强激光与粒子束

作者：杨温渊, 董志伟, 董烨, 周前红,

关键词：等离子体相对论微波发生器, 慢等离子体波, 色散特性, 场分布, 粒子模拟,

等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出，同时又具有良好的频率可调谐性，因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区，工作模式为慢等离子体波TM01模（下称P-TM01模）。P-TM01模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM01模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析，获得等离子体束密度np、径向厚度Δrp和径向位置rp以及外加引导磁场强度Bz和波导半径rw等参数对P-TM01模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内，np 和Δrp的变化对色散特性影响较大，rp，Bz和rw的变化对色散特性影响较小。值得关注的是，由于波导中环形等离子体束的存在，随着波导半径rw的增加，相同纵向波数kz对应的P-TM01模的频率没有降低而是略有提高。因此，在实际应用时，可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量；适当降低磁场，则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM01模的纵向电场的方向不随径向位置变化，径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反，外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。（3）主要物理参数变化时，场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和kz相应增加，电场能量向等离子体束收拢，不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行，束波互作用的共振点最好落在kz相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。

来源：2024年第4期

《强激光与粒子束》期刊编辑部

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