摘 要: 新型史密斯-帕塞尔互作用结构是一个同轴型系统,它包括倒置的曲面镜和柱状光栅,并且光栅的截面可以是任意形状。用粒子模拟软件MAGIC对新结构进行模拟分析和优化,由于新结构采用倒置曲面镜,改变了光栅位置,大大增加了环状电子注半径,在同样电子注密度和厚度情况下,可以获得比改进前结构高几倍的电流,且辐射功率可提高1个数量级。并给出了新结构及改进前两种互作用结构在3 mm甚至更短波段的粒子模拟分析和计算结果,其输出功率达到数百MW以上。
电子注紧贴着周期结构上方飞过时,会激励起毫米波、远红外波段的辐射,这种现象被称为史密斯-帕塞尔(S-P)效应[1-3]。基于S-P效应,采用开放式谐振腔或闭式谐振腔及绕射光栅作为高频互作用系统的各种实验结构,成功地在毫米波、远红外波段进行了实验[4]。按照作用机理,这些器件被称为S-P效应自由电子激光[5-7](S-P FEL),它克服了真空电子器件向毫米波段拓展,由于波长缩短要求电子枪发射电流密度急剧增大、高频系统加工精度要求极为苛刻的困难,因而类似方案成为开发短毫米波及远红外波谱的最有前途的手段之一,成为当前波谱开发研究工作的热点。目前,S-P效应的实验装置和理论分析模型多采用由开放柱面谐振腔、平板电子注和矩形截面的平板型光栅组成的互作用系统,这种结构向更高工作频率和较大输出功率发展时存在着互作用效率较低、电子注不易成型和聚焦的局限。考虑到环形电子注易于成型与聚焦,稳定性好,本文在S-P结构Ⅰ的基础上倒置曲面镜,改变柱状光栅位置[8],提出了新型S-P结构Ⅱ。在这两种结构中光栅的截面都可以是任意形状,改变光栅截面形状可以提高辐射强度和输出功率。用2维的粒子模拟软件进行粒子模拟,通过观察模拟计算结果,探索辐射出更高频率更大功率电磁波的可能性。
1 物理模型及其工作原理
图1给出了新型S-P互作用结构的原理图,用圆柱空心电子注通过光栅表面,激励电磁辐射,并在准光学谐振系统内产生振荡,从某一角度输出高功率电磁波。曲面镜1、曲面镜2是曲率半径为R的两个空心曲面型反射镜,与表面刻有光栅的圆柱反射镜共同构成新型轴对称三反射镜准光学谐振腔系统。此种互作用系统有着特殊的场分布,强场区域处于光栅表面附近,有利于提高互作用效率;采用曲面镜可增加电子注与高频场的互作用范围以及参与高频场互相作用的电子数量,从而可输入更大的电流,进而提高辐射功率;特别是结构Ⅱ可大大地增加电子注半径,在同样电子注密度和厚度情况下,可以获得比结构Ⅰ高几倍的电流,辐射功率可提高1个数量级;通过改变截面的形状可以改变高频场的分布,增强互作用处电磁波的强度。
2 模拟结果与分析
利用2维粒子模拟软件MAGIC,对以上两种结构的注-波互作用进行了模拟。模拟中,采用3种不同形状的光栅:梯形,矩形,倒梯形。在系统其它参数不变的情况下,比较可得,采用倒梯形柱状光栅结构相对于矩形和梯形结构来说可以获得更高的输出功率[9]。这是由于倒梯形槽光栅的耦合阻抗高于矩形和梯形槽光栅,故前者的互作用更强,输出功率也更高。本文以倒梯形截面柱状光栅S-P互作用结构为例,给出具体参数(表1)和粒子模拟输出结果。
图2给出了辐射夹角为36°时,结构Ⅰ和结构Ⅱ在角度输出口观测到的峰值功率随时间变化曲线图。结构Ⅰ的值功率为72 MW,平均功率为28 MW,结构Ⅱ的峰值功率为578 MW,因为在结构Ⅱ中带光栅的柱状腔位于结构外部紧贴光栅表面通过的电子注的半径大大增加,在同样电子注密度和厚度情况下,可以获得比结构Ⅰ高几倍的电流,射功率可提高1个数量级。
图3给出了同样条件下,结构Ⅰ和结构Ⅱ在角度输出口观测到的平均功率随时间变化曲线图。结构Ⅰ的平均功率为28 MW,结构Ⅱ的为290 MW,辐射功率提高了1个数量级,与所做推论相符合。
图4给出了结构Ⅰ和结构Ⅱ在36°输出口观测到的频谱图。结构Ⅰ工作谐振频率为78.02 GHz, 156.02GHz,其中主频为78.02 GHz,结构Ⅱ的工作谐振频率为158.46 GHz,结构Ⅱ具有更好的频率选择性。
3 结 论
提出了一种新型S-P互作用结构,利用PIC模拟方法对该结构的辐射特性进行了初步的研究,对注-波互作用特性进行了模拟分析和优化。改进后的结构在辐射夹角为36°时的输出窗处观测到频率158.46 GHz、功率578 MW的微波输出。相比改进前结构,辐射功率提高1个数量级,且频率选择性更好。且该结构为全金属结构,易散热,易相干,易调整,为得到更高工作频率和较大输出功率提供了一种可行的方案。但基于新型三反射镜准光系统的S-P辐射源的实验难度大,涉及到短脉冲信号功率的良好定标问题以及频率的准确测定,需要进一步研究。
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本文作者：滕丽丽, 陈蓓冉, 魏彦玉, 宫玉彬, 王文祥, 陈嘉钰
