粉碎機械

[拼音]：haomibo yu yahaomibo zhenkong dianzqijian

[英文]：millimeter wave and submillimetet wave vacuum electron device

產生或放大毫米波與亞毫米波電磁振盪的一類真空電子器件。早在40年代末期，人們就開始探索研製毫米波與亞毫米波真空電子器件，並認為這是微波電子管發展的重要方向。人們曾沿著兩條原則上不同的途徑進行研究。其一是把普通微波管的工作波長推向毫米波或更短波長；另一途徑是尋求新原理的毫米波、亞毫米波真空電子器件。在把普通微波管推向毫米波段方面已取得一定進展。毫米波段的速調管、行波管、磁控管和返波管均已製成。毫米波反射速調管工作波長可達 1.5毫米，輸出功率超過10毫瓦，可用作可靠的毫米波訊號源。行波管在3毫米波長下脈衝功率達1000瓦，平均功率達250瓦。磁控管在 2毫米波長下脈衝功率達1000瓦。返波管是迄今普通微波管中工作波長最短的一種器件，其工作波長已達0.25毫米。普通微波管是以經典波導諧振腔為基礎製作的，其特點是波長與高頻結構幾何尺寸之間存在共度性。但這一原則卻成為普通微波管向毫米波和更短波長髮展的嚴重限制，原因是：

（1）在毫米波段，波導、諧振腔和慢波結構的尺寸已很小，加工非常困難；

（2）互作用空間體積很小，功率容量受到限制；

（3）對陰極的要求超過了陰極實際可能達到的水平。因此，當波長縮短到3毫米左右時，製造普通微波管已非常困難。返波管的慢波結構尺寸稍大，可以推進到亞毫米波段，但機械加工上的困難也達到極限，而且功率和效率均已很低（功率僅數毫瓦，效率低於0.01％）。因此，人們不得不轉向另一途徑，即尋求新原理的毫米波和亞毫米波器件。

人們已經提出多種新的工作原理，但具有實際應用價值的主要有迴旋管和繞射輻射振盪器。

電子迴旋諧振受激輻射與迴旋管

最簡單的迴旋管是迴旋單腔管（見圖）。迴旋單腔管由電子槍、互作用腔、輸出結構（包括收集極、輸出窗）和磁場四個主要部分組成。

電子槍的作用是產生高能量電子注（電子注電壓一般為數十千伏，電流為數安至數十安）。在恆定磁場作用下，注中電子作高速回旋運動，迴旋頻率ω

為

式中e為電子電荷的絕對值，B0為恆定磁場的磁感應強度，m為電子的靜止質量；電子的相對論係數γ為

式中v為電子速度，c為真空中的光速。作迴旋運動的電子進入互作用腔，若互作用腔的諧振頻率ω與電子迴旋頻率ω

滿足條件

電子就與互作用腔中的角向電場相互作用，將回旋能量交給電磁場，從而激勵出高頻電磁場。式中 n為正整數，n＝1時，電子迴旋頻率與互作用腔的諧振頻率基本相同，迴旋管工作在電子迴旋的基波狀態。在基波狀態下，電子與電磁場的相互作用最強，所以大多數迴旋管均工作在基波狀態。n＞1，電子迴旋頻率比諧振頻率低，迴旋管工作在電子迴旋的高次諧波狀態下。這時迴旋管工作所需磁場較弱，但是電子與場的相互作用不及基波時強。現代實用的迴旋管最高僅能工作到2次諧波(n=2)。互作用腔中激勵出的電磁振盪能量通過輸出結構輸出，而相互作用後的電子則打在收集極上。

互作用腔是由一段兩端敞開的波導所構成的諧振腔，腔壁為光滑的金屬面，沒有慢波結構。另一方面，迴旋管可以工作在互作用腔的高次模式上，因此腔尺寸不受與波長共度這一原則的限制。由於這些原因，迴旋管擺脫了普通微波管在毫米波和亞毫米波段所受到的限制。

