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1、中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生参考书：参考书：S S。Y Y。利奥著，。利奥著，微波器件与电路微波器件与电路，科学出版社，科学出版社，19871987杨祥林等编著，杨祥林等编著，微波器件原理微波器件原理，电，电子工业出版社，子工业出版社，19941994中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese A
2、cademy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生1.1.19211921年发明磁控管年发明磁控管促进了第二次世界促进了第二次世界大战雷达的出现大战雷达的出现, , 改变了战争的局势改变了战争的局势2.2.19391939年发明速调管年发明速调管高增益、高效率、高增益、高效率、高功率高功率3.3.19441944年发明螺旋线行波管年发明螺旋线行波管宽频带宽频带4.4.19671967年发明回旋管年发明回旋管高频率、大功率高频率、大功率5.5.雷达、通讯、制导、电子对抗、加速器、雷达、通讯、制导、电
3、子对抗、加速器、微波加热、射电天文观察微波加热、射电天文观察中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管（速度调制和电流调制）速调管（速度调制和电流调制）从阴极发射的所有电子以均匀速度到达第一腔，在间隙从阴极发射的所有电子以均匀速度到达第一腔，在间隙电压（或信号电压）为零时通过第一腔间隙的电子速度电压（或信号电压）为零时通过第一腔间隙的电子速度不变。在腔间隙电压
4、正半周通过的电子速度加快。在腔不变。在腔间隙电压正半周通过的电子速度加快。在腔间隙电压负半周通过的电子速度减慢。这样的作用使电间隙电压负半周通过的电子速度减慢。这样的作用使电子在漂移过程中逐渐产生群聚。子在漂移过程中逐渐产生群聚。漂移空间电子速度的变漂移空间电子速度的变化化速度调制。在第二腔缝隙处电子密度随时间周期地速度调制。在第二腔缝隙处电子密度随时间周期地变化。电子注包含有交变分量变化。电子注包含有交变分量电流调制电流调制。电子注应该。电子注应该在第二腔间隙的中间达到最大群聚并处于在第二腔间隙的中间达到最大群聚并处于减速相位减速相位，于，于是电子的动能便转变为第二腔的是电子的动能便转变为第
5、二腔的微波场能微波场能。从第二腔出。从第二腔出来而来而被减速了的电子最后终止在收集极上被减速了的电子最后终止在收集极上。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相
6、互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管靠近阴极的腔体称为输入腔或者群聚腔，它使电子注靠近阴极的腔体称为输入腔或者群聚腔，它使电子注产产生速度调制生速度调制，另一腔称为输出腔，它将群聚电子注的能，另一腔称为输出腔，它将群聚电子注的能量量转换为微波能量转换为微波能量。1 1）假定电子注横截面上密度均匀）假定电子注横截面上密度均匀2 2）忽略空间电荷效应）忽略空间电荷效应3 3）假定输入的微波信号幅度远小于直流加速电压）假定输入的微波信号幅度远小于直流加速电压 速度调制过程速度调制过程电电子子注注进进入入群群聚聚腔腔前前首首先先被被直直流流高高
7、压压加加速速，其其速速度度是是均均匀的匀的 (7.1)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 速度调制过程速度调制过程微波信号加到输入腔上，群聚间隙电压为：微波信号加到输入腔上，群聚间隙电压为： (7.2)式中式中V V1 1是信号的振幅，并假设是信号的振幅，并假设通过输入腔间隙距离通过输入腔间隙距离d d的平均渡的平均渡越时间为越时间为 平均间隙渡
8、越角可表示为平均间隙渡越角可表示为 (7.3) (7.4)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 速度调制过程速度调制过程群聚间隙的平均微波电压可以用下式得到群聚间隙的平均微波电压可以用下式得到 令：令： 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Scienc
9、e第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 速度调制过程速度调制过程定义定义 i i为：为： (7.5) i i称为输入腔的电子注耦合系数。间隙渡越角增加，电称为输入腔的电子注耦合系数。间隙渡越角增加，电子注与群聚腔之间的耦合则下降。子注与群聚腔之间的耦合则下降。(7.6)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Elect
10、ronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 速度调制过程速度调制过程在速度调制后，立即可以得到群聚腔出口处的电子速在速度调制后，立即可以得到群聚腔出口处的电子速度为度为 称为速度称为速度调制深度调制深度。当。当 ，(7.7)(7.8)调制深度不仅和信号电压有关调制深度不仅和信号电压有关, 而且与而且与耦合系数耦合系数 i i成正比成正比中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, C
11、hinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 速度调制效应使电子注产生群聚速度调制效应使电子注产生群聚或者电流调制。在或者电流调制。在 时通过时通过群聚腔的电子以不变的速度群聚腔的电子以不变的速度v v0 0行行进并成为群聚中心，在输入微波进并成为群聚中心，在输入微波电压的正半周通过群聚腔的电子电压的正半周通过群聚腔的电子行进得比在行进得比在 时通过缝隙的时通过缝隙的电子快些，在电压电子快些，在电压V Vs s的负半周通的负半周通过群
12、聚腔的电子则慢些。在沿着过群聚腔的电子则慢些。在沿着电子注路径上离开群聚腔一个的电子注路径上离开群聚腔一个的距离上，漂移后密集起来的电子距离上，漂移后密集起来的电子注便形成一群一群的。注便形成一群一群的。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 对对t tb b时刻的电子来说，从群聚间隙到电子密度群聚位置的时刻的电子来说，从群聚间隙
13、到电子密度群聚位置的距离为距离为 对于对于t ta a和和t tc c时刻的电子而言，距离分别是时刻的电子而言，距离分别是 (7.9)(7.10)(7.11)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 (7.12)(7.13)(7.14)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Ch
14、inese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 在时刻在时刻t ta a,t tb b,t tc的电子经过距离的电子经过距离 L后相遇的必要条件是后相遇的必要条件是:(7.15)(7.16)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chin
15、ese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 为达到最大程度的群聚，输入腔和输出腔间的空间应取多为达到最大程度的群聚，输入腔和输出腔间的空间应取多大呢？漂移区无电场，一个电子行进距离大呢？漂移区无电场，一个电子行进距离L L的的渡越时间渡越时间 是是直流渡越时间直流渡越时间，是是直流渡越角直流渡越角，N为漂移空间渡越周期数，为漂移空间渡越周期数，速调管速调管群聚参量群聚参量(7.17)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Instit
