肖仁珍

(西北核技術研究所， 西安 710024)

高功率微波(high power microwave， HPM)通常是指峰值功率超過100 MW，頻率為1～300 GHz的相干電磁輻射[1]，在科研、民用和國防領域具有非常廣闊的應用前景，主要包括等離子體加熱、高功率雷達、太空推進器、高能粒子加速及定向能武器等。

HPM系統(tǒng)主要由脈沖功率源、HPM器件、傳輸與發(fā)射單元和指控單元等組成。其中：脈沖功率源將低壓電功率轉(zhuǎn)化為高壓短脈沖功率，是系統(tǒng)的基礎，占據(jù)系統(tǒng)的大部分體積和重量；HPM源以電子束作為媒介，將高壓脈沖功率轉(zhuǎn)化為微波功率，是系統(tǒng)的核心。提高HPM源的束波功率轉(zhuǎn)換效率，同時降低引導電子束傳輸?shù)耐饧哟艌?，有利于減小整個系統(tǒng)的體積和重量，使其滿足輕小型化、機動性等要求；提高HPM源的功率有利于增加作用距離，提高系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的HPM源輸出功率和轉(zhuǎn)換效率較低，且大都工作在較強引導磁場下，已成為限制HPM應用的瓶頸問題。提高HPM源的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，降低引導磁場是將HPM推向廣泛應用的關鍵，也是HPM技術研究的前沿熱點和國際性挑戰(zhàn)。

相對論返波管(relativistic backward wave oscillator, RBWO)具有相對較高的功率和效率及適合重復頻率工作等優(yōu)點，是最重要的HPM源之一[2-6]。2002年，西北核技術研究所報道了微波功率為1.1 GW, 轉(zhuǎn)換效率為33%和重頻為100 Hz的實驗結(jié)果[3]；2008年，俄羅斯大電流所報道了微波功率為4.3 GW，轉(zhuǎn)換效率為31%的實驗結(jié)果[4]； 2011年，中國工程物理研究院實驗獲得了微波功率為6 GW，轉(zhuǎn)換效率為27.5%，功率為5.4 GW，重頻為30 Hz的結(jié)果[5]； 2015年，國防科技大學在低磁場下獲得了微波功率為2 GW，脈寬為116 ns，轉(zhuǎn)換效率為28%，重頻為30 Hz的結(jié)果[6]。由此可見，盡管現(xiàn)有RBWO輸出功率已達到數(shù)吉瓦，但轉(zhuǎn)換效率一般僅在30%左右。近10年來，本文作者所在團隊圍繞進一步提高RBWO的輸出功率和效率、降低引導磁場等問題，在速調(diào)型RBWO、雙模工作RBWO和牽引鎖相RBWO等方面開展了系列工作，取得了多項進展。

1 速調(diào)型RBWO

RBWO和相對論速調(diào)管是2類著名的HPM源。RBWO采用切倫科夫輻射機制，在慢波結(jié)構(gòu)中，電子束一邊產(chǎn)生群聚，一邊將能量交給電磁場，是一種分布式相互作用，功率容量較高，但轉(zhuǎn)換效率一般不足30%[2-6]。相對論速調(diào)管采用渡越輻射機制，電子束在注入腔處產(chǎn)生速度群聚，在漂移段逐步轉(zhuǎn)換為密度群聚，經(jīng)中間腔后群聚增強，最后在提取腔將能量交給電磁場，是一種集中式相互作用，轉(zhuǎn)換效率較高[7-8]，但由于漂移段需截止產(chǎn)生的微波，尺寸較小，在高頻下功率容量受限。

RBWO和相對論速調(diào)管的功率轉(zhuǎn)換效率均可表示為[9]

(1)

其中：L為束波相互作用區(qū)長度；Ez為軸向電場強度；I1為調(diào)制電流；δ為Ez和I1之間的相位差；U0為二極管電壓；I0為二極管電流。由式(1)可知，轉(zhuǎn)換效率的提高主要依賴于電場幅度、調(diào)制電流深度及電場和調(diào)制電流的相位匹配。

