專利名稱：一種多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法
技術領域：
本發明涉及微波源器件技術領域，是一種多級反常多普勒電子回旋脈 塞互作用方法。
背景技術：
二十世紀五十年代后期，電子回旋脈塞(Electron Cyclotron Resonance Maser， CRM)不禾急定性先后被Twiss， Schneider禾口 Gapanov 獨立地提出。之后，基于電子回旋脈塞互作用的高能微波源在理論和實驗 上都得到深入的研究，這些高能微波源在當今的雷達通訊、定向能武器、
高梯度加速器等方面得到廣泛地應用。
電子回旋脈塞的注波互作用的同步條件可以表示為
w-^-Wc=0 (1) 其中，w是電磁波的角頻率，^是電磁波沿電子注軸向的波數，、是電子
注的軸向速度，A是電子在背景靜磁場下的相對論回旋角頻率，s是互作
用諧波數。當注波互作用諧波數為負整數，x<0，互作用稱為反常多普勒。
基于反常多普勒電子回旋脈塞互作用的微波源，具有以下的優點其一，
反常多普勒電子回旋脈塞可以使用直線電子注。直線電子注可以采用普通
的Pierce電子槍產生，且電子注的均勻性很好，這可以減小速度零散對
器件性能的影響。其二，反常多普勒電子回旋脈塞的具有較大的多普勒頻 移，這使得這類器件具有較大的工作帶寬，在高頻率工作的時候可以減小 器件的對磁場的要求，促進器件的實用化。
盡管基于反常多普勒電子回旋脈塞互作用的微波源具有許多優點，但 是其發展遠遠落后于基于正常多普勒電子回旋脈塞互作用的器件。其根本 原因在于反常多普勒電子回旋脈塞互作用的同步條件難以保持，這造成了 器件的低效率。

發明內容
本發明的目的是公開一種多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法， 該方法通過多級互作用波導，保持電子注與電磁波的反常多普勒電子回旋 脈塞互作用過程中的相位同步條件，維持有效互作用持續進行，提高注波 互作用效率，解決了常規的基于反常多普勒電子回旋脈塞放大器的低效率 問題，促進器件的實用化。
為了實現上述目的，本發明的技術解決方案是
一種多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法，該互作用系統處于真 空中，使用電子注、介質波導、電子注通道；其在波導上金屬板和波導下 金屬板之間至少順序先后加載兩種以上的介質構成多級互作用波導，且介 質的相對介電常數依次增大；
在介質層沿縱軸方向至少具有一個電子注通道，至少有一電子注注入 電子注通道后，與多級互作用波導中的電磁波發生反常多普勒電子回旋脈 塞互作用，以獲得高的互作用效率。
所述的電子回旋脈塞互作用方法，其所述電子注為直線電子注或螺旋 前進的電子注。
所述的電子回旋脈塞互作用方法，其互作用系統具有一個或一個以上 的電子注通道，電子注的數目與電子注通道的數目相等。
所述的電子回旋脈塞互作用方法，其多級互作用波導具有第一介質和 第二介質兩種介質，這兩種介質的相對介電常數分別為 、",，且^>"。，
這兩種介質的固定長度分別取歸一化長度176和213時， =60， "'=75。
所述的電子回旋脈塞互作用方法，其多級互作用波導具有第一介質、 第二介質、第三介質，三種介質的相對介電常數分別是 、w,和",，且 這三種介質的固定長度分別取歸一化長度176、 213和262時， "0=60、 "1=75禾口"2=104。
所述的電子回旋脈塞互作用方法，其所述高的互作用效率，是電子的 橫向速度、與電場的S的夾角-始為;r/2時，電子釋放的能量最多，對應于
最大的互作用效率。
所述的電子回旋脈塞互作用方法，其獲得最高互作用效率高于30%。 所述的電子回旋脈塞互作用方法，其獲得最高互作用效率高于42%。 所述的電子回旋脈塞互作用方法，其在注通道內的真空和介質圓柱界
面上覆蓋一導電材料構成的柵網，柵網接地。
本發明的積極效果是基于多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法
的注波互作用系統能夠延長器件有效互作用時間，提高器件的互作用效
率，促進其實用化。


圖1A常規的單段反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統示意圖1B是圖1A對應的反常多普勒電子回旋脈塞互作用的相對相角隨互
作用距離的變化情況圖1C是圖1A所對應的反常多普勒電子回旋脈塞互作用的效率隨互作
用距離的變化情況圖2A是本發明的單注多級反常多普勒電子回旋脈塞實施方法示意圖； 圖2B是圖2A所對應反常多普勒電子回旋脈塞互作用的效率隨歸一化
