毫米波功率应用研究进展(特邀)

微波功率应用是一种直接利用微波的功率和能量与物质互作用的应用。近年来,随着毫米波功率源技术的发展,微波功率应用逐渐向毫米波频段发展。由于毫米波波长较短,在功率应用中展现出诸多独特特性,并发展出一系列独特应用。本文对毫米波在物理科学、材料科学、生物医学等领域的研究工作进行了评述,主要包括聚变等离子体加热与诊断、材料加工与分析、生物效应应用等,对目前研究和发展中的主要瓶颈问题进行了介绍,并对未来发展进行了展望。

基于方形开口环的太赫兹偏振转换器设计

基于方形开口环与金属棒组合的超材料结构,提出一种新型透射式太赫兹偏振转换器件。研究了基本结构单元的不同组合方式对偏振转换特性的影响,并通过优化结构单元的相关参数,提高了偏振转换功能的工作带宽。最终在0.45~1.30 THz范围内实现了高效的X-Y方向交叉极化偏振转换,有望用于集成化太赫兹偏振转换器件的研究和应用中。

胶原蛋白温度效应的Raman光谱研究

在不同温度下对Ⅰ型胶原蛋白进行了拉曼光谱测定。结果表明随温度的升高,多数谱线向低波数移动,但CH2的变形振动谱线1302cm-1向高波数移动,苯丙氨酸的特征振动谱线1003cm-1的波数基本保持不变。同时还给出了拉曼谱线强度随温度的变化关系,得到了0,40,68,90℃四个变性峰,其中40,68℃的峰与DSC(差示扫描量热法)和SHG(二次谐波法)的测量结果一致,0℃的峰为冰冻相变,90℃的变性峰为胶原的二级结构被破坏所致。当温度达到150℃时,谱线强度显著降低,大部分谱线消失,胶原的一级结构遭到破坏。实验还发现胶原纤维在低温区具有较好的复性特性。

牦牛心脏脂肪酸结合蛋白(H-FABP)基因的克隆及序列分析

目的对牦牛H-FABP基因进行克隆和序列分析,以期为进一步开展牦牛该基因与其肉质性状的相关分析,进行分子标记辅助选择以及基因定位、表达等研究提供理论基础。方法用特定引物对牦牛H-FABP基因进行PCR扩增并进行T-A克隆和测序,在此基础上使用RepeatMasker、DNAMAN4.0、BioEdit4.8.10、ClustalW1.81等生物信息学软件进行序列分析。结果牦牛H-FABP基因(已在NCBI上登录,登录号为DQ026674)由4个外显子和3个内含子组成,CDS序列全长为402bp,前体氨基酸数为133个。4个外显子大小分别为73bp、173bp、102bp和54bp;3个内含子大小分别为3460bp、1892bp和1495bp;外显子与内含子的连接区序列遵循通常的基因组成规律。外显子和内含子个数与普通牛、绵羊、山羊、猪、人、大鼠、小鼠、鸡、斑马鱼各物种相同。牦牛H-FABP基因序列中,重复序列所占比率为13.07%。内含子Ⅰ含有5个重复元件,包括1个SINE/Artiodactyls元件、1个SINE/MIR3元件、1个SINE/Bov-tA1元件和2个SINE/MIR元件;内含子Ⅱ无重复元件;内含子Ⅲ有3个重复元件,其中SINE/MIR元件、LINE/L2元件、SINE/Artiodactyls元件各1个。SINEs短重复序列所占比率为11.85%,哺乳动物分散性重复序列MIRs比率为6.44%。LINEs所占比率为1.22%,小于SINEs元件。其中,LINE1、BovB/Art2、L3/CR1重复元件以及LTR类反转录元件和DNA转座子元件在牦牛该基因区域中不存在。不同物种间在该基因编码区核苷酸序列和氨基酸序列上有较高的保守性。牦牛与普通牛、绵羊、山羊、猪、人、大鼠、小鼠、鸡、斑马鱼各物种在H-FABP基因编码区核苷酸序列上同源性大小分别为99.8%、97.8%、97.0%、92.8%、88.8%、83.3%、83.1%、76.4%、68.7%;相应的氨基酸序列间同源性大小为100%、96.9%、96.9%、92.4%、88.7%、85.7%、85.7%、77.4%、69.9%。结论牦牛H-FABP基因由4个外显子和3个内含子组成,其中外显子I、外显子Ⅱ、外显子Ⅲ和外显子Ⅳ大小分别为73bp、173bp、102bp和54bp,内含子I、内含子Ⅱ和内含子Ⅲ大小分别为3460bp、1892bp和1495bp。牦牛该基因区域含有较为丰富的重复序列元件且外显子与内含子的连接区序列遵循通常的基因组成规律。牦牛与普通牛、绵羊、山羊、猪、人、大鼠、小鼠、鸡、斑马鱼9个物种在H-FABP基因编码区核苷酸及氨基酸序列上具有较高的保守性。