16、ute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 在输入腔间隙处，时间间隔在输入腔间隙处，时间间隔dtdt0 0内通过的电荷为内通过的电荷为 根据电荷守恒原理，也有相同数量的电荷在稍后些的时根据电荷守恒原理，也有相同数量的电荷在稍后些的时间间隔间间隔dtdt2 2内通过输出腔，有内通过输出腔，有 (7.19)(7.18)由由(7.17)有有中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institu
17、te of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 对（对（7.19）微分可得：）微分可得：到达输出腔的群聚电流可以表示为到达输出腔的群聚电流可以表示为 (7.20)(7.21)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微
18、波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 用用t2表示时电流为表示时电流为(7.22)(7.23)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 输出腔处的
19、电子注电流是周期性波形，周期为输出腔处的电子注电流是周期性波形，周期为2 2 / / ，可将电流展开为傅立叶级数可将电流展开为傅立叶级数 (7.24)(7.25a)(7.25b)(7.25c)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 输出腔处注电流的基波分量幅值是输出腔处注电流的基波分量幅值是 当当X=1.841时时基基波波分分量量具
20、具有有最最大大幅幅值值, 最最大大基基波波分分量量下下的最佳群聚距离为的最佳群聚距离为 (7.28)(7.26)(7.27)已知已知中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 群聚过程群聚过程 有趣的是由式有趣的是由式(7.16)(7.16) L L给出的距离比给出的距离比L Loptimumoptimum给出给出的结果小的结果小15%15%，该差异首先
21、是由于推导，该差异首先是由于推导 L L时所做时所做的近似，其次是由于电子注中存在高次谐波分量，的近似，其次是由于电子注中存在高次谐波分量，其最大基波电流分量与最大电子密度沿轴向分布其最大基波电流分量与最大电子密度沿轴向分布并不一致。并不一致。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 输出功率和电子注负载输出功率和电子注负载 速调管速调管: : 最大
22、群聚出现在输出腔间隙中间附近，当群最大群聚出现在输出腔间隙中间附近，当群聚电子注在减速相位下通过间隙时，其动能转变成输聚电子注在减速相位下通过间隙时，其动能转变成输出腔的高频场能量，从输出腔出来的电子速度已减慢，出腔的高频场能量，从输出腔出来的电子速度已减慢，最后由收集极所收集。最后由收集极所收集。 输出腔中的感应电流输出腔中的感应电流( (基波分量基波分量) ) 0是输出腔间隙电子注耦合系数是输出腔间隙电子注耦合系数.(7.29)(7.30)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七
23、章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 输出功率和电子注负载输出功率和电子注负载 输出功率输出功率(7.31)R Rshsh是输出腔总的等效并联是输出腔总的等效并联电阻电阻(R(Rshosho输出腔电阻输出腔电阻,R,RB B电子注负载电子注负载,R,RL L外加负载外加负载电阻电阻) )，V V2 2是输出腔缝隙是输出腔缝隙电压基波分量。电压基波分量。 Rsh中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sci
24、ence第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 输出功率和电子注负载输出功率和电子注负载 速调管效率速调管效率 速调管放大器的跨导速调管放大器的跨导 速速调调管管放放大大器器的的等等效效跨跨导导可可定定义义为为输输出出感感应应电电流流I I2ind2ind与与输入电压输入电压V V1 1的比值，即的比值，即(7.32)(7.33)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与
25、物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 输出功率和电子注负载输出功率和电子注负载输入电压可用群聚参数表示为输入电压可用群聚参数表示为 (7.34)(7.35) 为为直直流流电电子子注注电电导导。跨跨导导不不是是一一个个常常数数，而而是是随随群群聚聚参参量量的的增增加加而而减减小小。小小信信号号下下，归归一一化化跨跨导导最最大大，等于等于 (7.36)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与
26、物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.1 速调管速调管 输出功率和电子注负载输出功率和电子注负载在在 最大输出时，归一化跨导是最大输出时，归一化跨导是 速调管放大器的电压增益速调管放大器的电压增益(7.37)(7.38)Gm中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science同速调管中的现象一样，行波管也是由速度调制转同速调管中的现象一样，行波管也是由速度调制转变成电流调制，在电路上感应出射频电流引起放大。变成电流调制，在电路上感应出射
27、频电流引起放大。行波管与速调管存在着一些重要差别：行波管与速调管存在着一些重要差别：1 1）行行波波管管中中，电电子子注注和和高高频频场场的的互互作作用用在在整整个个电电路路长长度度内内是是连连续续的的；在在速速调调管管中中，互互作作用用只只在在n n个个谐谐振振腔隙处发生。腔隙处发生。2 2）行行波波管管中中有有一一个个正正在在传传播播的的波波，速速调调管管则则不不是是( (谐振作用谐振作用驻波）。驻波）。3 3）在耦合腔行波管中，每个腔间都有耦合，在速调在耦合腔行波管中，每个腔间都有耦合，在速调管中，每个谐振腔都是独立工作的。管中，每个谐振腔都是独立工作的。 第七章第七章 微波与物质相互作
28、用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）螺旋线行波管组成：螺旋线行波管组成：一个电子注和一个螺旋慢波结构一个电子注和一个螺旋慢波结构电子注电子注: :由一个沿着它本身和慢波结构的由一个沿
29、着它本身和慢波结构的均匀磁场聚焦约束朝前行进均匀磁场聚焦约束朝前行进微波信号：微波信号：沿着旋转的螺旋线传播并在螺旋线的中心产生一个沿着旋转的螺旋线传播并在螺旋线的中心产生一个轴向轴向电场电场轴向电场：轴向电场：行进的速度近似等于光速乘以螺距与螺旋线周长之比。行进的速度近似等于光速乘以螺距与螺旋线周长之比。相互作用：相互作用：运动的轴向电场与运动的轴向电子间发生互作用。平均运动的轴向电场与运动的轴向电子间发生互作用。平均说来是电子将能量转移到螺旋线的高频场中去了，使螺旋线上的信说来是电子将能量转移到螺旋线的高频场中去了，使螺旋线上的信号变得更大。号变得更大。微波信号的放大：微波信号的放大：电子