迴旋管在毫米波段已取得了重要的進展。80年代初，研製成一種採用複合腔的迴旋管，工作於8毫米波長，在微秒級脈寬下輸出功率為700千瓦，效率超過60％，這是任何普通微波管所無法比擬的。此外，工作波長為2毫米的迴旋管，輸出功率已達100千瓦，效率亦已超過 20％。8毫米波段迴旋管已有工業產品。

迴旋管在毫米波段的地位已經確立。從技術上看，製成兆瓦級的迴旋管也是可能的，這樣就可以為等離子體加熱提供一種有價值的功率源。在亞毫米波段，迴旋管面臨的一個主要問題，是所需的工作磁場太強，一般要超過10萬高斯，即使利用超導磁體也難得到如此強的磁場。有人實驗用脈衝電流產生強磁場，並製成了亞毫米波段的實驗性迴旋管。此外，原則上也可以使迴旋管工作於高次迴旋諧波，從而降低迴旋管的工作磁場。儘管迴旋管是一種大功率器件，但也在向小功率方向發展。迴旋管的品種正在增加，除迴旋單腔管外，迴旋速調管、迴旋行波管、迴旋返波管、迴旋磁控管也都處於實驗室研究階段。

受激史密斯-伯塞爾效應毫米波真空電子器件

這類器件通常稱為繞射輻射振盪器，又稱為奧羅管。當自由電子在光柵上方運動時，即使電子是勻速的也會輻射出電磁波。這種現象稱為史密斯－伯塞爾效應。輻射的電磁波波長λ 取決於電子速度v＝βc、觀察輻射角φn和光柵週期l，其表示式為

式中β＝v/c，v為電子速度，c為光速。利用準光腔將這種輻射反饋到電子注中，則電子注在縱向高頻場作用下產生群聚，如果電子速度和沿光柵表面傳播的慢空間諧波相速滿足一定同步條件，就會在諧振腔中激勵起電磁振盪。

理論研究和實驗工作表明，奧羅管由於採用準光學諧振腔作為諧振系統而具有一系列優點，即：諧振腔尺寸不再受與波長共度原則的限制；利用常規電子注就能在毫米波和亞毫米波段提供起振電流和工作所需的電流；工作頻率在寬頻帶內連續可調等。因此，奧羅管是一種極有前途的寬頻帶的中、小功率毫米波和亞毫米波器件。奧羅管在 4毫米波長下輸出功率已達10瓦，在0.85毫米波長下輸出功率達到數十毫瓦。

奧羅管正在進入工程應用。奧羅管已應用到測量訊號源和等離子體診斷技術中。為了增大互作用區以進一步提高功率和效率，已研製出一些結構新穎的管種。研究表明，普通微波管技術和準光學技術相結合，是毫米波和亞毫米波真空電子器件發展的有效途徑之一。

除了以上兩類器件之外，還有一些新原理的器件正在探索之中，但尚未達到工程應用水平。其中最重要的是自由電子鐳射器。自由電子鐳射器出現於1976年。與常規鐳射器利用束縛電子的位能躍遷不同，自由電子鐳射器利用的是自由電子的動能躍遷。根據能量交換的形式，自由電子鐳射器可以分為兩大類，即利用電子橫向動能型和利用電子縱向動能型。前一種型別是研究的重點，其基本原理是相對論電子注和電磁波的受激相干散射。在亞毫米波段，自由電子鐳射器的納秒脈衝功率已達數百兆瓦，但效率很低（5％以下）。

在自由電子鐳射器的實驗研究中，原理論證階段已結束，正致力於提高鐳射器的效能。理論研究表明，自由電子鐳射器具有高功率、高效率、高頻率和頻率連續可調等優點。但是，已經公佈的實驗結果與理論的預期結果有很大差距。例如，理論計算自由電子鐳射器效率可以高達40％，然而目前實驗的最好結果還不到6％。研究人員正致力於改進實驗自由電子鐳射器的效能。隨著理論與實驗差距的縮短，自由電子鐳射器可能在超大功率及頻率連續可調鐳射器中佔有重要地位。

隨著研究工作的日益深入，已興起一個新的電子學分支──相對論電子學。可以預期，隨著實驗應用的擴大和相對論電子學的成熟，毫米波與亞毫米波真空電子器件將得到進一步的發展。