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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流新型毫米波器件太赫兹回旋管的现状与发展.精品文档.新型毫米波器件太赫兹回旋管的现状与发展刘三星（南京航空航天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Situation and development of the new millimeter-wave devices terahertz
2、 gyrotronLiu Sanxing(Electronics and Information Engineering of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016)Abstract：The gyrotron (CRM) is a new type of millimeter-wave devices. Which take advantage of the most widely used is the terahertz gyrotron. This article briefly describ
3、es the structure and the basic principles of gyrotron reviewed domestic and foreign terahertz gyrotron development status and trends, and also pointed out that some of the key issues in the development process and recommendations.Keywords: Gyrotron Terahertz Gyrotron Millimeter wave High power1 引言TH
4、z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 70 GHz170 GHz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
5、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 (NMR)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
6、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 sc + KzVz式中,为振荡频率;c为回旋频率;Kz=为纵向传播常数, k =/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与还满足如下的
7、色散关系。C Kz +C Kmn 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X m n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2 3 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 1960年前
8、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 100170 GHz、 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、 俄罗斯和日本。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
9、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加工 (NT M)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6。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
10、;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7。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
11、,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 ,
12、就很难保证它们的加工及装配精度。同时腔体的减小使腔体内壁上的单位面积热负荷增加 ,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8
13、 9。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
14、耗 ,但氧化铍粉具有毒性 ,加工困难;氧化铝瓷 (Al 2O3 )具有机械性能好、 耐高温、 易加工、 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 ,加工困难;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 ,但价格昂贵。CVD金刚石
15、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。参考文献 1 刘盛纲. 太赫兹科学技术的新发展 J . 中国基础科学 , 2006 (1) : 72 12 . 2 CHU K R
16、. The Electr on Cycl otr on Maser J . Rev . Mod2ern Phys . 2004, 76: 4892 540 . 3 HONG K, BRAND F, I DEHARA T . A 150600 GHzStep2tunable Gyr otr on J . J . App l . Phys . , 1993, 74 ( 8) :5 2502 5 258 . 4 BRAT MAN V, G LYAV I N M, et al . Review of Subterahertzand Terahertz Gyrodevices at I AP RAS a
17、nd F I R FU J .IEEE Trans . Plasma Sci . , 2009, 37 (1) : 362 43 . 5 GLY AV I N M,LUCH I N I N A,MANU I LOV V, et al . Designof a Subterahertz, Third2 har monic, Continuous2 wave Gyr o2tron J . IEEE Trans . Plas ma Sci . , 2008, 36 ( 6 ) : 5912596 . 6 SH I MOZ UMA T, KIK UNAGA T, S AT O N, et al . D
18、esignand the First Experi ment of a 1 THz Gyr otron C . Pr oc .IEEE I VEC, 1993: 3752 378 . 7 DAMMERTZ G,BOR IE E, I ATROU C T, et al . 140 GHzGyr otr on with Multi megawatt Out put Power J . IEEETrans . Plasma Sci . , 2000, 28 (3) : 5612 566 . 8 ADVAN I R,HOGGE J P, KREISCHER K E, et al . Ex peri2m
19、ental I nvestigati on of a 140 GHz Coaxial Gyrotron Oscil2lat or J . IEEE Trans . Plas ma Sci . , 2001, 29 (6) : 9432 950 . 9 DAMMERTZ G,ALBERTI S,ARNOLD A, et al . Devel op2ment of a 140 GHz 1MW Continuo2 UsWave Gyr otr on fortheW72 X Stellarat or J . IEEE Trans . Plasma Sci . , 2002,30 (3) : 8082 818 .10 LUCE T C. App licati ons of High2 PowerMilli meterWavesin Fusi on Energy Research J . IEEE Trans . Plas ma Sci . ,2002, 30 (3) : 7342 754 .