30、在行进过程中有的得到加速，有的电子受到电子在行进过程中有的得到加速，有的电子受到减速（调制、群聚、放大），当电子进一步行进到收集极端，群聚减速（调制、群聚、放大），当电子进一步行进到收集极端，群聚中心所有电子均遇到较强的减速场中心所有电子均遇到较强的减速场( (降压收集极回收能量降压收集极回收能量) )中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science高频输入高频输入螺旋线行波管原理简图螺旋线行波管原理简图中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics
31、, Chinese Academy of Science螺旋线行波管简化电路螺旋线行波管简化电路中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）1.互作用过程互作用过程慢波线上慢波线上基波基波的每周相移是的每周相移是 0 0是平均速度下电子注的相位常数，是平均速度下电子注的相位常数，而而P P是周期或者螺距是周期或者螺距.电子的直
32、流渡越时间为：电子的直流渡越时间为： 第第n n次空间谐波次空间谐波的相位常数则为的相位常数则为 (7.39)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）1.互作用过程互作用过程轴向空间谐波的相速与电子注速度同步轴向空间谐波的相速与电子注速度同步 (7.40)电子的电子的直流速度稍高于轴向波速直流速度稍高于轴向波速，处于减速场
33、中的电子，处于减速场中的电子就比处于加速场中的电子更多，大量的能量便从电子注就比处于加速场中的电子更多，大量的能量便从电子注中转移到电磁场中去。外加轴向磁场阻止电子注径向扩中转移到电磁场中去。外加轴向磁场阻止电子注径向扩散。螺旋线散。螺旋线中心设有衰减器中心设有衰减器使所有沿螺旋线行进的波减使所有沿螺旋线行进的波减小到接近于零，防止来自失配小到接近于零，防止来自失配负载的反射波负载的反射波到达输入段到达输入段和引起振荡。衰减器后面，群聚和引起振荡。衰减器后面，群聚电子注感应电子注感应出相同频率出相同频率的新电磁场在螺旋线上感应出新的放大了的微波信号。的新电磁场在螺旋线上感应出新的放大了的微波信
34、号。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）1.互作用过程互作用过程螺旋线行波管中电子的运动状态可借助于轴向电场定量螺旋线行波管中电子的运动状态可借助于轴向电场定量的进行分析
35、的进行分析 （7.41 ）设电子速度为设电子速度为 (7.42)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）1.互作用过程互作用过程 e、 e、 e分别是分别是速度调制电子注中速度波动的角频率，速度调制电子注中速度波动的角频率，速度波动的辐值，速度波动的初相位速度波动的辐值，速度波动的初相位(7.43)(7.44)电子注速度波
36、动的辐值正比于轴向电场的辐值。电子注速度波动的辐值正比于轴向电场的辐值。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science轴向电场轴向电场在电子注中感应在电子注中感应群聚群聚电流电流；电子注电子注产生产生轴向电场轴向电场。电子注速度，电荷密度，电流密度和轴向电场能表为：电子注速度，电荷密度，电流密度和轴向电场能表为：第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）2.2.群聚电
37、流群聚电流( (场对电子注的作用场对电子注的作用) )(取一阶取一阶)(7.46a)(7.46b)(7.46c)(7.46d)(7.47)电流在负电流在负z方方向取正值向取正值中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）2.2.群聚电流群聚电流(7.48)(7.49)(7.50)(7.51)用用 0取代取代中国科学院电子学研究
38、所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）2.2.群聚电流群聚电流将将(7.49)和和(7.51)代入代入(7.52)电子注中的电子注中的群聚群聚电流电流表示为表示为(7.53)(电子方程电子方程)(7.53)(7.53)确定了电子束确定了电子束群聚电流群聚电流怎样受螺旋慢波线怎样受螺旋慢波线轴向电场轴向电场的影响。的影响。场对电子注的影响场对
39、电子注的影响中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）3.3.轴向电场轴向电场( (电子注对场的影响电子注对场的影响)轴向电场轴向电场电子注中的电子注中的群聚电流群聚电流在慢波电路中感应出一在慢波电路中感应出一个个电场电场。该感应电场叠加到线路中已存在的电场上并使。该感应电场叠加到线路中已存在的电场上并使线路功率随距离的延长
40、而增加。线路功率随距离的延长而增加。 无无损损分分布布传传输输线线表表示示慢慢波波螺旋线，参量定义如下螺旋线，参量定义如下L=L=单位长电感单位长电感C=C=单位长电容单位长电容I=I=传输线上的交流电流传输线上的交流电流V=V=传输线上的交流电压传输线上的交流电压i=i=群聚电流群聚电流 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWT
41、TWT）3.3.轴向电场轴向电场传输线电流与群聚电流之间有耦合传输线电流与群聚电流之间有耦合. .这种耦这种耦合引起群聚电流和传输线电流的变化。进入合引起群聚电流和传输线电流的变化。进入dz之前群聚电流为之前群聚电流为i，而流出，而流出dz的群聚电流的群聚电流为为i+di。因在长度。因在长度dz内群聚电流的净变化必内群聚电流的净变化必需为零，故从电子注流进传输线的电流必为需为零，故从电子注流进传输线的电流必为- -di，应用传输线理论和对电子注用克希荷，应用传输线理论和对电子注用克希荷夫（夫（KirchhoffKirchhoff）电流定律）电流定律, ,有有 于是于是(7.54a)(7.54b
42、)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）3.3.轴向电场轴向电场由克希荷夫电压定律由克希荷夫电压定律: :(7.55a)(7.55b)消除消除(7.54b)和和(7.55b)中中I, 有有(7.56)无耦合无耦合(i=0)传播常数传播常数 0为为 (7.57)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute
43、 of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）3.3.轴向电场轴向电场特性阻抗特性阻抗:(7.58)存在存在群聚群聚电流电流 i 时时, 传输线电压为传输线电压为(7.59)轴向电场轴向电场( (电路方程电路方程) ) (7.60)(7.60)(7.60)确定了慢波螺旋线的确定了慢波螺旋线的轴向电场轴向电场是怎样受到是怎样受到群群聚电流聚电流的影响。的影响。 中国科学院电子学研究所中国科学
44、院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）4.4.波的模式波的模式 行波管中波的模式可由联立求解行波管中波的模式可由联立求解电子方程电子方程和和电路方程电路方程所得的传播常数来确定所得的传播常数来确定( (本征值问题本征值问题) )。传播常数的每。传播常数的每一个解代表一个行波模式，传播常数有四个不同的解。一个解代表一个行波模式，传播常数有四个不同的解。
45、表示在表示在O O型行波管中有四个行波模式。型行波管中有四个行波模式。 (7.61)令电子注令电子注直流速度直流速度等于等于行波轴向相速行波轴向相速可求得近似解，可求得近似解，这相当于令这相当于令 (7.62)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science(7.61a)已假设已假设: : 代入代入(7.61a)(7.61a)第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）4.