長度的變化圖3是本發明的多注集成化多級反常多普勒電子回旋脈塞實施例結構 示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施 例僅在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
為了更加清楚地闡述本發明，以下從理論模型的角度闡述本發明的實 施方法。首先說明常規的單段反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統的特 性，然后提出實施方法，并詳細闡述。
圖1A給出了常規的但段反常多普勒電子回旋脈塞的互作用系統的示意 圖。整個互作用系統處于真空中，且有背景磁場^。圖1A所示的常規的
互作用系統的慢波系統是一介質波導，該介質波導在波導上金屬板1和波 導下金屬板2之間加載一介質層4，相對介電系數為no，且n。〉1。為互
用提供相速度小于真空中光速的慢波。介質層4沿Z軸方向開孔，構成電 子注通道3，電子注通道3可以根據實際要求開為圓孔或者其它滿足要求
的形狀。為了簡化理論分析，波導沿y軸無限延伸。基于該示意圖的理論
模型認為整個波導系統中沿z軸方向傳輸的電磁波為平面電磁波，其相速
度與無限均勻的介質中的平面電磁波一致。基于該理論模型，以一套自洽 非線性理論，較為準確地估計該系統中的反常多普勒電子回旋脈塞互作用 過程。
在圖1A的模型中，與電子發生反常多普勒電子回旋脈塞互作用的平面 電磁波的極化方向與電子的橫向旋轉方向相反。電子滿足基本的運動方
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中，電子速度^可以分解為縱向速度、和橫向速度^， 7 = ^+^， ；r為電 子相對論因子，e為電子電荷，^為電子靜止質量，^和》分別為電磁波 的電場和磁場。這樣的互作用過程可以分為兩個主要的階段
階段一，&>^，。
^,是電磁波的相速度^=^"。在此階段圓偏振波作
用于電子的橫向力為
<formula>formula see original document page 8</formula>
(3)
當電子的初始速度大于電磁波的相速度，橫向作用力將使得電子沿電場方 向加速，電子出現橫向速度v-±，橫向速度的出現使得電子將受到一個縱向 作用力
<formula>formula see original document page 8</formula> (4) 該縱向力沿電子運動的Z軸方向減速。電子在橫向力&和縱向力《作用下，
Z軸方向的動量減小，且橫向動量增加，整體體現為交出能量。
階段二， & <^,,。在階段一中，電子的Z軸方向的速度持續減小，當^ <^
以后，進入第二階段。在第二階段電子受到的橫向作用力與電子的橫向運 動方向相反，橫向也受到減速。由此，電子在橫向和z軸方向都同時減速， 更加有效地交出能量，放大微波。
在第二階段中，電子的橫向速度^與電場的S的夾角^始終小于冗/ 2 。 在互作用過程中-持續增大，當^^冗/2時，第二階段結束，即電子釋放能 量結束。也就是說電子的橫向速度^與電場的f的夾角-始為;r/2時，電子
釋放的能量最多，對應于最大的互作用效率。
圖1B和圖1C給出了圖lA模型在35GHz和95GHz兩個大氣窗口的互作 用過程中，相對相角(--)和互作用效率隨互作用長度的變化。圖1B和 圖1C表明，電子注從一注入互作用系統開始，就釋放能量，互作用效率 持續增加，當相對相角—;r/2時，效率達到最大值。35GHz反常多普勒電 子回旋脈塞互作用的理論峰值效率約17%，而95GHz互作用系統的理論峰 值效率約9%。在此以后，當互作用繼續進行，電子進入加速相位，互作 用效率降低。
基于圖1A的示意圖的實際器件，除了采用介質波導作為互作用波導外， 還可以采用周期結構作為互作用波導，例如常規的行波管螺旋線、周期耦 合腔或者其它的可行的周期結構為反常多普勒電子脈塞提供互作用波導。
為了提高反常多普勒電子回旋脈塞的互作用效率，本發明提出了多級 反常多普勒互作用的方法。多級反常多普勒互作用方法的基本思想就是，
在反常多普勒電子回旋脈塞的峰值效率處改變互作用電磁波的相速度，使 得電子注在新的一段互作用波導中，滿足新的相位同步條件，使得反常多 普勒電子回旋脈塞互作用能繼續有效進行，電子持續釋放能量，以提高系 統的效率。
圖2A給出了三種介質加載的多級反常多普勒回旋電子脈塞的互作用方 法。該圖同時也闡述了兩種介質加載的級反常多普勒回旋電子脈塞的互作
用方法。該介質波導在波導上金屬板1和波導下金屬板2之間順序先后加 載介質4、介質5，根據實際需要，可以進一步增加介質6，這幾種介質的 相對介電常數分別是"。、",和《2。電子注沿z軸的注通道3前進的過程中， 先后經歷介質4、介質5和介質6等多種介質。上金屬板l和波導下金屬 板2與介質4構成第一級介質波導，上金屬板1和波導下金屬板2與介質 5構成第二級介質波導，波導上金屬板1和波導下金屬板2與介質6構成 第三級介質波導。
