（物理电子学专业论文）等离子体填充介质cerenkov振荡器和耦合腔链研究.pdf

电子科技丈学博士论文 中文摘要 等离子体填充后的c e r e n k o v 器件，在同样的输入条件下，互作用效率大大增 加，从而输出功率也显著增加，这已为多个实验所证实。但是，对于效率增加的 物理机制，却有不同的说法。我们认为大部分线性理论只是对场和电子注的线性 部分进行了解释，尤其在效率增长幅度非常显著时，必须考虑非线性效应的影响， 也就是说，必须考虑等离子体密度受到大功率微波调制形成等离子体密度栅的影 响。等离子体平衡态分布与微波场有关，并且其介电特性随电场不是线性变化， 因而是一非线性的栅。我们对非线性等离子体栅填充的介质c e r e n k o v 脉塞和线性 等离子体填充的耦合腔链进行了研究。【主要的研究成果和结论有： 一、首次研究了非线性等离子体栅填充的介质c e r e n k o v 脉塞振荡器。等离子体 在慢波性质的驻波场调制下形成等离子体栅，从而影响腔体的谐振特性，计算了 等离子体栅的引入对q 值和谐振频率的影响，得出了一些新颖的结论：等离子体 填充密度的增加使互作用区的场分布显著增强。但是，等离子体密度的增加并不 是无限度的。只有在低于某一等离子体密度临界值时，腔体才能谐振。我们提出， 这一现象可从阻抗匹配的角度来解释。对于一确定尺寸的腔体、阻抗变换器，存 在一个等离子体密度的临界值，只有在等离子体密度低于这个临界值时，腔体的 输出阻抗和波导的特性阻抗才能满足匹配，即满足所谓的辐射条件。 二、在等离子体密度栅的基础上，我们提出了一个等效的模型。首先把密度周 期性分布的等离子体栅等效为沿轴向按某周期分布的均匀介质盘。进一步，把 轴向周期分布的均匀介质盘又等效为径向和纵向均匀的各向异性介质。等效模型 把等离子体栅的调制效应体现出来，在求解填充等离子体栅的波导系统的色散关 系方面要更为容易。 三、为了反映等离子体被微波场调制从而形成密度周期性分布的等离子体栅， 反过来影响电磁波的传播这一物理事实，在调制系数变化的情况下。从等离子体 栅的等效模型出发，推导了等离子体栅填充的介质c e r e n k o v 脉塞的色散方程。得 出的色散关系能反映某些非线性的关系。对于一定的波导、电子注参量和等离子 体密度值，等离子体调制系数的增加，使工作频率略微升高。但是，随着等离子 体调制系数的进一步增加，色散曲线变得彼此之间不可分辨，可以认为是等离子 体的过调制导致了栅的饱和。这一现象是非线性的，可见，等离子体栅和调制场 妻塞塑墨 是非线性关系，等离子体栅是非线性： 。另外，等离子体密度的增加， 盟带来工 作频率的略微升高，同时增长率也发生变化。等离子体密度和增长率、工作频率 也存在一个饱和关系。另外，对于填充等离子体的色散高频系统，由于电子注和 电磁波互作用的同步要求，系统带宽必热分布在某一有限范围内。和把等离子体 视为均匀介质的色散关系相比，用等离子体栅等效模型更能反映填充等离子体的 色散高频系统有限带宽的特点。 四、对等离子体栅填充c e r e n k o v 脉塞振荡器开展了大信号理论分析。给出了 注波互作用效率、饱和长度等大信号参量等重要参量。结果表明，填充一定密度 的等离子体，的确对注波互作用有利。和真空情形相比，注波互作用效率显著提 高，因而输出功率也显著提高，且互作用长度减小。和冷腔分析的结果类似，对 于某一确定的腔体和阻抗变换器，同样存在一临界的等离子体密度值，只有在低 于二此密度值时，谐振器才能保持谐振。另外，等离子体栅的空间电荷场有利于电 子注的群聚和换能，考虑等离子体栅的空间电荷效应后，互作用效率大大增加。 对考虑速度零散效应的等离子体栅填充c e r e n k o v 脉塞振荡器大信号理论分析表 明，等离子体的填充可以减小速度零散带来的互作用效率减小等问题。 五、用严格的场匹配方法分析了填充等离子体的耦合腔链，研究了等离子体一 腔模的形成以及“冷”带宽和“热”带宽的展宽效应。等离子体填周期性耦合腔 链后，形成周期性的截止频率为0 的等离子体t g 模式。如果填充的等离子体密度 较低时，腔模和槽模的工作频率均有小幅上升，而带宽改善不明显。当填充的等 离子体密度较大时，且腔模和t g 模式发生部分重叠时，两者相互耦合，即形成所 谓的等离子体一腔混合模式，此时坂来独立的腔模模式和t g 模式不再独立。工作 在混合模式下，其冷带宽大大增宽。且可以调整某一电子注参量，使其空间电荷 波的曲线与某一混合模式的相切部分变大，而不仅仅是相交于一点，因而大大改 善了其“热”带宽效应。同时，工作于混合模式时，其耦合阻抗比真空时提高了 近5 倍，因此在填充等离子体后，耦合腔链的慢波特性得到了显著的改善。 六、设计了一个x 波段的耦合腔链，其测试结果和理论计算结果良好一致， 验证了理论分卡丘和计算程序的正确性，并在此基础上，可开展等离子体填充的耦 合腔冷测实验。 关键词：非线性等离子体，等离子体栅，c e r e n k o v 脉塞，振荡器，耦合腔链， 等离子体一腔混合模 。 