46、4.波的模式波的模式 (7.61)变为变为:有三个相应于有三个相应于 的前向波和一个相应于的前向波和一个相应于 的返向的返向波。令三个前向波的传播常数为波。令三个前向波的传播常数为 前向波前向波反向波反向波中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）4.4.波的模式波的模式 (7.63)(7.63a)(7.63b)(7.63c
47、)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）4.4.波的模式波的模式 对应返波的第四个根对应返波的第四个根 (7.64)利用利用(7.61a)(7.61a)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物
48、质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）4.4.波的模式波的模式 相应于相应于 1 1的波是前向波，其振幅随距离呈指数增长；相的波是前向波，其振幅随距离呈指数增长；相应于应于 2 2的波也是前向波，其振幅随距离呈指数衰减；相的波也是前向波，其振幅随距离呈指数衰减；相应于应于 3 3的波也是个前向波，但其振幅保持不变；而相应的波也是个前向波，但其振幅保持不变；而相应于于 4 4的第四个波是返向波，其振幅不变。的第四个波是返向波，其振幅不变。增长波相速稍增长波相速稍低于电子注的速度低于电子注的
49、速度，能量就是从电子注流到这个波中去，能量就是从电子注流到这个波中去的。的。衰减波的相速与增长波的相同衰减波的相速与增长波的相同，但能量是从该波流，但能量是从该波流到电子注中去的。到电子注中去的。等辐波的传播速度稍高于电子注速度等辐波的传播速度稍高于电子注速度，两者之间没有能量交换，两者之间没有能量交换，返波以稍高于电子注的速度返波以稍高于电子注的速度沿沿负负z z方向传播方向传播( (因典型的因典型的C C值约值约0.02)0.02)。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第
50、七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）5.5.增益考虑增益考虑 为简单起见，假设慢波线是完全匹配的，不存在返向为简单起见，假设慢波线是完全匹配的，不存在返向行进的波，总的线路电压将是相应于三个前向行波电行进的波，总的线路电压将是相应于三个前向行波电压之和，即为下述等式：压之和，即为下述等式： (7.65)(7.66)(7.67)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science
51、第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）5.5.增益考虑增益考虑 为确定增长波的放大量，输入参考点设在为确定增长波的放大量，输入参考点设在z=0z=0处而输出处而输出参考点取在参考点取在z=z=l 处。在处。在z=0z=0处处 （7.68）（7.69）（7.70）(7.71)初始群聚为零初始群聚为零初始调制速度为零初始调制速度为零中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sci
52、ence第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）5.5.增益考虑增益考虑 沿电路的总电压中将以增长波为主。只要慢波结构的沿电路的总电压中将以增长波为主。只要慢波结构的长度足长度足 l 够大，输出电压就将仅等于增长波电压。够大，输出电压就将仅等于增长波电压。 (7.72) e el习惯上写成习惯上写成2 2 N N，是电路的电子波长数，是电路的电子波长数, ,即即 输出电压的振幅输出电压的振幅 (7.73)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute
53、of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.2 螺旋线行波管（螺旋线行波管（TWTTWT）5.5.增益考虑增益考虑 输出功率增益以分贝数表示为：输出功率增益以分贝数表示为： (7.74)输出功率增益在线路的输入端有输出功率增益在线路的输入端有9.54dB9.54dB的初始损耗。的初始损耗。这个损耗的原因是输入电压分成了三个辐值相等的这个损耗的原因是输入电压分成了三个辐值相等的波，而波，而增长波只为总输入电压的三分之一增长波只为总输入电
54、压的三分之一。功率增。功率增益正比于慢波结构的电子波长数益正比于慢波结构的电子波长数N N和增益参量和增益参量C C。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（GyrotronGyrotron）1.1.概述概述1)传统大功率真空微波电子器件互作用空间横向尺寸传统大功率真空微波电子器件互作用空间横向尺寸小于自由空间波长小于自由空间波长2)频率提高，几
55、何尺寸缩小，功率容量下降，系统损频率提高，几何尺寸缩小，功率容量下降，系统损耗增加，热耗散的平衡困难，极间高频或直流打火耗增加，热耗散的平衡困难，极间高频或直流打火增加，元件加工困难增加，元件加工困难3)毫米波频谱资源的开发利用（方向性，分辨率，频毫米波频谱资源的开发利用（方向性，分辨率，频带）带）4)传统器件的局限，新机理的探索传统器件的局限，新机理的探索中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作
56、用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（GyrotronGyrotron）1.1.概述概述19581958年，澳大利亚天文学家特韦斯年，澳大利亚天文学家特韦斯(R.Q.Twiss)(R.Q.Twiss)首先提首先提出了自由电子回旋谐振受激辐射的机理；差不多同一出了自由电子回旋谐振受激辐射的机理；差不多同一时间，苏联学者卡帕诺夫（时间，苏联学者卡帕诺夫（GaponovGaponov）也提出了利用相）也提出了利用相对论电子注与电磁波相互作用的新原理；对论电子注与电磁波相互作用的新原理；19641964年，美年，美国的赫西菲尔德国的赫西菲尔德(J.L.Hirshfield)(J.L.Hir
57、shfield)以实验方式证实了以实验方式证实了上述机理的正确性，并称之为电子回旋脉塞上述机理的正确性，并称之为电子回旋脉塞(ECM)(ECM)。 当电磁波频率等于电子在磁场中的回旋频率时当电磁波频率等于电子在磁场中的回旋频率时电子与场之间无净的能量交换，而当电子与场之间无净的能量交换，而当 电子吸收场能，当电子吸收场能，当电子交出净能量。实验与电子交出净能量。实验与理论有很好的一致。理论有很好的一致。中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互
58、作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（GyrotronGyrotron）2.2.相对论电子在恒定磁场中的运动相对论电子在恒定磁场中的运动(7.75)(7.76a)(7.76b)(7.76c)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（GyrotronGyrotron）2.2.相对论电子在恒定磁场
59、中的运动相对论电子在恒定磁场中的运动电子的横向电子的横向运动是以运动是以回回旋频率旋频率 c旋旋转的圆转的圆, 相关相关于相对论因于相对论因子子. 电子的轴电子的轴向速度保持向速度保持恒定恒定, 电子运电子运动轨迹是一动轨迹是一螺旋线螺旋线(7.77a)(7.77b)(7.77c)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（GyrotronGyrotr