整個互作用系統處于真空中，互作用同步條件方程(1)中的、確定了 電子的初始軸向能量(即z軸方向的能量)。互作用同步條件方程(1)中 電子的相對論回旋角頻率^確定了背景靜磁場A ，關系為
因為在單級反常多普勒電子回旋脈塞系統中，當互作用效率達到峰值 以后，電子注和電磁波之間的有效互作用相位同步條件即丟失，電子注吸 收能量，互作用效率降低。而在多級互作用系統中，當電子注在第一級介 質波導中的反常多普勒電子回旋脈塞互作用的效率達到峰值以后，電子注 進入第二級介質波導，在新一級波導中，電子注和電磁波之間滿足新的有
效互作用相位同步條件，互作用持續進行。為了使得在后續的每級介質波 導中，電子注與電磁波之間都滿足反常多普電子回旋脈塞互作用的相位同 步條件，介質4、 5和6的介電常數因該依次增大，其具體的取值應該根 據實際的互作用系統的工作參數確定。電子注在每級波導中的持續地將動 能轉化為電磁波的能量，所以這樣的互作用系統可以獲得很高的互作用效 率。
圖2B分別給出了單級、雙級和三級波導中，反常多普勒電子回旋脈塞
互作用效率隨歸一化的互作用距離的變化情況。在我們的簡化的理論模型
分析中，三種介質的相對介電常數分別是 =60、 n,75和 ^04。為了使
實施例具有更好的廣泛適用性，采用歸一參數分析。軸向距離采用歸一化 的軸向距離fe。其中A-2;^/c， /是頻率，c是光速。曲線1表明，單段
波導中，反常多普勒電子回旋脈塞的互作用效率在歸一化長度可在kz二 176處獲得峰值約為15%;若在此處級聯相對介質電常數為"，-75的介質 波導5，后續的互作用過程中，效率持續增加，當kz二213處，效率增加 到約30%;若在此處級聯相對介電常數為 "04的介質波導6，則后續的
波導中，反常多普勒電子回旋脈塞持續進行，效率進一步加大。我們的計 算表明在kz = 262的地方峰值效率可以達到約42%。三級結構的峰值效率 約為單級互作用系統效率的2. 8倍。
雖然實施圖2A和圖2B所述的實施例僅給出了加載二種或三種介質的 多級互作用波導，但是實際的反常多普勒器件中的多級互作用波導所采用 的介質種數卻不限制于此，可以根據需要采用三種以上的介質與波導上金 屬板1和波導下金屬板2構成多級互作用波導。
在實際器件結構中，除了采用介質波導作為多級互作用波導，還可以 用螺旋線等周期結構作為慢波系統。若采用周期系統作為互作用波導可以 通過調節周期結構的周期以調節電磁波的相速度，保證多級反常多普勒互 作用持續有效進行，獲得高的互作用效率。
基于圖2A的實施方法，本發明還提出了如圖3所示的多注集成化多級
反常多普勒電子回旋脈塞方法。與圖2A所示的方法類似，多注集成化方 法，在z軸方向采用多種介質加載，如圖3所示加載介質4、介質5和介 質6等，構成高效率的多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統。在介質 層沿z軸方向具有電子注通道3A、電子注通道3B、電子注通道3C和電子 注通道3D等多電子注通道。電子注通道為1時，便是圖2A所示的實施例。 電子注通道的數目可以根據實際需要選擇，電子注通道的數目還可以選擇 2、 3、 4、 5、……，每個通道對應一個電子注，所以電子注的數目與電子 注通道數目相等。電子注通道的排列方式除了采用圖3所示的正交排列之 外，還可以多樣化，如線性排列、圓形排列、橢圓形排列等。這樣的多注 集方法具有如下優點多注集成可以提高整體輸出功率；多注集成可以適 當降低單電子注的電流，減弱電子注對介質層造成的轟擊損壞。 在多注集成方法中，采用周期結構作為慢波系統也是可取的。 基于多級互作用波導的多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統，還 有以下問題需要說明
說明一，實際反常多普勒器件具有高頻率工作的潛力。如亞毫米波或者 THz頻段采用反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統可以發揮反常多普勒效 應具有大的多普勒相移的優勢，在低的工作磁場下，獲得高頻率的微波能
量輸出。采用多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用，理論上可以在THz頻 段獲得數十個百分點的工作效率，而相比較之下，目前的THz源很少能夠 達到1%。
說明二，盡管在我們分析實施的理論模型中，認為互作用電磁波為平 面電磁波，而實際上電子注可以與非平面電磁波的慢電磁波發生反常多普 勒電子回旋脈塞互作用。這使得實際器件中，可以根據實際情況，構建傳 播非平面電磁波的多級慢波互作用系統。