皇王型茎查堂堕主堡苎一 a b s t r a c t i th a sb e e ns h o w ni nm a n ye x p e r i m e n t st h a tb yi n j e c t i n gp l a s m ai n t ot h ev a c u u mm i c r o w a v e d e v i c e s t h ei n t e r a c t i o ne f f i c i e n c yc a nb ei n c r e a s e dg r e a t l y , s ot h a tt h eo u t p u tp o w e rc a l l a l s ob e e n h a n c e da tt h es a m ei n p u tc o n d i t i o n i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mb e h i n dt h e e x p e r i m e n t s ，m a n yt h e o r i e sh a v eb e e np u tf o r w a r dt oe x p l a i nt h i sp h e n o m e n o n t h ec o n v e n t i o n a l l i n e a rt h e o r i e sd e s c r i b et h el i n e a rp a r to f t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nb e a ma n dw a v ev e r yw e l t ，h o w e v e r , w h e nt h ei n t e r a c t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e si nal a r g es c a l e ，w es h o u l dc o n s i d e rt h en o n l i n e a re f f e c t s i n t h i sc a s e ，w em u s tt a k ea c c o u n tf o r t h em o d u l a t i o no ft h ep l a s m ad e n s i t y t h a ti st os a y , t h ep l a s m a d e n s i t yi sm o d u l a t e db yt h es t r o n gm i c r o w a v e s oa st of o r ma p l a s m ab r a g gg r a t i n g s i n c et h es t e a d y s t a t ed i s t r i b u t i o no ft h ep l a s m ai sr e l a t e dw i t ht h em i c r o w a v ef i e l da n di t sd i e l e c t r i cp r o p e 啊v a r i e s w i t ht h ee l e c t r i cf i e l dn o n l i n e a r l y , t h eg r a t i n gi sn o n l i n e a r w es t u d yt h en o n l i n e a rp l a s m af i l l e d c e r e n k o vm a s e ra n dl i n e a rp l a s m af i l l e dc o u p l e dc a v i t yc h a i n t h ep r i n c i p a lc o n c l u s i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r eg i v e nb e l o w ： 1 w e s t u d yt h en o n l i n e a rp l a s m ag r a t i n gf i l l e dd i e l e c t r i cc e r e n k o vm a s e ro s c i l l a t o rc a v i t y f o rt h ef i r s tt i m e t h eb a c k g r o u n dp l a s m ai sm o d u l a t e db yt h es l o ws t a n d i n gw a v et h ed e n s i t y g r a t i n g i st h u sf o r m e da n di n f l u e n c e st h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o ft h eo s c i l l a t o r ，s u c ha st h e f r e q u e n c ya n dq v a l u e s o m en o v e lc o n c l u s i o n sa l eo b t a i n e d ：t h em a g n i t u d eo ft h ee l e c t r i cf