3维电磁粒子模拟程序设计

在3维Yee网格模型以及蛙跳模型的基础上,分析了3维电磁场离散算法及其稳定条件,讨论了3维空间网格上电磁场作用于粒子的平均场权重法和粒子作用于电磁场的Charge-conserving法,同时也讨论了3维空间网格上理想导体边界条件、自由吸收边界条件、爆炸式发射模型的模拟实现方法。以向内发射同轴二极管为例从其电流电压关系及电子束运动特性方面验证了模拟的正确性。

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相３对论磁控管的主要特点与问题，编制了谐振系统数值计算程序，通过数值计算与冷测，对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究，清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。制作了Ａ６型相对论磁控管并进行了热测实验，研究了输出功率与工作磁场的关系，经过大量优化工作，在Ｓ波段获得了３８０ＭＷ的微波辐射。

太赫兹科学技术及其应用的新发展

太赫兹科学技术是当前受到极大重视的交叉学科前沿,为人类社会发展提供了一个非常诱人的机遇。该文阐述了太赫兹波的优越特性及其在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面的重要学术和应用价值,以及对国民经济发展、国家安全、反恐和新一代信息科学技术发展的重大推动作用,介绍了世界太赫兹科技及其产业化发展情况,说明现代科技发展和应用的迫切需求使得该领域科学技术发展速度迅猛,也使太赫兹科学技术的发展呈现出基础研究、开发研究和产业化同步进行、相互融合、相互促进的新特点。

35GHz,TE021回旋速调管的电磁模拟

本文对一种新型的工作在二次谐波的三腔回旋速调管进行了理论分析和PIC模拟,该管子有两个十分突出的优点:由于其是工作在二次谐波上,这就大大降低了对轴向磁场的要求,可以避免笨重的螺线管或是超导磁场;其次由于其为三腔的结构,可以明显的提高管子的增益.PIC(ParticleInCell)模拟方法被采用来对该管子从磁控注入枪到微波电路进行了电磁模拟.在我们所采用的参数条件下,工作频率为35GHz,工作模式为TE021的三腔回旋速调管在0.675T的磁场下得到了22.5dB的增益以及23.71%的效率.

220GHz回旋单腔管的设计

根据回旋管的线性理论和回旋管自洽非线性理论设计出工作频率为220 GHz,工作电压为20kV,工作电流为2 A的回旋单腔振荡管,采用的工作模式为TE03模。利用粒子模拟软件MAGIC对设计方案进行验证,得到的注波互作用效率达到37%,平均输出功率为15 kW。

3cm相对论返波荡器的粒子模拟研究

运用全电磁的相对论的２．５维粒子模拟程序ＭＡＧＩＣ模拟分析了３ｃｍ相对论返波管中注－波互作用的非线性过程，得到了器件微波输出功率，效率，工作频率等参量，模拟结果与实验数据较好地一致。对电子注特性参数，慢波结构尺寸，引导磁场进行了优化，获得了器件最佳化运行的工作参数。

