电子偏移幅值的解析表达式;接下来分析了有限长阴极杆电流产生的角向磁场空间分布规律,并与半无限长阴极杆电流产生的磁场强度进行了对比;最后对有限长阴极杆电流下非浸没式径向电子束的传输过程进行了研究,建立了双端馈入电流模型并对其进行了误差分析,仿真得到了阴极杆电流长度对非浸没式径向电子束传输的影响规律。

一种基于THz-TDS技术用于食品添加剂高灵敏度区分的超材料传感器

论文提出了一种用于食品工业中常用添加剂(肌醇、亮氨酸、牛磺酸)高灵敏度区分的太赫兹超材料传感器。该传感器由带有双尖端的开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)阵列组成。液体样品的不同浓度和种类对应于传感器不同的频率偏移,可以被用于液体样品浓度和种类的区分和辨别。该超材料传感器使用微纳工艺制作在对太赫兹波透明的石英基板上。利用太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)系统分别测量了浓度为0.2、0.4、1.5、2、3和4 mg/ml的液体样品。结果表明,所提出的超材料传感器能检测的最低样品浓度为0.2 mg/ml。同时,该传感器也可以实现相同浓度,不同种类液体样品的辨别。该研究为基于开口谐振环结构的太赫兹超材料传感器在食品安全领域的应用提供了新的参考。

平面对数螺旋线慢波结构的电磁仿真

采用平面对数螺旋线慢波结构可以有效减慢电磁波的相速,电子注的加速电压可低至百伏量级。利用仿真软件HFSS,对20～40GHz频段的平面对数螺旋线的色散、同步、损耗和传播特性及它们与结构尺寸的关系进行了仿真分析。结果表明,选择适当的慢波结构尺寸,得到的色散曲线较平缓;衰减较小,慢波结构中电磁波与电子流的作用效率比较高;具有较好的传播特性。

强流相对论电子束在PPM系统中的传输特性研究

首先对强流相对论电子束在聚焦系统中的传输特性进行了理论分析,给出了束流参数与周期引导磁场峰值大小的关系,然后通过粒子仿真验证了理论分析的正确性,并得到了在一定的电压和通道半径条件下,周期永磁聚焦(PPM)系统能传输的电子束的最大电流。文章为强流相对论电子束周期永磁聚焦系统的设计提供了一定的参考。

340 GHz菱形曲折波导慢波结构

提出并研究了一种菱形曲折波导慢波结构。与传统的矩形曲折波导慢波结构相比,菱形曲折波导慢波结构在相同频带下拥有更大的尺寸,在相同尺寸下拥有更宽的带宽。同时提出了适用于这种慢波结构的输入-输出过渡结构和衰减器。在此基础上,设计了一种用于行波管的340 GHz菱形曲折波导慢波结构,并采用相速负跳变技术提高了其增益。模拟仿真结果表明,在加载电压为15.3 kV,电流为35 mA的圆形电子注的情况下,行波管在343 GHz的输出功率和增益分别达到8 W和33 dB,其3-dB带宽范围为330∼348 GHz。

W波段双带状电子注新型平面慢波结构行波管

提出了一种适用于W波段行波管(TWT)的双注矩形环杆(DBRRB)慢波结构(SWS),该结构具有平面特性,适合于微细加工。在一对T形介质杆的支撑下,RRB SWS适用于双带状电子注工作。利用计算机仿真分析了其高频特性。设计并采用了渐变结构和阶梯波导的宽带输入输出结构。采用粒子(PIC)模拟研究了RRB SWS的热仿真性能,并用0.6 T的螺线管磁场,对电压和电流分别为11.2 kV和0.12 A的双带状注进行聚焦。仿真结果表明,在94 GHz时的饱和输出功率为56.7 W,对应的增益为27.4 dB。此外,还添加了一个衰减器来抑制振荡并实现了稳定工作。