i e l di n t h ei n t e r a c t i o nr e g i o ni n c r e a s e sg r e a t l ya st h eb a c k g r o u n dp l a s m ad e n s i t yi n c r e a s a s t h i se f f e c ti s b e n e f i c i a lt ot h eb e a m - w a v ei n t e r a c t i o nb e c a m eo ft h ee n h a n c e dc o u p l e di m p e d a n c eh o w e v e r , t h e p l a s m ad e n s i t yc a n l tb ei n c r e a s ew i t h o u tl i m i t , o n l yu n d e rac r i t i c a lp l a s m ad e n s i t y , c a nt h er a d i a t i o n c o n d i t i o n sb es a t i s f i e d t h i se f f e c t s c a nb ee x p l a i n e da sf o l l o w s ：t h er a d i a t i o nc o n d i t i o n sa r ea c t u a l l y i m p e d a n c em a t z h i n gc o n d i t i o ni nt e r m so fm i c r o w a v en e t w o r k , f o raf i x e dd i m e n s i o no far e s o n a t o r a n do u t p u tt r a r l s f o l t l l e r , o n l yb e l o wt h ec r i t i c a l p l a s m ad e n s i t y , t h em a t c h i n gc o n d i t i o nc b e s a t i s f i e di nt h es m i t hc i r c l em a p t h i se x p l a n a t i o ne a r lb e a p p l i e dt os i m i l a rp h e n o m e n ao b s e r v e di n m a n ye x p e r i m e n t s 2o nt h eb a s i so f t h e p l a s m ad e n s i t yg r a t i n g ，w ep r e s e n ta l le q u i v a l e n tm o d e lt od e s c r i b et h e n o n 。u n i f o r m p r o p e r t y o ft h e p l a s m ag r a t i n g i nt h ef i r s ts t e p ，w et r e a tt h ea c t u a l , p e r i o d i c a l d i s t r i b u t i o nf u n c t i o na st h er e c t a n g u l a rp e r i o d i c a ld i s l r i b u t i o nf u n c t i o na p p r o x i m a t e l y f u r t h e r , t h e a x i a lu n i f o r m p e r i o d i c a lp r o p e r t yc a nb er e p l a c e db ya l l u n i s o t r o p i c d i e l e c t r i cw i t l l 嘣f b 丌n t r a n s v e r s ea n du n i f o r ma x i a lp r o p e r t y t h ee q u i v a l e n tm o d e lc a nd e s c r i b et h ei n h o m o g e n e i t ya sa r e s u l to ft h em o d u l a t i o no ft h ep l a s m ad e n s i t y , s ow ec a ns o l v et h ed i s p e r s i o na c c o u n t i n gf o rt h e p l a s m ag r a t i n ge f f e c t sm o r e e a s i l ) 一t i l 坐! ! 坠! 