60、on）2.2.回旋电子受激辐射机理回旋电子受激辐射机理电子在外加磁场电子在外加磁场B0作用下的回旋频率和回旋半径分别为作用下的回旋频率和回旋半径分别为当电子横向速度增加时当电子横向速度增加时, 回旋半径增加回旋半径增加, 回旋频率不变回旋频率不变.如果电子的速度接近光速（如果电子的速度接近光速（相对论效应相对论效应）, 回旋频率为回旋频率为:当电子横向速度增加时当电子横向速度增加时, 相对论因子相对论因子 增加增加,回旋频率下回旋频率下降降, 回旋半径增加回旋半径增加;当电子横向速度减小时当电子横向速度减小时, 相对论因子相对论因子 减小减小,回旋频率上升回旋频率上升, 回旋半径减小回旋半径减
61、小.(7.78)(7.79)( (无相对论效应无相对论效应) )中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science1号电子减速号电子减速,相对论因子相对论因子 减小减小,回旋频率上升回旋频率上升, 回旋半回旋半径减小径减小,位于位于原轨道的内侧原轨道的内侧; 2号电子加速号电子加速,相对论因子相对论因子 增加增加,回旋频率下降回旋频率下降, 回旋半径增大回旋半径增大,位于位于原轨道的外侧原轨道的外侧.群聚群聚中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronic
62、s, Chinese Academy of Science1 1号电子不受力，号电子不受力，2 2号被减速，号被减速，3 3号被加速号被加速无相对论效应无相对论效应有相对论效应有相对论效应中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（GyrotronGyrotron）2.2.回旋电子受激辐射机理回旋电子受激辐射机理条件条件: 电子回旋频率等于波场的角频率
63、电子回旋频率等于波场的角频率: = c1号电子在作回旋运动时所处的相位号电子在作回旋运动时所处的相位不受高频场的作用不受高频场的作用2号电子处于减速相位上号电子处于减速相位上, 失去能量失去能量, 回旋频率增加回旋频率增加,回旋回旋半径减小半径减小,相位追上相位追上1号电子号电子3号电子处于加速相位上号电子处于加速相位上, 获得能量获得能量, 回旋频率减小回旋频率减小,回旋回旋半径增加半径增加,相位落后而接近相位落后而接近1号电子号电子1号电子成为群聚中心号电子成为群聚中心,三个电子总的来说与场之间无净三个电子总的来说与场之间无净能量交换能量交换中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所In
64、stitute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）2.2.回旋电子受激辐射机理回旋电子受激辐射机理如果如果c, 角向群聚电子块整体向减速场中移动角向群聚电子块整体向减速场中移动,使电使电子受到的减速作用多于加速作用子受到的减速作用多于加速作用, 出现电子整体将能量出现电子整体将能量交给场交给场, 这便提供产生自激振荡的条件这便提供产生自激振荡的条件.角向群聚源于相对论效应角向群聚源于相对
65、论效应电子回旋脉塞不稳定性电子回旋脉塞不稳定性电子束色散特性电子束色散特性:如果如果kz0, 相同频率相同频率, 高次回旋谐波需要的工作磁场比基波工作低高次回旋谐波需要的工作磁场比基波工作低s倍倍中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science快波色散曲线快波色散曲线中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电
66、子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）2.2.回旋电子受激辐射机理回旋电子受激辐射机理回旋脉塞不稳定性发生的条件回旋脉塞不稳定性发生的条件:1)电子具有较大的横向速度电子具有较大的横向速度足够的群聚能量与场交换足够的群聚能量与场交换2)高频场的角频率略大于电子的回旋角频率高频场的角频率略大于电子的回旋角频率, c(保证保证多数电子位于减速场多数电子位于减速场)3)要有一定长度的互作用区要有一定长度的互作用区回旋管工程实施技术的突破回旋管工程实施技术的突破:1)开放式谐振腔技术开放式谐振腔技术减少速度零散的影响，高次模式减少速度零散的影响，高次模式2)磁控注
67、入电子枪技术磁控注入电子枪技术增加电子的横向能量增加电子的横向能量,尽可能小尽可能小的能量分散的能量分散中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science回旋管原理示意图回旋管原理示意图 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）3.3
68、.电子横向能量的产生和增加电子横向能量的产生和增加1 1）磁控注入电子枪）磁控注入电子枪A1为第一阳极，产生为第一阳极，产生径向电场，使电子有径向电场，使电子有径向运动，径向运动，A2为第二为第二阳极，使电子同时有阳极，使电子同时有轴向运动，外加轴向轴向运动，外加轴向磁场的作用是使具有磁场的作用是使具有径向运动速度的电子径向运动速度的电子产生旋转，约束电子产生旋转，约束电子在某个半径范围内。在某个半径范围内。z1z2中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用
69、微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）3.3.电子横向能量的产生和增加电子横向能量的产生和增加2 2）绝热压缩过渡）绝热压缩过渡z z1 1到到z z2 2是阴极区与注波互作用区磁场过渡段，它的是阴极区与注波互作用区磁场过渡段，它的形状既要使电子不会象是遇到磁镜而反转，同时还能形状既要使电子不会象是遇到磁镜而反转，同时还能增加电子的横向能量。利用磁场散度方程，有增加电子的横向能量。利用磁场散度方程，有（7.80）若磁场的空间变化缓慢，可认为磁场在电子行进一若磁场的空间变化缓慢，可认为磁场在电子行进一个周期
70、个周期( (回旋轨道回旋轨道) )内不变，这样得到内不变，这样得到 （7.81 ）(Rc是电子回旋半径是电子回旋半径)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）3.3.电子横向能量的产生和增加电子横向能量的产生和增加2 2）绝热压缩过渡）绝热压缩过渡磁场沿轴向的变化肯定会产生径向磁场分量磁场沿轴向的变化肯定会产生径向磁场分量Br,B
71、r,电电子在纵向将受到一个附加的作用力子在纵向将受到一个附加的作用力利用利用(7.81)(7.81)和回旋半径与速度和回旋频率的关系有和回旋半径与速度和回旋频率的关系有 (7.82)(7.83)(7.84)磁矩磁矩中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）3.3.电子横向能量的产生和增加电子横向能量的产生和增加2 2）绝热压缩过渡）
72、绝热压缩过渡电子在轴向缓变磁场中运动时，电子的横向动能电子在轴向缓变磁场中运动时，电子的横向动能与纵向磁场之比是不变的，也常称这种关系为电与纵向磁场之比是不变的，也常称这种关系为电子运动磁矩的绝热不变性子运动磁矩的绝热不变性电子横向能量增加电子横向能量增加。磁控注入电子枪的设计是在注波互作用区提供电磁控注入电子枪的设计是在注波互作用区提供电子注具有：子注具有：足够的横向能量、小的能量分散、合足够的横向能量、小的能量分散、合适的回旋频率、有利于注波互作用的电子注位置适的回旋频率、有利于注波互作用的电子注位置中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronic
73、s, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放式谐振腔开放式谐振腔开放式谐振腔采用高次模式采用高次模式( (模式选择性模式选择性) )，提高功率容量。，提高功率容量。开放式谐振腔主要有以下两种典型结构开放式谐振腔主要有以下两种典型结构 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与
74、物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放式谐振腔（a a）腔中）腔中I I区为一段截面均匀的直波导，其长度为区为一段截面均匀的直波导，其长度为L L，IIII为漂移区，其口径较中间均匀段为小，形成一段截为漂移区，其口径较中间均匀段为小，形成一段截止波导，以防止电磁能量向电子枪区泄漏，止波导，以防止电磁能量向电子枪区泄漏，IIIIII为渐变为渐变过渡段，过渡段，IVIV为输出的过渡段，并渐变至输出波导为输出的过渡段，并渐变至输出波导V V。（b b）中所示的为一截面缓变开放
75、式谐振腔，与（）中所示的为一截面缓变开放式谐振腔，与（a a）不同的是中间没有固定截面的波导段，而是半径不同的是中间没有固定截面的波导段，而是半径R(z)R(z)随轴向变化的特殊波导，其两端同样存在截止段和输随轴向变化的特殊波导，其两端同样存在截止段和输出段。出段。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放
76、式谐振腔1).1).谐振频率谐振频率分析（分析（a a）中的情）中的情况，长为况，长为L L的一段的一段均匀波导看作是均匀波导看作是传播常数为传播常数为k k的的传输线，两端端传输线，两端端接反射系数为接反射系数为 1 1及及 2 2的负载，上的负载，上述等效电路的谐述等效电路的谐振条件为振条件为: : (7.85)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science如如果果略略掉掉两两端端反反射射引引起起的的相相位位变变化化，联联立立求求解解上上述述三式三式第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物
77、质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放式谐振腔(7.86)当当L L大，大，q q较小时，较小时， 。计及。计及 及及 的影响，的影响，则上式将会有一定的误差。则上式将会有一定的误差。 2). 品质因素品质因素定义定义:(7.87)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生
78、7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放式谐振腔(本征本征Q),(衍射衍射Q)W为为开开放放腔腔的的总总储储能能； Pr为为开开放放腔腔中中的的欧欧姆姆损损耗耗功功率率； Pd为为开开放放腔腔中中的的辐辐射射损损耗耗功功率率。波波在在开开放放腔腔中中来来回回一一次造成的能量损耗为：次造成的能量损耗为： 腔中波的群速为腔中波的群速为 ，能量往返一次所需的时间为，能量往返一次所需的时间为 (8.88)(8.89)(8.90)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Scienc
79、e单位时间内绕射能量损耗为：单位时间内绕射能量损耗为： 第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放式谐振腔(7.91)(7.92)当当(7.93)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.
80、4.开放式谐振腔开放式谐振腔利用利用(7.94)电子枪端为全反射时，由电子枪端为全反射时，由(7.92),(7.92),即即 (7.95)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.开放式谐振腔开放式谐振腔当当 , 时时(7.96)通常通常 ，因此可以估算，因此可以估算 约为数百至一千约为数百至一千左右。当左右。当 时时, ,
81、 一般情况一般情况, ,谐振频率必须根据下述相位条件确定谐振频率必须根据下述相位条件确定 (7.97)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.回旋行波管回旋行波管回旋行波管可作为一种大功率、高效率、宽频带的器回旋行波管可作为一种大功率、高效率、宽频带的器件。与回旋单腔管不同的是波导系统是非谐振型的互件。与回旋单腔管不同的是
82、波导系统是非谐振型的互作用高频电路，当回旋行波管中的工作模式为作用高频电路，当回旋行波管中的工作模式为TETEmnmn时，时，波导的色散方程为波导的色散方程为 (7.98)在模式场波的作用下，电子注的色散方程为在模式场波的作用下，电子注的色散方程为 (7.99)电子注与波同步的条件电子注与波同步的条件中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science回旋行波互作用色散曲线回旋行波互作用色散曲线中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chine
83、se Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.回旋行波管回旋行波管当波导场与回旋电子注相互作用时，两者通过电子当波导场与回旋电子注相互作用时，两者通过电子注产生耦合，在接近截止状态下，由动力学理论不注产生耦合，在接近截止状态下，由动力学理论不难得到下述电子回旋脉塞的色散方程难得到下述电子回旋脉塞的色散方程 (7.100)a a为波导半径，为波导半径，R R0 0为电为电子注导引中心半径，子注导引中心半径，R Rc c为电子回旋半径。
84、为电子回旋半径。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.3 回旋管（回旋管（Gyrotron）4.4.回旋行波管回旋行波管当当 和和不不存存在在群群聚聚时时，这这时时 ，波波导导模模与与回回旋旋模之间不存在耦合。模之间不存在耦合。当当 时，上述色散方程是关于时，上述色散方程是关于k k的四次方程，将存在四的四次方程，将存在四个根，每一个根都可能是复数，其虚部代表波的
85、增长率。个根，每一个根都可能是复数，其虚部代表波的增长率。象普通行波管中一样，存在有四个波，其中三个为前向象普通行波管中一样，存在有四个波，其中三个为前向波，一个则为返向波。三个前向波中，一个为等幅波，波，一个则为返向波。三个前向波中，一个为等幅波，一个为增长波，一个为衰减波。一个为增长波，一个为衰减波。中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 问题问题在实验室用网络分析仪测在实验室用网络分析仪测量谐振腔的频率，一根同轴线探量谐振腔的频率，一根同轴线探针从针从截止漂移管截止漂移管将微波信
86、号馈入将微波信号馈入到谐振腔，另一根同轴线探针从到谐振腔，另一根同轴线探针从截止漂移管将微波信号引出回到截止漂移管将微波信号引出回到网络分析仪。实验发现，探针通网络分析仪。实验发现，探针通过漂移管往腔内伸时，谐振频率过漂移管往腔内伸时，谐振频率下降；探针通过漂移管往外抽出下降；探针通过漂移管往外抽出时，频率上升。引起这一现象的时，频率上升。引起这一现象的原因是什么？什么状态下测出的原因是什么？什么状态下测出的频率最接近真实值频率最接近真实值？ 网络分网络分析仪析仪中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of
