自由电子与新型材料结构相互作用的研究进展

利用自由电子产生电磁波,研制的真空电子器件能够在高频率和高功率下稳定工作。近年来,利用自由电子与新型材料结构相互作用的研究得到了科学家们的关注和重视,包括利用这些相互作用激发激元和产生各频段电磁辐射,以及探索新奇的物理现象。基于这些最新研究的工作,本文系统全面地总结了自由电子与新型材料结构相互作用的研究进展,希望能够推动真空电子学相关领域科学技术的创新发展。

太赫兹散射式扫描近场光学显微镜中探针与样品互作用及其影响探究

太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(scattering-type scanning near-field optical microscopy,s-SNOM)在生物纳米成像、太赫兹纳米光谱学、纳米材料成像以及极化激元的研究中有着广泛的应用前景.原子力显微镜探针作为太赫兹s-SNOM的重要组成部分,起着近场激发、探测、增强等关键作用.但是在测量过程中,探针与样品的相互作用会影响测量结果.本文通过仿真和实验,分别揭示了太赫兹s-SNOM中探针与样品相互作用对近场激发、近场探测以及太赫兹近场频谱的影响.首先,研究了探针激发的近场的波矢权重分布,发现波矢主要集中在10^(5) cm^(-1)量级,与一般的太赫兹激元的波矢相差2-3个数量级,这表明太赫兹近场很难激发太赫兹激元.其次,通过理论和实验研究,发现金属针尖会干扰石墨烯圆盘结构的表面近场,这表明太赫兹近场系统在探测结构的近场分布具有局限性;最后研究了探针对近场频谱的影响,发现探针长度和悬臂长度是影响近场频谱的重要参数,可以通过增大探针长度或者悬臂长度的方法来减小探针对近场频谱的影响.

瞬态电磁场三维时域有限差分模拟研究

该文使用三维时域有限差分方法对在不同环境中的0.1～0.1T Hz电磁波场进行数值模拟。以高斯脉冲作为源电流信号研究了导电全空间中电偶极子场,并对海底低阻地质模型的电磁响应做了模拟计算;对隧道含水裂缝异常的回线源瞬变电磁响应进行了分析;对超宽带穿墙探测模型做了模拟计算,进一步在超宽带电磁波与窄带电磁波对钢筋混凝土的探测模拟结果做了对比分析;用FDTD-PIC软件对94 GHz折变回旋振荡管TE6,2模产生过程做了模拟计算,指出模拟中存在的问题,最后对时域有限差分程序的并行做了分析,提出用时域有限差分方法研发回旋管瞬态场三维模拟软件的思路。

170 GHz兆瓦级回旋振荡管设计研究

该文基于广义传输线理论和电子回旋脉塞理论,考察模式谱、深入研究注-波耦合系数和不同模式的起振电流,选择TE32,12模式为170GHz兆瓦级回旋振荡管的工作模式。通过合理调整电子注工作参数有效抑制高次模谐振腔中的暂态模式,优化谐振腔的光滑缓变段来抑制寄生振荡模式。当电子注的横、纵速度比为1.3,引导中心半径为9.4 mm,电压为80 kV,电流为45 A,互作用磁场约为6.715 T时,该只优化设计的回旋振荡管在170.18 GHz频点输出功率超过1.8 MW,效率约为50%。此外,建立切合实际的电子注速度零散模型,讨论了速度零散对该只管子的性能影响。

W波段梯形线高次谐波低电压返波管研究

本文研究了一种W波段返波管,该返波管可以工作在高次谐波和低电压的状态下,采用梯形线作为该返波管的高频结构。运用仿真软件CST进行冷腔模拟,探讨和分析了梯形线的色散特性及耦合阻抗的影响;经过优化后,选取合适的结构参数,运用PIC粒子模拟软件进行热腔仿真,研究了该返波管的注波互作用过程,在高次谐波的状态下分析了工作电压变化对返波管输出效率及功率的影响。通过仿真的结果可以得到当工作频率为104.5～107.8GHz,工作电压在5.8～7.2kV之间时,返波管的输出功率在5～55mW之间,且注波互作用点在高次谐波2.2π～2.5π范围内。

0.42 THz-TE_(17,4)回旋管高效准光模式变换器（英文）

针对0.42THz-TE_(17,4)模式回旋管研究了一种高效率准光模式变换器。该模式变换器由Densiov型辐射器、准椭圆镜和两个相位校正镜组成。采用了耦合波理论分析波导辐射器的工作机理,矢量绕射理论计算开口辐射器和反射镜面上的场分布,并运用KSA算法和相位解缠绕技术对相位校正镜面进行优化设计。通过编程计算得到的数值计算结果与软件模拟结果高度一致。结果表明从Denisov型辐射器辐出射的能量经过镜面系统聚焦校正之后,在输出窗处转化为标量和矢量高斯成分分别高于99.1%和97.3%的束斑,其能量转换效率高于97.4%。

应用于动态核极化核磁共振的太赫兹回旋管

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。