一一 3i no r d c rt os h o wt h ef a c tt h a tt h er f i c r o w a v em o d u l a t e s t h eb a c k g r o u n dp l a s m ad e n s i t ya n d t h ed e n s i t yg r a t i n gi n f l u e n c e st h ep r o p a g a t i o no f t h em i c r o w a v e i nr e t u r n ，t h ed i s p e r s i o nr e l a t i o no f t h ed i e l e c t r i cc e r e n k o vm a s e rf i l l e dw i t hp l a s m ag r a t i n gi sd e r i v e dw h e n t h em o d u l a t i o np a r m n e t e r i sv a r i e d t h en u m e r i c a lr e s u l t so ft h ed i s p e r z l o nr e l a t i o ns h o ws o m en o n l i n e a re f f e c t s ：f o raf i x e d g e o m e t r yo faw a v e g u i d ，b e a mp a r a m e t e r sa n dp l a s m ad e n s i 劬t h ei n c r e m e n to ft h e m o d u l a t i o n p a r a m e t e rm a yl e a dt oas l i g h ti n c r e m e n to f t h eo p e r a t i n g 疗e q u e n c gh o w e v e la st h em o d u l a t i o n p a r a m e t e ri n c r e a s e sf u r t h e r , s a n t r a t i o nm a yo c c u r a n dt h e d i s p e r s i o n r e l a t i o n sa r eh a r dt ob e s e p a r a t e d ，i ti sd u e t ot h eo v e r m o d u l a t i o no f t h em i c r o w a v ep o w e lt h i sp h e n o m e n o ni t s e l f b e l o n g st o t h en o n l i n e a re f f e c t s w h e nt h ep l a s m ad e n s i t yi n c r e a s e s ，t h eo p e r a t i n gf r e q u e n c ya l s oi n c r e a s e s s l i g h t l y ，t h et e m p o r a lg r o w t hr a t ei n c r e a s e sa sw e l l t h e r ee x i s t s an o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nt h e p l a s m ad e n s i t ya n dt h et e m p o r a lg r o w t hr a t e i na d d i t i o n ，f o rad i s p e r s i v eh i g hf r e q u e n c ys y s t e m ， b e c a u s eo ft h er e q u i r e m e n to ft h ep h a s ei n - s t e pb e t w e e nt h eb e a ma n de l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，t h e b a n d w i d t ha r ee x p e c t e dt ob el o c a t e di nan a l t o wr a n g e o u rr e s u l t sa c c o u n t i n gt h ep l a s m ag r a t i n g e f f e c t ss h o w st h a tt h el i m i t e db a n d w i d t hc o m p a r e dw i t ht h er e s u l tw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ep l a s m a g r a t i n ge f f e c t s 4 al a r g e s i g n a la n a l y s i s i sc a r r i e do u ti nap l a s m ad e u s i t y g r a t i n g f i l l e dd i e l e c t r i c c e r e n k o vm t e ro s c i l l a t