前沿 | 《相对论返波管导论》出版

高功率微波技术是20世70年代以来逐渐形成并不断完善的前沿学科和技术，涉及脉冲功率技术、高功率粒子束、等离子体物理、物理电子学等学科和技术的交叉。经过近半个世纪的发展，高功率微波技术逐渐由基础研究向工程化应用方向发展。

从高功率微波产生器件诞生至今，国内外研究人员在实现高功率、高效率及脉冲重复频率工作等方面已取得了丰硕成果。例如，在 L～X 波段，微波功率已可达 10GW 水平，转换效率已达到或超过 40%，实现了 100Hz 级的脉冲重复频率工作。作为高功率微波产生器件典型代表的相对论返波振荡器 (简称相对论返波管)，具有高功率、高效率、适合脉冲重复频率工作以及在设计方法上具有较好的拓展性等特点，是最有应用潜力的高功率微波产生器件之一。

图片来源：pixabay

苏联和美国研究人员在 20 世纪 70 年代率先开启了相对论返波管的研究工作。我们从 20 世纪 90 年代中期的对俄引进开始起步，开展该方向的探索研究，先后成功研制了带截止颈相对论返波管、带谐振反射器相对论返波管、低磁场相对论返波管、同轴相对论返波管、速调型相对论返波管和注入牵引锁相相对论返波管等高功率微波产生器件。相对论返波管诞生以来的近半个世纪，研究人员取得了大量的研究成果，国内外几本高功率微波的专著有所涉及，但目前还没有较为系统、全面的专门针对相对论返波管的参考书籍。

《相对论返波管导论》归纳总结了 20 世纪 90 年代以来作者在相对论返波管方面的主要研究结果。

第 1 章介绍国内外高功率微波器件的发展现状和趋势。

第 2～5 章围绕相对论返波管，对环形强流电子束、高频结构电动力学特性和束波相互作用理论等进行介绍。

第 6～7 章结合工程实践，介绍提高相对论返波管转换效率的方法，以及强场击穿与抑制的相关内容。

由于相对论返波管所涉及的物理过程、条件及实际问题的复杂性，如强电磁场与大量带电粒子的非线性相互作用、复杂的电磁场边界条件以及通常难以避免的等离子体等，诸多问题没有理论解析解，只能通过半解析或者数值模拟验证的方式进行研究或说明。本书通过简化的物理模型，获得既明确又有实用价值的结论，希望对从事高功率微波产生，尤其是相对论返波管研究的科研人员和工程技术人员有所帮助，并对其他高功率微波产生器件的研究提供参考。

本文摘编自《相对论返波管导论》一书文前部分，内容有删减，标题为编者所加。

﹀

﹀

﹀

《相对论返波管导论》

陈昌华，刘国治 著

北京：科学出版社，2021.3

ISBN 978-7-03-067192-9

责任编辑：宋无汗

内容简介

《相对论返波管导论》主要介绍国内外高功率微波器件的发展现状和趋势、相对论返波管的环形强流电子束产生与传输、高频结构电动力学特性及束波互作用理论等，并对提高相对论返波管转换效率的方法，以及强场击穿与抑制的相关内容进行讨论；内容涵盖相对论返波管基本概念、历史发展脉络、基础理论和物理规律、数值模拟研究及工程实践等方面。本书是 20 世纪 90年代以来作者在相对论返波管等高功率微波产生方面主要研究成果的归纳总结，还包括国内外的部分相关研究成果。