87、 Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.2 微波加热微波加热7.2.1 概述概述传统微波加热传统微波加热: 食物加工食物加工, 木材、蔬菜等烘干木材、蔬菜等烘干介质材料加热介质材料加热: 烧结烧结(结构结构,功能功能, 纳米纳米)、改性、焊接、改性、焊接,粉末金属加热：快速、性能增强、磁感应加热粉末金属加热：快速、性能增强、磁感应加热微波化学：加速反应，提高产率或新物质合成微波化学：加速反应，提高产率或新物质合成 铁电、铁磁、光学和光电材料的合成，电池能源铁电、铁磁、光学和光电材料的合成，电池能源 材料的合成材料的合成等离子体加热等离子体加热离子共振加热、低杂波加
88、热、回旋共振加热离子共振加热、低杂波加热、回旋共振加热 核聚变反应核聚变反应微波生物效应微波生物效应改变生物的成长过程，微波武器杀伤机理改变生物的成长过程，微波武器杀伤机理微波波谱学微波波谱学探索物质奥秘探索物质奥秘热和非热效应，渗透和非渗透，局部作用热和非热效应，渗透和非渗透，局部作用中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 微波处理材料的特点微波处理材料的特点材料内外同时加热材料内外同时加热选择性加热工件选择性加热工件升温快升温快处理时间缩短处理时间缩短(可以是传统加热时间的可以是传
89、统加热时间的1/10)产品质量提高产品质量提高新型特种材料制备新型特种材料制备(例如：纳米材料例如：纳米材料)减少能源消耗减少能源消耗“ 环境清洁环境清洁” 技术技术第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.2 微波加热微波加热7.2.1 概述概述中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science根据第二章公式根据第二章公式(2.31), 被微波加热的物质单位体积吸被微波加热的物质单位体积吸收的功率为收的功率为:损耗的来源损耗的来源:1.电介质损耗电介质损耗:在外加电磁场的作用下在外加
90、电磁场的作用下介质内部极化介质内部极化产生的极化强度落后于电场一个相角，产生与电产生的极化强度落后于电场一个相角，产生与电场同相的极化电流，构成介质内部功率耗散场同相的极化电流，构成介质内部功率耗散2. 磁介质损耗磁介质损耗, 涡流损耗涡流损耗3.欧姆损耗欧姆损耗第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.2 微波加热微波加热7.2.2 微波加热原理微波加热原理中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science损耗因子随温度的变化关系损耗因子随温度的变化关系当温度低于临界温当温度低于临界
91、温度度T Tc c时，损耗因子相时，损耗因子相对较小，而温度超对较小，而温度超过过T Tc c后，温度的上升后，温度的上升使使增大，它反增大，它反过来又使温度升高。过来又使温度升高。如果在同一单元体如果在同一单元体积中热的输入积中热的输入kfkf2 2大于热的大于热的逸散率逸散率t t（t t为热扩散率），为热扩散率），则材料温度上升的则材料温度上升的速率会失去控制导速率会失去控制导致材料的损坏。致材料的损坏。 中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science频率升高频率升高与材料耦合更强（低温
92、高频，高温低频）与材料耦合更强（低温高频，高温低频）场分布更均匀场分布更均匀部件和系统更紧凑、更小部件和系统更紧凑、更小可以采用过模波导减小传输损耗可以采用过模波导减小传输损耗可以应用准光技术可以应用准光技术第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.2 微波加热微波加热7.2.2 微波加热原理微波加热原理中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science陶瓷相对密度与烧结温度之陶瓷相对密度与烧结温度之间的关系间的关系 材料98%Al2O3+1%SiO2+1%MgO烧结方式传统无压烧结毫
93、米波无压烧结编号1234烧结温度()1300600-800,80095010501150升温时间(min)1803035保温时间(min)12060,5303030密度(g/cm3)3.57262.15742.51822.77763.7100相对密度89.99%54.34%63.43%69.96%93.45%第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.2 微波加热微波加热7.2.2 实验研究实验研究 毫米波烧结氧化铝毫米波烧结氧化铝中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science表表
94、欧洲、美国、日本和中国毫米波烧结陶瓷研究基本情况欧洲、美国、日本和中国毫米波烧结陶瓷研究基本情况频率频率(GHz) (GHz) 峰值功率峰值功率(kW) (kW) 平均功率平均功率(kW) (kW) 炉腔尺寸炉腔尺寸(mm) (mm) 试样材料试样材料 烧结温度烧结温度() () 保温时间保温时间(min) (min) 陶瓷密度陶瓷密度 研究单位研究单位 30 30 10.0 10.0 500 500600 Si600 Si3 3N 1650 10 96% ITP,N 1650 10 96% ITP,德国德国 3030 10.0 10.0 BaTiO BaTiO3 3 10-15 10-15
95、98% 98% IAP, IAP,俄国俄国 83 83 10.0 10.0 PZT,PMNT PZT,PMNT 10-15 10-15 98% 98% IAP, IAP,俄国俄国 28 28 200 200 760 7601020 Al1020 Al2 2O O3 3 1200 60 98.2% ORNL,1200 60 98.2% ORNL,美国美国 3535 75 75 0.4 0.4 180 180210 Al210 Al2 2O O3 3 1520 1520 10 10 92% 92% NRL, NRL,美国美国 6060 100 0.5 100 0.5 ZrO ZrO2 2 1120
96、 1120 60 60 97% 97% JWRI, JWRI,日本日本 2828 15.0 15.0 600 600900 Si900 Si3 3N 1600N 1600 30 30 98.2% 98.2% Koku.U Koku.U。日本。日本 34.5 60 34.5 60 0.3 0.3 270270360 Al360 Al2 2O O3 3 1150 30 93.45% 1150 30 93.45% 中科院电子所中科院电子所中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science（a a）传统烧
97、结）传统烧结(1300)(1300)照片照片 (b) (b) 毫米波烧结毫米波烧结(1150)(1150)照片照片 第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.2 微波加热微波加热7.2.2 实验研究实验研究中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 毫米波烧结氧化锌毫米波烧结氧化锌ZnO6501000C，保温，保温10分钟分钟相对密度大于相对密度大于96%烧结温度为烧结温度为800 C, 保温时保温时间对相对密度的影响较小间对相对密度的影响较小中国科学院电子学研究所中国科学院电