o r , t h ei n t e r a c t i o ne f f i c i e n c ya n ds a t u r a t i o nl e n g t ha r eg i v e n t h ec a l c u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a tf i l l i n gac r t a l na m o u n t o f p l a s m a w i l lb eb e n e f i c i a lt ot h eb e a m - w a v ei n t e r a c t i o n w h e nc o m p a r e dw i t ht h er e s u l to ft h ev a c u l l mc a s e ，t h ei n t e r a c t i o n e f f i c i e n c yi n c r e a s e sv e r y p r e d o m i n a n t l y t h eo u t p u tp o w e r a l s oi n c r e a s e sa n dt h ei n t e r a c t i o nl e n g t hi sr e d u c e d s i m i l a rt ot h e r e s u l t so ft h ea n a l y s i so ft h ec o l dc a v i t y , f o raf i x e de a v i t ya n do u t p u tt r a n s f o r m e r t h e r ee x i s t sa c r i t i c a lp l a s m ad e n s i r y , o n l yb e l o wt h i sd e n s i t y , c a nt h er e s o n a t o ro s c i l l a t e s i na d d i t i o n ，u n l i k et h e b e a ms p a c e c h a r g ef o r c e s ，t h es p a c ec 姆f o r c e s o f t h e p l a s m ad e m i t yg r a t i n go a nh e l pt h ee n e r g y t r a n s f e ra n db e a mb u n c h i n ga n dr e s u l t si na ni n c r e m e n to f t h ei n t e r a c t i o ne f f i c i e n c y , t h er e s u l t so f t h el a r g es i g n a la n a l y s i sc o n s i d e r i n gt h ei n i t i a lv e l o c i t , s p r e a ds h o wt h a tt h ef i l l i n go ft h ep l a s m a m a yc o m p e n s a t et h er e d u c t i o no f t h ei n t e r a c t i o ne f f i c i e n c ya sar e s u l to f t h ei n i t i a lv e l o c i t ys p r e a d 5 b yu s i n gr i g o r o u sf i e l da n a l y s i s ，ac o u p l e d - e a v f l yc h a i nf i l l e dw i t hp l a s m ai sa n a l y z e d h o wt h eh y b r i dw a v eb e t w e e nt h ec a v i t ym o d ea n dp l a s m am o d ei sf o r m e di ss t u d i e d t h er e s u l t s s h o wt h ee x p a n s i o no ft h e ”c o l d ”b a n d w i d t ha n dt h e ”w a r m ”b a n d w i d t h t h ed 耐o d i c a lc c c h a i n f i l l e dw i t hp l a s m ad e m o n s t r a t e sp e r i o d i c a lt gm o d e * w i t hac u t o f f 疗e q u e n c yo f z e r o i ft h ef i l l e d p l a s m ad e n s i t yi sc o m p a r a t i v e l yl o w , t h ef r e q u e n c yo ft h ec a v i t ym o d ea n ds l o tm o d ei n c r e