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新型毫米波器件太赫兹回旋管的现状与发展刘三星(南京____大学电子信息工程学院,南京市,211106)摘要回旋管(CRM)是一种新型的毫米波器件,其中利用最为广泛的就是太赫兹回旋管本文简要介绍回旋管的结构和基本原理,评述国内外太赫兹回旋管的发展现状和趋势,同时指出其发展过程中存在的一些关键问题及自己的建议关键词回旋管;太赫兹回旋管;毫米波;高功率Situationanddevelopmentofthenewmillimeter-w__edevi__sterahertzgyrotronLiuSanxingElectronicsandInfor__tionEngineeringofNan___gUniversityofAeronauticsandAstronauticsNan___g210016Abstract ThegyrotronCRMisanewtypeofmillimeter-w__edevi__s.Whichtakeadvantageofthemostwidelyusedistheterahertzgyrotron.Thisarticlebrieflydescribesthestructureandthebasicprinciplesofgyrotronrevieweddomesticandforeignterahertzgyrotrondevelopmentstatusandtrendsandalsopointedoutthatsomeofthekeyissuesinthedevelopmentpro__ssandrecommendations.Keywords:GyrotronTerahertzGyrotronMillimeterw__eHighpower1引言THz波(太赫兹波)或称为THz射线(太赫兹射线)是指频率在
0.1THz到10THz范围的电磁波,波长大概在
0.03到3mm范围,介于微波与红外之间之前很长一段时间涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,因此这一波段也被称为THz间隙近些年来,由于很多方面的需求,太赫兹又有了很大的发展图 传统微波管、激光器件与回旋管从上世纪50年代末开始,电子回旋脉塞的研究和反展促成了回旋管的诞生从应用的角度说回旋振荡管一般可以分为三类:一类频率在70GHz~170GHz范围被用于国际热核实验反应堆ITER和欧共体在德国建造的W7-X仿星受控热核聚变装置中电子回旋加热ECRH、电子回旋诊断ECD和电子回旋电流驱动ECCD这些方面的应用对管子的输出功率要求较高达兆瓦级以上所以此类振荡器一般采用模式次数较高且模式稳定性较好的高阶边廊模式工作另一类则是工业或科学上应用的中等功率几十到数百千瓦回旋管用于如材料处理与改性特种陶瓷烧结和医学工程如核磁共振__R等第三类是用于亚毫米波范围亚太赫兹和太赫兹频率波段的回旋管
[1]2回旋管的结构和工作原理单腔回旋振荡管的基本结构由电子枪、高频互作用电路、磁场系统、收集极和输出耦合装置几部分组成其主要工作原理:由磁控注入电子枪发射的空心环状电子注经过一段逐渐增强的磁场产生绝热压缩使得电子的部分纵向动能转化为横向动能然后电子注进入高频互作用电路———圆柱开放式谐振腔并与腔中的高频电磁场相互作用将其动能转化为高频场场能最后经过能量交换后的电子离开高频互作用区在迅速减弱的磁场中打在管子的收集极上被收集极吸收同时腔中电磁场经腔体的输出窗输出在回旋振荡管中电子注与第s次角向回旋谐波的相位同步条件为ω≈sωc+KzVz式中ω为振荡频率;ωc为回旋频率;Kz=为纵向传播常数k=ω/c为波数;Vz为电子的轴向速度受腔体横向边界条件的约束开放式谐振腔中模式的kz与ω还满足如下的色散关系ω²=C²Kz²+C²Kmn²回旋振荡管一般工作在以上两个方程的根靠近工作模式的截止频率且工作频率略高于腔模的截止频率Fc=式中Xmn是m阶Bessel函数的导数Jm′x的第n个零点从而可估算出腔体的半径Rw=此外根据文献中所给起振电流公式可以估算腔内模式的起振情况通过合理选择工作模式与竞争模式之间的模式间隔与磁场来抑制竞争模式以保证工作模式的稳定性
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[4]3太赫兹回旋管的国内外研究概况受控热核聚变中等离子体加热对大功率毫米波源的强烈需求促进了回旋振荡管的研究20世纪60年代是回旋振荡管开始蓬勃发展的时期前苏联的研究小组率先在_____前后建立了回旋振荡管的线性及非线性理论并在发展了磁控注入枪和开放式谐振腔两项新技术后成功研制出第一个回旋单腔振荡管20世纪90年代由于化学气相沉积金刚石CVD输出窗和其他新技术的使用回旋振荡管的输出功率和输出脉冲长度逐步得到提高国际上回旋管研制的重点主要是用于大型托克马克和W7-X仿星受控热核聚变装置的100~170GHz、兆瓦级回旋振荡管所取得的研究成果主要集中在欧洲、美国、___和__到目前为止国内外研究机构分别采用不同方法对太赫兹回旋振荡管进行了实验和理论研究在太赫兹回旋管的研究上已经取得很大的进展