98、子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science传统烧结1000C，保温10分钟毫米波烧结700C，保温10分钟中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science介电性能介电性能损耗角损耗角毫米波烧结掺杂钛酸钡毫米波烧结掺杂钛酸钡中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science常规烧结掺杂钛酸钡常规烧结掺杂钛酸钡介电性能介电性能损耗角
99、损耗角毫米波烧结具有更高的扩散率，有利于掺杂改性，制备的钛毫米波烧结具有更高的扩散率，有利于掺杂改性，制备的钛酸钡性能更优且温度稳定性更好酸钡性能更优且温度稳定性更好中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science微波烧结粉末金属微波烧结粉末金属中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chine
100、se Academy of Science中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science微波加热金属的微波加热金属的模型和公式模型和公式中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science微波微波加热加热粉末粉末金属金属实验实验装置装置模型模型中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of ScienceTempe
101、rature versus time for Fe-Cr18-Ni10 微波加热金属微波加热金属升温速率每分钟约升温速率每分钟约50C，理论和实验有好的一致，理论和实验有好的一致中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of ScienceTemperature versus time for powder metal Fe 升温速率每分钟大于升温速率每分钟大于340C，理论和实验有好的一致，理论和实验有好的一致中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, C
102、hinese Academy of Science微波化学微波化学 微波催化微波催化无机化学：无机化学：微波辐射对化合物合成与分解已显出微波辐射对化合物合成与分解已显出优越性。例如用优越性。例如用CuOCuO和和FeFe2 2O O3 3合成合成CuFeCuFe2 2O O4 4，传统方法，传统方法需要需要2323小时，而微波催化合成只要小时，而微波催化合成只要3030分钟就可完分钟就可完成。毫米波辐射感应放电实验中观察到成。毫米波辐射感应放电实验中观察到N N的振动的振动激励以及激励以及O O和和NHNH因电子碰撞引起的电解导致了高因电子碰撞引起的电解导致了高效率和高浓度效率和高浓度O O和
103、和NHNH的合成的合成。有机化学：有机化学：微波也同样显示出其独特性。例如以微波也同样显示出其独特性。例如以4 4氰代苯基苄基醚，采用在甲醇中传统的回流方氰代苯基苄基醚，采用在甲醇中传统的回流方法需要法需要1212小时，产率为小时，产率为6565，而用，而用560W560W微波辐射，微波辐射，仅仅3535秒便可得到相同产率。秒便可得到相同产率。中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science毫米波合成锂锰氧尖晶石毫米波合成锂锰氧尖晶石传统800C，48小时毫米波700C，20分钟LiMn2O4中
104、国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of ScienceLiCo0.1Mn1.99O3.92S0.08传统800C，48小时毫米波780C，30分钟毫米波毫米波合成温合成温度更低，度更低，质量更质量更好，晶好，晶粒发育粒发育更完整，更完整，不存在不存在杂相杂相中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science毫米波合成钨青铜结构的铌酸盐晶体毫米波合成钨青铜结构的铌酸盐晶体 BaBa5 5LiTiNbLiTiN
105、b9 9O O3030毫米波合成毫米波合成常规合成常规合成毫毫米米波波降降低低合合成成温温度度250250，保保温温时时间间1/12,1/12,晶晶粒粒较较小小、均均匀匀且发育完整，形状规则，活性高，基本无团聚。且发育完整，形状规则，活性高，基本无团聚。中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science核聚变反应核聚变反应等离子体加热等离子体加热回旋共振加热回旋共振加热取之不尽的能源取之不尽的能源洁净能源洁净能源一种裂变反应废料处理的再生能源一种裂变反应废料处理的再生能源中国科学院电子学研究所中国
106、科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 微波波谱学微波波谱学1)1)物质分子和原子基本性质研究物质分子和原子基本性质研究( (偶极子转向极偶极子转向极化频率落在微波波段化频率落在微波波段):):离子回旋共振（离子回旋共振（RFRF），），电子和离子的低杂波共振（电子和离子的低杂波共振（MWMW），电子自旋共），电子自旋共振，回旋共振，等离子体共振，磁共振振，回旋共振，等离子体共振，磁共振（MMWMMW）自然的特性，星系和原子的结构自然的特性，星系和原子的结构2)2)无损检测和诊断：基本谱线和谱线奇异的比较无损检
107、测和诊断：基本谱线和谱线奇异的比较3)3)射电天文观测（射电天文观测（2020世纪六十年代天文学四大发世纪六十年代天文学四大发现现类星体、中子星、类星体、中子星、2.7K2.7K背景辐射和星际有背景辐射和星际有机分子都是以微波作为主要观测手段机分子都是以微波作为主要观测手段) )中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science微波治疗微波治疗1)前列腺疾病前列腺疾病2)各种癌症各种癌症3)微波止血微波止血4)某些性病某些性病5)耳鼻喉疾病耳鼻喉疾病6)微波美容治疗微波美容治疗7)涉及许多杂病涉及
108、许多杂病中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.5 微波辐照微波辐照1.1.表面改性表面改性. .油油、汽汽、水水管道的塑料和绝缘敷膜管道的塑料和绝缘敷膜. .聚合物的固化聚合物的固化.耐熔陶瓷层涂敷耐熔陶瓷层涂敷. .厚导体、厚导体、电阻或介质膜片在陶瓷基底上电阻或介质膜片在陶瓷基底上的焙烧的焙烧. .材料表面强度增加材料表面强度增加中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Science第七章第七章 微波与物质相互作用微波与物质相互作用7.1 微波与电子相互作用微波与电子相互作用微波的产生微波的产生7.1.5 微波辐照微波辐照2.2.生物效应生物效应1)促进农作物的生长，转基因产品促进农作物的生长，转基因产品2)人的某些疾病的恢复（理疗）人的某些疾病的恢复（理疗）3)环境、食品、衣物等的消毒处理环境、食品、衣物等的消毒处理4)微波武器杀伤机理微波武器杀伤机理
