有限磁场作用下等离子体加载螺旋线行波管的线性分析

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近年来发现,高功率微波器件在填充等离子体后,其输出功率和互作用效率得到了显著的提高,于是等离子体加载高功率微波器件成为微波电子学领域内国际上最新的一个发展方向。作为仅有的中高功率宽带微波放大器,螺旋线行波管的应用目前是不可取代的,因而国内外学者对等离子体加载螺旋线行波管的研究开始兴起。在已有的理论研究中,为了简化分析,通常都假定器件的外加引导磁场为无限大或者为零。然而,就实际工作情况而言,外加引导磁场总是有限的。因此,对有限磁场作用下等离子体加载螺旋线行波管的理论研究,将会为该类器件的设计和选择适当密度的等离子体提供一些有价值的参考依据。   本文采用严格的线性场论分析法,在螺旋导电面模型下,推导出了有限磁场作用下,等离子体填充螺旋线行波管时电磁场传播所满足的色散方程;并对该色散方程作了详细的讨论,发现该色散方程可以过渡到其它特定条件下的色散方程,其结果与文献中对特定条件下色散方程求解的结果一致,说明该色散方程具有普遍性;同时对该模型下电磁波功率流表达式进行了推导,进而求得波的耦合阻抗。在此基础上,通过大量数值求解对称模式下的“冷”色散方程,详细分析了不同磁场强度作用时,电磁波在不同等离子体密度填充的螺旋线行波管中的色散特性以及电磁波与等离子体的互作用过程,并将有限强引导磁场时的色散特性和无穷大时作了一个比较;同时给出了有限磁场作用下,系统纵向场分布以及在有无等离子体填充的两种不同情况下,耦合阻抗随径向位置的变化关系。此外,通过进一步数值求解“热”腔时的小信号增益,深入研究了相对论电子束的电压和电流、等离子体的密度、外加磁场强度的大小等对螺旋线行波管小信号增益的影响,并分析了电子注与等离子体的互作用过程。最后,采用更为精确的螺旋线导带模型,对填充等离子体的带状螺旋线进行了严格的场分析,利用边界条件得到其色散方程。
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