a s e s i i g h t l ya n dn oo b v i o u si m p r o v e m e n to ft h eb a n d w i d t hi s o b s e r v e d h o w e v e r , w h e nt h ep l a s m a d e n s i t yi n c r e a s et oal a r g es c a l e ，i nt h i sc a s e ，t h ec a v i t ym o d eo f t h ec cc h a i no v e r l a p st h et gm o d e t h e s et w om o d e s c o u p l e de a c ho t h e ra n df o r mt h es oc a l l e dh y b r i dm o d e s t h eh y b r i dm o d e sc o v e ra l a r g e r b a n d w i d t ht h a nt h a to ft h ev a c u u mc a s e s o t h e c o l d 。b a n d w i d t hi s e x p a n d e dv e r y i v 电子科技大学博士论文 s i g n i f i c a n t l y b yc h o o s i n gt h eb e a mp a r a m e t e r s ，t h es p a c ec h a r g el i n ew i l ti n t e r s e c tw i t ht h eh y b r i d m o d e ，t h ei n t e r s e c t i o nr e g i o na l ee n l a r g e di n s t e a de r ap o i n t , s ot h e b e a ma n dt h ew a v ec a nm a i n t a i n t h ep h a s ei ns t e pi nal a r g er a n g e ，t h u st h e w a r m ”b a n d w i d t hi se x p a n d e d t o o i ts h o u l db en o t e dt h a t w h e no p e r a t i n ga tt h eh y b r i dm o d e s ，t h ec o u p l e di m p e d a n c ei s i n c r e a s e d5t i m e sa p p r o x i m a t e l y l a r g e rt h a nt h a to ft h ev a c u u mc a s e t o t a l l ys p e a k i n g ，t h es l o ww a v ec h a r a c t e r i s t i c sa r ei m p r o v e d s u b s t a n t i a l l yd u et ot h ef o r m a t i o no f t h eh y b r i dw a v e 6 ax b a n dh u g h sc o u p l e dc a v i t yc h a i ni sd e s i g n e ds o t ot e s tt h et h e o r ya n dt h e c a l c u l a t i o np r o g r a m ac o l dt e s ti sc a r r i e do u tt os h o wt h a tt h er e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sv e r yw e l l w i t ht h i sm o d e l ，w ec a nc a l t yo u tt h ee x p e r i m e n to f t h ep l a s m af i l l e d c cc h a i ns 0 0 0 k e y w o r d s ：n o n l i n e a rp l a s m a , p l a s m ag r a t i n g ，c e r e n k o vm a s e r , o s c i l l a t o r , c o u p l e dc a v i t yc h a i n ， p l a s r n a - - c a v i t yh y b r i dm o d e v 电子科技大学博士论文 第一章绪论 等离子体电子学是伴随着常规微波源的发展一起开展起来的。早在二十世纪 四十年代末期，人们已经注意到电子注和等离子体的不稳定性”3 】，可用于产生微 波受激c e r e n k o v 辐射。当时发展这一类器件的目的主要是期望获得更高频率如 毫米波的微波源。这是由于注波互作用共度性的要求，要产生一定频率输出的微 波器件要求其具备与工作波长相当量级的结构尺寸，因此，在发展更高频率的微 波源时，器件的结构尺寸也随之变小，在工艺实现上遇到了很大困难。