Ka波段低电压悬置双微带曲折线慢波结构的设计与测试

提出了一种悬置双微带曲折线慢波结构,介质基板悬置于封闭金属腔内,基板上下表面各镀有一条金属曲折线结构。该结构具有双电子束通道,电磁波具有对称的分布,因此,电磁波可以通过上下腔体与两束带状电子束互作用。通过仿真软件分析了其高频特性,设计工作电压和电流分别为2050 V和0.2 A,PIC仿真结果表明,在36 GHz处最大输出增益为26 dB,具有8 GHz的3-dB饱和功率带宽。实验测得该慢波结构反射损耗低于-10 dB,同时分析了慢波结构制备过程中影响传输损耗的主要因素。

强场太赫兹波作用下氢气分子振动动力学研究

利用电磁场与分子体系的相互作用可以研究分子的物理性质及其动力学问题.不断发展的太赫兹技术提供了能够产生亚皮秒定向强电场的太赫兹源,其产生的强场太赫兹波拥有与分子局部电场环境相当的电场强度,且定向电场的亚皮秒时间尺度也能覆盖众多超快物理化学反应过程.目前太赫兹波与分子的相互作用还主要局限于共振相互作用,即电磁波通过偶极相互作用,使分子在不同的振转能级发生跃迁.本文基于密度泛函理论计算和薛定谔方程的时域有限差分求解方法,研究了强太赫兹波电场对氢分子的强场非共振作用.结果显示,在强场太赫兹波亚皮秒定向强电场的作用下,氢分子将产生诱导偶极矩,此偶极矩与外加太赫兹场作用,引起质子概率密度分布的波动及振动能级布居数的变化.本文基于非极性双原子分子氢气与强场太赫兹波的非共振作用,展示了一种独特的电磁波与分子相互作用的途径,对研究生物体非极性分子及极性较弱的分子在强太赫兹场下的动力学研究提供了方法.

太赫兹波在神经细胞中传输的弱谐振效应

神经细胞的尺寸与太赫兹波的波长处于同一数量级,因此,神经细胞可等效为微型介质谐振器从而起到增强细胞内的太赫兹信号的作用.基于此现象,本文提出神经细胞弱谐振效应的新概念.建立了三层结构的球形神经细胞胞体模型,用太赫兹时域光谱仪系统测量了神经细胞生理液的相对介电常数,并用双德拜模型对实验结果进行拟合;利用时域有限差分法对太赫兹波在神经细胞中的传播特性进行研究.结果表明,当神经细胞的相对介电常数高于外部媒质时,太赫兹波可以在神经细胞内部形成弱的谐振峰,并且随着细胞与外部媒质的相对介电常数差值的减小,谐振峰会向细胞膜侧偏移,细胞对太赫兹波的聚焦特性会随着两侧相对介电常数差值的减小而逐渐增强,这种现象称为弱谐振效应.同时,弱谐振效应也表现出与细胞尺寸和频率的相关性.神经细胞的弱谐振效应在增强细胞内太赫兹信号强度的同时,也会进一步增强太赫兹信号在神经纤维中的传输.这些结果为解释太赫兹波与神经细胞的相互作用提供了新模型,有助于研究太赫兹波在生物神经系统中的传递机制.

径向线TM_(01)模激励研究

径向线TM01模是径向束波互作用中的主模,决定了束波互作用的成败。论文对径向线TM01模进行了研究:理论推导了径向线TM01模的电磁场分布,在此基础上设计了一种由同轴线TEM模激励产生径向线TM01模的新型结构,并通过全电磁仿真软件进行了验证。结果表明:在12GHz中心频率处转换效率达到99%。

基于永磁体和螺线圈的径向电子束聚焦系统设计

对一种强流径向电子束浸没式磁聚焦系统进行了研究和设计。首先介绍了浸没式聚焦径向电子束原理和聚焦系统结构,接着仿真研究了在不同磁场分布下浸没式聚焦400 k V/30 k A径向电子束稳定传输的束轨迹,并根据电子束波动情况优化了径向磁场分布,然后设计了基于永磁体和螺线圈混合结构的径向电子束聚焦系统,最后分析了螺线圈绕制方式对聚焦系统的供电系统的影响。结果表明,径向电子束在设计的聚焦系统磁场下能以小波动稳定传输,并且与单线绕制螺线圈相比,双线绕制螺线圈回路脉冲电流前沿更短,脉冲电流宽度更窄,所需电容更小,更有利于径向电子束聚焦系统的小型化。