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| 編輯推薦： |
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《C波段低磁场高效率相对论返波管研究》针对传统相对论返波管在低磁场下工作时存在的典型物理特征，对束流的相位和振荡幅度进行了调控，结合对微波器件内射频功率局部和整体的控制，实现了低磁场相对论返波管工作效率的提高。
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| 內容簡介： |
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《C波段低磁场高效率相对论返波管研究》一书研究的主要内容之一在于低磁场束流的规律认识和有效调控。一方面从束流振荡相位出发，通过理论分析揭示了强微波场中束流相位影响包络扩散状态的机理，通过控制进入谐振反射器中的束流相位，降低了RBWO中的束流能散，将转换效率提升了8个百分点；另一方面从束流振幅出发，通过三维非线性理论研究给出了束流振幅影响RBWO效率的物理内涵，提出了一种带阳极腔的管头结构，通过局部增强的径向电场有效降低了束流振幅，促进了束流群聚，将转换效率提升了4个百分点。 《C波段低磁场高效率相对论返波管研究》研究的另一个内容在于对射频场局部和整体的调控。一方面通过引入提供部分微波反射的波导腔结构显著增强了提取腔中的局部谐振场，增强了产生的集中渡越辐射，将转换效率提升了5个百分点；另一方面通过非均匀慢波结构以及内反射器的设计，对器件内的射频功率分布进行了调控，在功率容量允许的范围内使得能量提取更加集中，充分发挥了速调型RBWO能量集中提取的优势。
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| 關於作者： |
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王荟达1995年出生于陕西省，2016年毕业于清华大学电子工程系获工学学士学位，2021年毕业于清华大学工程物理系获工学博士学位，主要从事高功率微波产生技术研究。
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| 目錄：
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第1章绪论
1.1HPM源现状与发展趋势
1.2低磁场HPM源研究现状
1.2.1低磁场切伦科夫器件
1.2.2低磁场渡越器件
1.2.3无磁场器件
1.2.4小结
1.3本书的技术路线
1.3.1无箔二极管
1.3.2低磁场束流控制
1.3.3速调型RBWO
1.4本书的主要内容
第2章低磁场RBWO束流控制研究
2.1低磁场漂移管束流振荡包络
2.1.1漂移管束流包络传输理论
2.1.2束流包络模拟研究
2.1.3束流包络实验研究
2.2低磁场RBWO束流相位控制研究
2.2.1束流包络在微波场中的振荡特性
2.2.2束流包络相位对RBWO的影响
2.2.3束流包络相位控制实验研究
2.3低磁场RBWO束流振幅控制研究
2.3.1加速区束流包络传输特性
2.3.2RBWO三维非线性理论
2.3.3理论计算结果与分析
2.3.4束流振荡包络的抑制
2.3.5群聚增强型RBWO
2.4小结
第3章低磁场高效率RBWO设计与模拟研究
3.1器件物理模型
3.1.1器件设计思想
3.1.2二极管参数选择
3.1.3谐振反射器
3.1.4慢波结构色散特性
3.1.5提取腔结构
3.2增强能量提取
3.2.1谐振增强设计
3.2.2反馈增强型RBWO
3.3射频功率控制
3.3.1非均匀慢波结构
3.3.2内反射器
3.4器件PIC模拟
3.4.1整管粒子模拟结果
3.4.2电参数的影响
3.4.3不同结构的影响
3.5小结
第4章低磁场高效率RBWO实验研究
4.1实验系统介绍
4.1.1TPG2000脉冲驱动源
4.1.2脉冲磁体系统
4.1.3低磁场高效率RBWO组件
4.1.4微波传输与辐射系统
4.2实验测量系统
4.2.1二极管参数测量
4.2.2微波参数测量
4.3典型实验结果
4.3.1二极管工作参数
4.3.2微波频率
4.3.3微波功率
4.4工作参数的影响
4.4.1工作磁场
4.4.2工作电压
4.4.3结构参数的影响
4.5二极管绝缘性研究
4.65 GW源永磁包装方案
4.6.1RBWO永磁包装质量分析
4.6.2C波段5 GW源永磁体方案设计
4.7小结
第5章总结与展望
5.1主要工作与结论
5.2主要创新点
5.3存在问题与工作展望
参考文献
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| 內容試閱：
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高功率微波是指峰值功率超过100 MW或者平均功率大于1 MW的强电磁脉冲辐射。高功率微波技术最早源于对核聚变与等离子体的研究，自20世纪70年代以来，高功率微波产生技术得到了迅速的发展，国内外研究人员已在实现高功率、高效率及脉冲重复频率等方面取得了丰硕成果，目前该技术处于从实验室基础研究向工程化应用转型的关键阶段。
作为极有工程应用前景的高功率微波产生器件，相对论返波管具有高功率、高效率的优点，同时还具有较好的频率调谐和拓展能力，可用于产生L波段、S波段、C波段、X波段与毫米波段的高功率微波辐射。经过近半个世纪的发展，使用强引导磁场的相对论返波管已经实现C波段功率超过6 GW（效率达到36%）、X波段功率超过3 GW（效率达到40%）的微波输出。
然而，用于引导返波管工作的强磁场系统（包括螺线管磁体系统和超导磁体系统）存在磁体系统能耗巨大和体积庞大两方面的缺陷。磁体及配套系统体积远大于高功率微波产生器件本身的尺寸，严重限制了高功率微波产生系统的紧凑化和小型化。因此，降低相对论返波管工作所需的引导磁场强度，使其在低磁场下高效工作并最终实现永磁包装，是推动高功率微波技术走向实用的重要技术路线。
尽管针对低磁场高功率微波产生器件的研究工作已开展多年，但人们对低磁场情况下强流电子束的运动规律、束流与强电磁场的互作用特性仍缺乏系统深入的研究，以至于长期以来工作效率始终较低，成为了制约其发展的瓶颈。
在此背景下，本书立足于速调型相对论返波管的技术路线，旨在提升低磁场相对论返波管的转换效率，分别围绕强流相对论电子束与强电磁场两个角度开展了相对论返波管的研究和设计工作。基于束流的低磁场传输特征，提出了通过控制束流振荡相位和幅度实现降低束流能散、增强束流群聚的物理机制；基于速调型返波管中电子束与电磁场的互作用特征，通过射频场优化、非均匀慢波结构、内反射器和波导腔等方法对射频功率进行调控，大幅提高了束波转换效率。
相对论返波管涉及强电磁场与强流带电粒子的非线性相互作用过程、电磁边界条件和通常难以避免的等离子体问题。而在低磁场条件下，由于强流电子束发射、传输与束波互作用过程中所受到的磁约束不足，电磁边界条件向更高维度延伸，实际物理过程会变得更加复杂。
本书通过清晰、简洁的物理模型，对相对论返波管在低磁场下的物理过程展开了研究，获得了明确且具有实用价值的结论，这对相关的研究工作以及高功率微波技术的实际应用将起到积极的推动作用。希望本书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，并为其他微波产生器件的研究提供参考。
范如玉
清华大学工程物理系
2022年1月20日
摘要
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