而等离子 体一电子注器件则不需要专门的慢波结构，它是基于等离子体和电子注空间电荷 波的相互作用来完成换能过程的，因而避开了对慢波结构小尺度的限制，在当时 被认为是一种极有前途的高频器件。在这一领域开展的一系列的实验和理论工作 4 - 8 ，对等离子体电子学的发展起到了很大的促进作用。 然而在当时的实验条件下，等离子体一电子注器件遇到的一些困难大大制约 了它的发展进程。首先是信号的输入和输出问题，尽管有专门的耦合装置，向等 离子体波中馈入能量和从其中提取能量仍然十分困难。其次是离子噪声问题i “， 尤其是对于放大器而言，过大的噪声使器件难以正常工作。另外，使等离子体和 电子注进行有效相互作用要求等离子体密度值不能太t b ( 1 0 ”一1 0 ”c n l 4 1 ，而获 得如此高密度的等离子体在当时的实验条件下难以做到。因此，尽管人们在等离 子体一注器件的研究中获得了一些有益的成果，但由于上述的原因，到了二十世 纪七十年代，这类工作已基本停止。 但是，脉冲功率技术和相对论电子柬技术的长足进步和发展使人们又重新开 始研究等离子体器件。人们把相对论的强流电子注应用于等离子体一注器件中， 解决了等离子体波能量的馈入和输出问题。在以前的实验工作中，参与互作用的 电子注大多属于非相对论电子注，与之同步的等离子体波相速远小于c ，能量主 要集中在等离子体的低频振荡，故不易于从其中提取出来”0 1 。当采用相对论的强 流电子注时，受其激发的等离子体波接近于真空中的相速，能量则很容易被提取 出来 1 1 - 1 2 l 。 与此同时，高能量的强流电子注被广泛应用到各种微波器件如相对论速调管、 相对论返波管、相对论行波管等 1 3 - 1 6 1 中，获得了更大功率的微波输出。b e k e f i 和 o r z e c h o w s k i 在1 9 7 5 年研制出了第一只相对沦磁控管，获得了9 0 0 m w 的输出功 率。莫斯科列别捷夫研究所和高尔基应用物理研究所研制出了相对论返波管，获 得了脉冲功率为4 0 0 m w 的微波输出。1 9 8 3 年，他们得到了1 1 g w 的微波功率。 在相对论微波管中，要获得高功率的微波输出，就必须加大输入电流。但是，输 一一丝二兰堑丝 一 _，_-_-_。一 入电流不可能无限增大，由于受到主间电荷效应的限制，当输入电流大于某一极 限值时，在电子的穿越通道上就形成所谓的虚阴极振荡，电流的正常传输就变得 困难。因此，器件的输入电流有一个极限值，要获得更大功率的输出也就受到了 限制。注意到这一现象主要是由空间电荷效应引起的，人们在相对论微波管中引 入背景等离子体以中和相对论电子注的空间电荷效应。这样一来，输入电流的极 限值和真空时的极限值相比大大增加( 约大k r 2 一1 ) ( y2 ”一1 ) f “倍) 1 7 - 1 8 1 使相 对论微波器件工作在更大电流的状态，从而可得到更大的微波输出。 在相对论微波管中引入等离子体后，使器件得以工作在更大功率的状态。不仅 如此，等离子体填充的相对论微波管展现了更为诱人的优越特性。 首先用于研究背景等离子体对相对论微波管互作用影响的器件是相对论返波 管振荡器。由于返波管振荡器结构比较简单，且对其注波互作用机理研究较为成 熟，因而在前苏联和美国均开展了相关的实验研究0 9 - 2 2 】。其中在欧美尤以马里兰 大学的等离子体填充相对论返波管的实验口3 1 影响最大。实验结果表明，在同样的 输入条件下，等离子体填充后的返波管输出效率比真空时增长近8 倍，达到4 0 。 加州大学的x z h a i 【2 4 - 2 6 1 等人也开展了等离子体填充返波管的实验研究，在x 波段 获得了比真空情形大6 倍的功率输出，同时他们也在低频等离子体诊断技术上取 得一些进展，成功诊断到低频等离子体t g 模的辐射。此后人们又在f e l 、回旋 管等器件| 2 7 - 3 0 】中填充等离子体，也获得了大于真空时的效率，这大大激发了人们 对背景等离子体参与注波互作用研究的热情。 前面所述的实验主要集中在强相对论电子器件上。美国休斯公司则把等离子 体填充到弱相对论性的返波振荡管和行波管中，发明了p ：a s o t r o n 系列1 3 1 - 3 2 l 等 离子体辅助微波源，成功地利用离子聚焦，这些器件工作在无外加聚焦磁场的状 态下，使器件变得结构紧凑。同时他们也利用了等离子体中空阴极电子枪来产生 强流电子注，此枪能承受离子回轰。支取电流密度大，寿命也较长。 俄罗斯全俄电工研究所的科学家研究出工作在腔一一等离子体混合模式下的 耦合腔行波管，其带宽比真空时大大增加，且工作效率比真空时有显著提高i 。 目前，世界范围内主要有休斯公司、全俄电工研究所和马里兰大学在等离子 体填充微波器件领域内开展研究工作，并且对这一领域的热情将持续下去。 皇三登苎查兰! ! 主兰苎 刚1 等离子体填充高功率微波器件的主要实验 1 1 1 相对论器件 马里兰大学开展了一系列的等离子体填充相对论返波管实验。所用慢波结构 是轴对称的波纹波导1 ，其平均半径为14 4 5 c m ，每个波纹周期的长度为1 6 7 c m ， 输入相对论电子注的电子能量为6 3 0 k e v ，电流为3 k a ，脉冲宽度为1 0 0 n s 。