[5]4太赫兹回旋管的技术分析目前回旋振荡管已成为可产生太赫兹辐射的有效大功率辐射源对它的研究正越来越受到世界各主要大国的重视下面对太赫兹回旋管发展中存在的关键问题作了简要的技术分析并给出一些建议
4.1双频和多频回旋管多频回旋管由于具有很宽的可调辐射范围能够极大地增强ECRH和ECCD系统的灵活性和性能可能取代导向天线及提高特种__NTM的效率发展双频回旋管和多频回旋管的问题主要有:工作在不同模式下的回旋管效率;不同模式转换到高斯电子注高效率问题;高可靠性输出窗在满足宽带及可调节方面的问题等
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4.2电子光学采用模式次数较高且模式稳定性较好的高阶边廊模式工作的兆瓦级回旋振荡器一般采用传统磁控注入枪;高次谐波太赫兹回旋管多采用大回旋电子枪;而采用同轴谐振腔时多选择倒转inverted磁控注入枪随着回旋管不断向高频率高功率方向发展磁控注入枪产生的小回旋电子注工作的稳定性越来越严峻与高次谐波互作用时模式竞争严重不能有效地工作大回旋电子注在圆波导中仅能激发角向指数等于回旋谐波数的那些模式从而增强了模式选择抑制了模式竞争提高了互作用效率倒转磁控注入枪具有较大发射半径可以提高工作电流及输出功率需对上述枪型简化其设计以得到速度零散低、引导中心偏移小等特征的高质量电子注
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4.3高频结构及抑制振荡等问题回旋振荡器的设计在理论上有多种方案可供选择如基波或高次谐波工作、低次或高次模式工作、单腔或复合腔互作用电路、同轴腔结构等低次模式基波工作回旋单腔管腔体结构简单、技术难度相对较低及稳定性好但随着工作频率的提高腔体横向尺寸明显减小功率容量降低高次模式及高次谐波的回旋管振荡器虽可增大腔体尺寸和降低磁场但有明显的模式竞争问题很难稳定工作在较大电流下大功率容量的优势难以发挥复合腔回旋振荡器则综合了低次和高次模式工作两者的优势利用前腔中低次模式的稳定性和两腔的耦合来抑制模式竞争同时利用腔中的高次模式扩大腔体尺寸增加功率容量工作频率发展到太赫兹波段回旋管的谐振腔体会变得很小在几个毫米量级就很难保证它们的__及装配精度同时腔体的减小使腔体内壁上的单位__热负荷增加电子注的通道也将很小流通率就会降低采用高次模式工作虽可解决上述困难但也会带来模式竞争问题而这一问题在设计和实验中都较难解决采用谐波工作时也会遇到很多复杂的问题例如电子注通道中的寄生振荡、模式竞争问题同时欧姆损耗变得也很严重从而影响器件的工作和效率问题需采用新技术和新工艺来提高回旋振荡管的功率和效率同轴谐振腔工作模式的截止频率与内导体半径几乎无关而与腔体半径成反比这样就可增加腔体尺寸增大电子注半径从而提高工作电流及输出功率但存在内外导体的对中问题
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4.4高效输出窗问题输出窗的优劣会直接影响到回旋管的性能如果输出窗片表面的反射太大在高功率情况下反射到高频系统的功率将增大可能引发寄生模式在高频系统中自激振荡从而降低回旋管的输出功率和模式纯度以及回旋管的稳定性另外由于输出窗片介质损耗因子的存在电磁波会在窗片中产生介质损耗产生较大的热容量会导致窗片温度过高热应力过大使窗片破裂这些都限制了回旋管输出功率的提高这就需要研究新型窗片以具有较小的介电常数和损耗角正切、较高的热传导率和机械强度、适当的热膨胀系数和工艺可行性等要求氧化铍BeO虽有良好的热传导性能、较小的介电常数和较小损耗但氧化铍粉具有毒性__困难;氧化铝瓷Al2O3具有机械性能好、耐高温、易__、损耗小但导热性差介电常数偏大;氮化硼BN具有较小的介电常数和损耗角正切但导热率较小且硬度高__困难;蓝宝石损耗小热传导率高在高功率回旋管中用的较多但回旋管工作在高功率和连续波情况下热沉积在腔壁和传统真空窗上会造成严重问题电特性会逐渐衰减从而导致窗片表面的反射增大为了减少热影响可考虑CVD金刚石窗片金刚石有较小的介电常数和损耗角正切硬度高热传导性能更优及较小的热膨胀系数更适合作高功率回旋管的输出窗片但__昂贵CVD金刚石窗的切割抛光和高温焊接工艺等需进行深入研究
[10]4 结 语本文对太赫兹回旋管的现状及其发展作了综述指出了研制太赫兹回旋管存在的主要技术问题如双频和多频回旋管、电子光学系统、高频结构及抑制振荡问题、高效收集极和输出窗等问题并给出了可能解决的技术途径太赫兹回旋管具有高功率、高效率、性能稳定等优点同时由于太赫兹波独特的特性具有比毫米波更好的方向性和更高的空间分辨率;与光波相比受气候影响小在军事与民用等方面都有着十分重要的应用前景____
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