說明三，反常多普勒互作用通常采用直線電子注注入互作用系統，同 時電子注橫向換能，這使得如何避免或減弱電子注對慢波系統轟擊損壞和 靜電累積造成的打火等問題變得很重要。在采用介質波導的反常多普勒電 子回旋脈塞器件中，可以在電子注通道內的真空和介質圓柱界面上加載一 導電材料構成的柵網，以導引出積累的靜電，保護慢波系統。采用如圖3 的多注集成化多級反常多普勒電子回旋脈塞方法，可以減小每個注通道中 的電流，也可以減弱電子注對互作用波導的轟擊損壞。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想 到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保 護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1、一種多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法，該互作用系統處于真空中，使用電子注、介質波導、電子注通道；其特征在于在波導上金屬板和波導下金屬板之間至少順序先后加載兩種以上的固定長度的介質構成多級互作用波導，且固定長度的介質的相對介電常數依次增大；在介質層沿縱軸方向至少具有一個電子注通道，至少有一電子注注入電子注通道后，與多級互作用波導中的電磁波發生反常多普勒電子回旋脈塞互作用，以獲得高的互作用效率。
2、 如權利要求1所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于所 述電子注為直線電子注或螺旋前進的電子注。
3、 如權利要求1所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于互 作用系統具有一個或一個以上的電子注通道，電子注的數目與電子注通道 的數目相等。
4、 如權利要求1所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于所 述所多級互作用波導具有第一介質和第二介質兩種介質，這兩種介質的相 對介電常數分別為 、",，且巧>"。，這兩種介質的固定長度分別取歸一化 長度176和213時，"。=60， a =75。
5、 如權利要求1所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于所 述多級互作用波導具有第一介質、第二介質、第三介質，三種介質的相對 介電常數分別是 、^和《2，且"2>^>"。，這三種介質的固定長度分別取 歸一化長度176、 213和262時，"。=60 , ", = 75和"2 = 104 。
6、 如權利要求l、 4或5所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在 于所述高的互作用效率，是電子的橫向速度^與電場的S的夾角-始為 v/2時，電子釋放的能量最多，對應于最大的互作用效率。
7、 如權利要求4和6所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于 獲得最高互作用效率高于30%。
8、 如權利要求5和6所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于 獲得最高互作用效率高于42%。
9、 如權利要求1所述的電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于在注通道內的真空和介質圓柱界面上覆蓋一導電材料構成的柵網，柵網接 地。
全文摘要
本發明一種多級反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法，涉及微波源器件技術，該方法的互作用系統處于真空中，使用電子注、介質波導、電子注通道；其在波導上金屬板和波導下金屬板之間至少順序先后加載兩種以上的介質構成多級互作用波導，且介質的相對介電常數依次增大；在介質層沿縱軸方向至少具有一個電子注通道，至少有一電子注注入電子注通道后，與多級互作用波導中的電磁波發生反常多普勒電子回旋脈塞互作用，以獲得高的互作用效率。本發明方法通過多級互作用波導延長了電子注與電磁波的有效互作用時間，提高注波互作用效率，解決了常規的基于反常多普勒電子回旋脈塞互作用的低效率問題。
文檔編號H01P3/16GK101350439SQ20081011515
公開日2009年1月21日 申請日期2008年6月18日 優先權日2008年6月18日
發明者劉濮鯤, 杜朝海 申請人:中國科學院電子學研究所