真空 时返波管工作在x 波段约8 4 g h z 左右，其外加的聚焦磁场变化范围为5 - - 2 0 k g 。 在返波管的末端有一个充气阀门。等离子体背景由相对论电子注电离气体而形 成。当外加聚焦磁场保持在11 k g 时，分别填充9 7 r e t o r t 的氩气和1 4 0 r e t o r t 的 氦气时，返波管均有显著的微波输出。显然，由电子注电离气体产生等离子体的 方法不易获得特定的密度的等离子体，对研究等离子体密度变化对互作用的影响 造成不便。在改进的实验装置中，等离子体由末端的等离子体枪产生，其密度可 调，范围为o 一1 0 ”c m 。3 。实验结果表明，存在一临界等离予体密度值，当等离 子体密度小于这一值时，互作用效率有很大提高，其中最高可达到4 0 ，比真空 情形时增大了8 倍。 美国加州大学i r v i n 分校也做了类似的等离子体填充返波管实验。他们的返 波管工作在c 波段。在填充密度为8 x1 0 ”c m 3 的背景等离子体的时候，获得了 比不填充等离子体时高7 倍的微波峰值功率输出。此外，他们还观察到频率从 2 6 g h z 到填充等离子体频率f 的低频率t g 模式的微波辐射。 前苏联科学院普通物理所和应用物理所联合研制了强流相对论等离子体回旋 管。在强流相对论等离子体回旋管中，相对论电子注的回旋辐射机理和真空回旋 管是一致的。但是，利用等离子体实现空间电荷补偿原理，利用等离子体抵消电 子束的空间电荷，可以极大提高临界电流的极限值。在给定的情况下，当等离子 体密度为一。= l 1 0 ”一4 时，系统中传输电流几乎提高l o 倍，此时，辐射功率最 大值为6 0 m w ，仍然保持了1 5 效率。 俄罗斯应用物理研究所的相对论电子泞一等离子体放大器实验。该实验采 用半径r = 1 8 r a m 的光滑波导，填充以内半径= 8 5 m m ，厚度为l m m 的环形等 离子体注，外加b = 2 0 k g 的纵向磁场，在注入电子能量5 0 0 k e y ，电流为2 k a ， 半径为5 5 m m 。输入采用脉冲磁控管，最大输入功率为3 0 k w 。在等离子体密度 苎二兰堕笙一 范围为7 。1 0 u 2 。1 0 - ，。一，时，可以观察到微波输出，并且这一范围和线性理沦结 果很一致。当该放大器工作在1 2 7 g h z 时，具有最大输出效率。 马里兰大学最近开展了等离子体填充的相对论返波管的实验1 ，该实验主要 研究了大密度的径向不均匀等离子体对返波管的影响( ，m ) 。等离子体柱由离 子枪喷出，且限制在钟型的磁场中。该实验的研究结果表明，等离子体大大地抑 制了高价模式的产生，这对于大多数径向大尺度的过模波导而言，可以工作在单 模情况。另外，改变等离子体等离子体密度实现了3 0 的频率调谐，且输出功率 比真空时显著增加。 1 1 2 弱相对论或非相对论器件 休斯公司开展了p a s o i r o n 的系列实验 3 6 - 3 7 l 。p a s o t r o n ( p l a s m aa s s i s t e d s l o ww a v eo s c i l l a t o r ) 是美国休斯公司的研究小组开发的系列等离子体填充返波振 荡器和放大器，其频率范围在l ，s ，c 和x 波段。图1 1 是一p a s o t r o n 放大 器p 8 i 的实验图。它是利用一种独特的等离子体空心电子枪产生强流电子注并在电 子注周围碰撞电离气体形成等离子体通道，在离子聚焦的作用下，电子注不需要 外加磁场便可完成换能过程，避免了设备的笨重和庞大，但是这种器件只能工作 在中等强度电流的情况下。等离子体电子枪可产生电压为5 0 1 5 0 k v ，电流为5 0 - - 5 0 0 a ，脉冲宽度为1 0 0 a 的电子注。 图1 1p a s o t r o n 行波管放大器实验 ” 一d 一 皇王型垫查堂堕主堕苎 一一 在c 波段的波纹波导返波管振荡器获得了l 一5 m w 的功率输出，电子效率为 1 5 2 5 。当电子注电压和电流变化时，振荡器的工作频率和工作模式均发生变化， 在某些频率范围内没有输出，其振荡频率不是连续分布。另外，填充质量越大的 气体获得的输出效率和功率也越大。在l 波段的螺旋线p a s o t r o n 放大器中， 在输入电流8 0 a ，电压7 0 k v 的情况下，获得了1 1 m w 的输出。在输出最大功 率的时候，效率高达3 0 。另外在p a s o t r o n 器件中观察到了脉冲缩短等现象。 俄罗斯全俄电工研究所于研制出了一种大功率、宽带的微波放大器( v c b a ) 。 这种放大器主要利用等离子体填充的耦合腔链，工作在等离子体一一腔混合模式 下，以便于能量的耦合。等离子体通过电子注碰撞电离产生。整管配置一个小的 内装真空离子泵，在互作用区和电子枪区形成不同的抽运系统。在1 0 k w 输出时 的带宽约为2 5 3 0 ，而常规耦合腔行波管的带宽仅仅为1 0 。该等离子体填充 耦合腔行波管的主要参量有：互作用效率3 0 ，工作波长为c r l l 和d m ，可工作于 脉冲或连续波状态下，电子注的加速电压为2 0 k v ，电流为2 5 3 5