同轴相对论返波管高频特性的数值分析

提出一种数值分析周期慢波结构色散特性的模拟法：先采用时域有限差分法和离散傅里叶变换技术计算含周期慢波结构的谐振腔的谐振频率及谐振场分布，再基于周期慢波电路色散关系的周期性质，利用几个特殊色散点由数值组合技术获得周期慢波线的完整色散关系。数值计算了同轴波纹波导中ＴＭ０ｎ模式的色散关系。亦能用于分析计算任意复杂几何结构的周期慢波线的色散关系。

有限磁场下等离子体填充的波纹波导中波传播理论

给出了有限磁场下波在等离子体填充的波纹波导中传播的分析理论。推导出作为普遍严格公式的场分量的弗洛奎展式、本征值表达式以及色散方程。在某些特定情况下，详细讨论了波传输功率和耦合系数，这对于波纹结构的进一步研究非常有用。同时给出了初步的数值计算。其结果表明外加磁场的场强对波传播的色散特性有很大的影响从而影响了这类器件的性能。

五点差分格式求解泊松方程并行算法的研究

以二维静电场泊松方程数值求解的串行算法(雅可比迭代、超松弛迭代)为基础,提出了五点差分格式超松弛迭代(SOR)求解二维静电场泊松方程的并行算法,通过与雅可比迭代(Jacobi)并行算法的时间复杂度、加速比和空间复杂度进行对比,得出超松弛迭代的并行算法具有更低的时间复杂度、空间复杂度和更高的加速比与效率。通过实验验证,CHIPIC软件的泊松模块宜采用超松弛迭代并行算法。

相对论行波管慢波结构几何参数研究

推导了无引导磁场下具有离子通道的波纹波导中的色散方程 ,并通过数值计算分析了该慢波结构的几何参数如波纹周期、波纹深度以及波导平均半径对相对论行波管的带宽及增益的影响 。

CHIPIC软件的电磁场计算方法

基于CHIPIC是一个高功率微波电磁粒子模拟软件,电磁场的数值计算模块是其核心模块,介绍了CHIPIC软件中电磁场计算的基本方法,以及在其基础上改进而来的时偏算法;同时还对以上两种计算方法所适用的不同物理模型进行了讨论,并对所编制电磁场数值计算模块的正确性进行验证,结果证明CHIPIC的计算结果是正确的。

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管 (RBWO)的非线性理论 ,数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系 ,结果表明器件最优化效率可达到 5 0 % .设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO ,运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程 ,预见出器件功率、效率、频率等性能参量 .在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下 ,测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的 2倍 .

粒子模拟软件吸收边界的研究

实现了时域有限差分法的Gedney完全匹配层吸收边界条件,并进行了数值验证和参数优化。从结果可以看出其有较低的反射,性能优良;对吸收媒质厚度和电导率分布阶数的参数优化结果与Gedney经验值基本一致。将此吸收边界模块加入到国产粒子模拟软件CHIPIC中,同美国商业粒子模拟软件MAGIC相比有更好的吸收效果。通过对2维极坐标下磁控管的模拟,证明了此吸收边界具有实际应用价值。

相对论行波管色散特性分析

数值计算了一种填充等离子体的波纹波导结构的行波管 ,在强引导磁场下 ,被一环形相对论电子注驱动的小信号增益。详细地分析了等离子体的浓度、电子注的电压、电流及其在慢波结构中的传输位置对行波管的增益。

同轴型相对论返波管的粒子模拟研究

本文提出和设计了一种X波段大直径同轴相对论返波管，用时域有限差分法数值计算了器件慢波结构中TW模式的色散关系，耦合阻抗．运用粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用的非线性物理过程，预见出器件输出功率、效率、工作频率，并对器件功率与慢波结构尺寸，电子注束流参数。

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析,得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算,发现当两根电子注之间存在速度差时,通过快慢空间电荷波的相互作用,两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射;当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后,可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。