介质加载复合光栅结构的色散特性研究.pdfVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．2(2014) 024101 介质加载复合光栅结构的色散特性研究冰 曹苗苗 )2) 刘文鑫 )十 王勇 ) 李科 )2) 1)(中国科学院电子学研究所，中国科学院高功率微波源与技术重点实验室，北京 100190) 2)(中国科学院大学，北京 100049) (2013年9月5日收到；2013年lO月23日收到修改稿) 提出了一种用于SmithPurcell器件的介质加载金属光栅周期慢波结构．通过采用本征函数法和单模近 似法求解了介质加载金属光栅的 “热”色散方程，在同步点得到了注一波互作用的一阶和二阶增长率，分析了 光栅槽宽和槽深对色散特性的影响，并研究了电子注参数及其与光栅表面距离等主要参数对增长率特性的影 响．结果表明：通过介质加载金属光栅有利于减弱色散，随着介质相对介电常数、槽宽度以及深度的增大，色 散曲线变平缓且 向低频区移动；当电子注参数变化时，一阶增长率 曲线从整体上粗略地描述增长率变化趋势， 二阶曲线则更精细地描述增长率相应值的变化．利用软件MAGIC对该结构的色散特性进行了二维模拟，模 拟结果与理论计算值符合 良好． 关键词：介质加载金属光栅，本征函数法，单模近似法，“热”色散方程 PACS：41．60．Cr，52．59．Rz，07．57．Hm DOI：10．7498／aps．63．024101 用 1．9MeV和1．56MeV电子注获得 了在0．1mm和 1 引 言 0．22mm 波长上的S—P自发辐射 9【]_国内中国科学 院高能物理研究所、上海光机所和电子科技大学等 1953年，Smith和Purcell[1】发现，当电子注贴 单位的研究人员也做 出了富有成效的工作 l【0,11】， 近开放的周期性金属光栅表面飞过时，将激励起 中国科学院电子学研究所也在开展相关方 向的研 电磁波 (毫米波远红外波段)辐射，这种现象称为 究．以上研究中，系统的电磁慢波结构多采用刻有 Smith—PurcellfS—P)效应．基于S—P效应建立的绕 周期槽的全金属平板光栅，这种结构热耗散能力 射辐射振荡器 (orotrons)[J和 自由电子激光(S—P 强、功率容量大，但是色散较强． FEL)[3,4]在国外特别是俄罗斯、乌克兰、日本和欧 为了减弱系统的色散，本文在周期金属光栅的 美等国家开展了大量的理论和实验研究 并观 基础上提出一种介质加载金属光栅慢波结构．介质 察到了从3mm到8．3mm的辐射，输出功率从几 加载在矩形波导中已有部分研究[12,13]，但是在基 毫瓦到几十千瓦．1998年，美 国Bakhtyari等 6【J’ 于S—P效应的开放式金属光栅 中加载介质还鲜有 Urata等 [7]利用低能散度、低发射度 的电子注驱动 介绍．本文首先利用本征模法和单模近似法得到了 周期性光栅结构，在实验中观测到了S—P效应的超 介质加载金属光栅周期结构的 “热”色散方程 并由 辐射现象，为S—P辐射的研究提供了新方向，对发 此推导出注一波互作用的一阶增长率和二阶增长率： 展新型的S-PFEL具有重要的意义．这一辐射效 同时，分析了结构参数和电子注参数变化时色散特 应可能成为发展新型紧凑、可调、高功率太赫兹器 性和增长率特性的变化，并利用软件MAGIC对该 件的有效途径Is】．最近，乌克兰和德国科学家利 结构的色散特性进行了模拟，理论值与模拟值符合 国家自然科学基金 (批准号11275004)、国家高技术研究发展计划 (批准号：2012AA8122007A)