本书可供高功率微波产生，尤其是相对论返波管等领域的科研人员和工程技术人员参考。

本书目录

前言
第1章 绪论 1
1.1 高功率微波的基本概念 1
1.2 高功率微波器件的研究概况与趋势 8
1.3 高功率微波器件的发展历程 15
1.4 相对论返波管的研究概况 22
参考文献 28
第2章 环形强流相对论电子束 37
2.1 无箔二极管 39
2.1.1 同轴导体区的磁绝缘问题 39
2.1.2 强流相对论电子束空间电荷效应 44
2.1.3 有限磁场约束下环形强流相对论电子束包络问题 51
2.1.4 无箔二极管电压和电流关系 57
2.2 环形强流爆炸发射阴极 60
2.2.1 强流爆炸发射机理 61
2.2.2 引导磁场对环形阴极发射和束流分布的影响 68
2.2.3 阴极微观形貌对发射均匀性的影响 69
2.2.4 阴极寿命 70
2.3 无箔二极管电压电流波瞬态过程 71
2.3.1 简化的无箔二极管系统 71
2.3.2 真空传输区阻抗变化对电压电流波过程的影响 75
2.3.3 阴极启动对电压电流波过程的影响 80
2.4 无箔二极管在RBWO中的应用 82
2.4.1 电子束回流与抑制 82
2.4.2 阴极结构与电子发射控制 83
2.4.3 强引导磁场大小选择依据 84
2.4.4 低引导约束磁场下降低电子束包络的方法 85
2.4.5 加快阴极处电压与电流前沿的一般方法 87
参考文献 88
第3章 慢波结构电动力学特性 90
3.1 无限长慢波结构 91
3.1.1 无限长慢波结构的色散关系 91
3.1.2 无限长慢波结构的空间谐波系数 96
3.1.3 无限长慢波结构内的行驻波场 98
3.2 慢波结构谐振腔 99
3.3 有限长慢波结构 105
3.3.1 有限长慢波结构与圆波导连接边界的反射 105
3.3.2 有限长慢波结构的谐振特性 111
3.4 慢波结构电动力学特性在RBWO中的应用 120
3.4.1 RBWO的耦合阻抗及选择 120
3.4.2 RBWO慢波结构两端连接结构设计 122
3.4.3 RBWO慢波结构谐振与效率的关系 123
参考文献 125
第4章 RBWO的反射结构 126
4.1 截止颈 127
4.2 谐振反射器 130
4.2.1 TM020模谐振反射器 130
4.2.2 TM021模谐振反射器 138
4.2.3 TM0mn高阶模谐振反射器 140
4.3 其他类型的反射器 142
4.3.1 分布式反射器 142
4.3.2 双模反射器 143
4.3.3 周期反馈结构反射器 146
4.4 反射器设计与应用讨论 150
参考文献 151
第5章 RBWO束波相互作用基础理论 153
5.1 束波相互作用的几个基本问题 154
5.1.1 HPM器件中微波辐射机制 154
5.1.2 电子束模式与快慢空间电荷波 159
5.1.3 单粒子轨道动力论与射频电流表达式 164
5.1.4 RBWO中电磁波的传播与能流 168
5.1.5 RBWO的超辐射机制 169
5.2 束波相互作用小信号理论概述 170
5.2.1 线性理论和微波频率预测 172
5.2.2 非线性理论 174
5.3 相对论电子束强场调制理论 181
5.3.1 非相对论电子束的小信号调制理论简述 181
5.3.2 相对论电子束的强场调制 184
5.3.3 相对论电子束强场调制下的射频电流 186
5.3.4 空间电荷场对相对论电子束强场调制的影响 189
5.4 RBWO的饱和机制 191
5.4.1 RBWO的输出饱和过程物理图像 191
5.4.2 RBWO束波相互作用区总长度 193
5.4.3 RBWO的最佳工作电压 194
5.4.4 RBWO饱和时电子相空间图 194
5.5 回旋共振吸收 196
5.6 RBWO中模式竞争及抑制 198
5.6.1 模式竞争表现形式 198
5.6.2 模式竞争抑制方法 202
参考文献 206
第6章 提高RBWO微波转换效率的方法 208
6.1 概述 208
6.2 改善电子束调制 211
6.2.1 慢波结构起始端结构对电子束调制的影响 211
6.2.2 慢波结构末端反射参数对电子束调制的影响 212
6.2.3 电子束的两级或多级调制 213
6.2.4 阴极初始发射电子束预调制 216
6.3 改善射频电流与电场的相位配合 218
6.3.1 Ldr的规律及优化准则 218
6.3.2 慢波结构周期个数优选 223
6.3.3 非均匀慢波结构 224
6.3.4 控制谐振反射器的调制电场强度 226
6.4 增加集中式渡越辐射 227
参考文献 229
第7章 RBWO强场击穿与抑制 231
7.1 RBWO强场击穿现象与规律 232
7.1.1 RBWO强场击穿现象 232
7.1.2 强场击穿与微波频率的关联性 239
7.1.3 强场击穿与脉冲宽度的关联性 240
7.1.4 老练的影响 241
7.2 强场击穿机理和规律的早期认识 241
7.2.1 高能加速器中强场击穿机理和规律 241
7.2.2 RBWO强场击穿机理和规律 244
7.3 RBWO强场击穿机理 247
7.3.1 强流相对论电子束与材料相互作用 247
7.3.2 RBWO腔壁强场击穿损伤机理 251
7.3.3 微波腔壁电子发射的电流密度 258
7.3.4 RBWO强场击穿研究平台 260
7.3.5 阴极、收集极等离子体运动及其影响 262
7.3.6 慢波结构强场区击穿等离子体运动及其影响 267
7.4 RBWO强场击穿与抑制方法 269
7.4.1 高频结构改进抑制强场击穿 269
7.4.2 采用耐受电子束轰击的材料抑制强场击穿 271
7.4.3 高频结构处理工艺的影响 271
参考文献 272
彩图

（本文编辑： 王芳）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品味

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学