Smith-Purcell辐射效应若干问题的研究

史密斯-帕塞尔(简称SP)超辐射效应是一种潜在的性能良好的短毫米波段大功率辐射源。目前,关于这一辐射效应的产生机制的理论尚处于发展中。文章将深入探讨、论证可能引发超辐射效应的物理过程,并在此基础上研究在计算机仿真模拟和实验中调节、控制超辐射效应的有效方法。本文采用的基本研究方法是基于MAGIC软件的粒子仿真模拟。模拟中所使用的仿真模型在物理结构上与Dartmouth实验十分接近。通过观察辐射场的等势图、分析辐射的频域特性和时域特性对由Andrews和Brau等人提出的注-波互作用机制和SP相干辐射理论进行了检验。研究表明,超辐射效应产生的必要条件是在具有周期结构的金属光栅上表面形成适当能量和频率的群聚电子束团。在超辐射效应中,这些群聚的电子束团会激发包括表面波辐射、intrabunch辐射和SP相干辐射(interbunch radiation)在内的三种辐射波。其中,SP相干辐射为Dartmouth实验中超辐射效应的主要成分。作者对上述三种辐射分别进行了细致的仿真研究,并在此基础上探讨了几种影响超辐射效应中辐射场能量在频域和空间中分布的重要因素。文章的主要创新点在于:1)提出了SP相干辐射的频域辐射禁区的概念。利用这一概念,可以比以往更加精确地模拟intrabunch辐射的频域特性。2)研究了光栅长度的有限性和栅板尺寸对SP相干辐射的影响。研究表明,光栅长度的有限性将导致在一定方向内SP相干辐射无法正常产生。同时,在一定的栅板深度下,SP相干辐射很弱,这些都有可能是导致超辐射效应实验至今没有被重复的原因。3)提出了一种新型的光栅结构,这种结构有效地提高了辐射源的可靠性。作者发现,在这种新结构下,intrabunch辐射可成为超辐射效应的主要成分,并由此获得在辐射的方向性上更利于仪器设计的新的频率可调辐射源。