據(jù)此，我們將RBWO高功率容量和相對論速調(diào)管高效率的優(yōu)點結(jié)合起來，提出切倫科夫輻射和渡越輻射混合產(chǎn)生HPM的原理[10]，發(fā)明了速調(diào)型RBWO。圖1為速調(diào)型RBWO結(jié)構(gòu)示意圖和轉(zhuǎn)換效率η隨時間t的變化關系。

通過增強電場幅度和調(diào)制電流深度，改善電場和調(diào)制電流的相位匹配，可顯著提高RBWO的功率和轉(zhuǎn)換效率。與傳統(tǒng)RBWO相比，速調(diào)型RBWO具有3大結(jié)構(gòu)特點[10-12]：(1)利用高階模諧振反射器代替原有的基模諧振反射器，使反射器的最大電場遠離金屬表面，增大了器件的功率容量；(2)在慢波結(jié)構(gòu)中間插入感性調(diào)制腔，減小局部軸向電場，降低調(diào)制電子束的能散，增強了切倫科夫輻射；(3)在慢波結(jié)構(gòu)末端增加容性提取腔，增加局部軸向電場，同時相位發(fā)生突變，使本已進入加速相位的電子繼續(xù)減速，改善電場和調(diào)制電流的相位匹配，實現(xiàn)了渡越輻射。理論上，建立了速調(diào)型RBWO束波相互作用的模型，全面考慮了電子束與慢波結(jié)構(gòu)前向波基波、反向波-1次空間諧波及空間電荷場的相互作用，諧振反射器對電子束的束流調(diào)制和能量調(diào)制作用、調(diào)制腔和提取腔處引入的耦合阻抗及軸向波數(shù)突變。穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果均表明，速調(diào)型RBWO的轉(zhuǎn)換效率可超過40%[13]。模擬中，器件輸出功率提高至5 GW以上時，轉(zhuǎn)換效率從不足30%提高到了48%，如圖1(b)所示。實驗中，采用發(fā)射延遲時間長和發(fā)射閾值高的材料作為陰極引桿，對陰極引桿進行表面工藝處理，同時減小石墨陰極的長度，顯著抑制了高電壓下強流二極管的陰極等離子體擴散和阻抗崩潰[14]，獲得了C波段功率為6.5 GW、轉(zhuǎn)換效率為36%及功率為4.4 GW、轉(zhuǎn)換效率為47%的結(jié)果[11]。

進一步發(fā)展了一種帶雙間隙提取腔的速調(diào)型RBWO[15]。雙間隙提取腔包含2個腔，軸向電場相位差為0，且第2個腔中的軸向電場比第1個腔更強。這種更強的軸向電場有利于增強渡越輻射，提高器件在高電壓下工作時的效率。模擬中，該結(jié)構(gòu)使輸出功率為10 GW的速調(diào)型RBWO的轉(zhuǎn)換效率從不足30%提高到了48%。

在此基礎上，研究了一種帶雙預調(diào)制腔的速調(diào)型RBWO[16]。圖2為帶雙預調(diào)腔的速調(diào)型RBWO結(jié)構(gòu)示意圖及功率分布。

在諧振反射器前增加雙預調(diào)制腔，可相對獨立地調(diào)節(jié)密度群聚的幅度和相位，增大提取腔調(diào)制電流；同時改善調(diào)制電流分布，使調(diào)制電流最深的位置對應軸向電場最強的位置。最大電流調(diào)制幅度高達1.67，遠高于傳統(tǒng)器件約為1的結(jié)果，極大地增強了渡越輻射。模擬中，該結(jié)構(gòu)輸出功率為5.1 GW時，轉(zhuǎn)換效率高達70%[17]。采用分布式能量提取的方法，即一部分功率通過第1個提取腔從同軸波導輸出，另一部分功率通過第2個提取腔從圓波導輸出，可在保持轉(zhuǎn)換效率為70%的情況下，將提取腔的軸向電場從2.26 MV·cm-1降低到1.28 MV·cm-1，顯著提高了速調(diào)型RBWO的功率容量[18]。給出了一種精確調(diào)控束流通路的方法[19]，通過在提取腔外側(cè)增加軟磁體提供局部擴張的磁場位型，使電子束在靠近提取腔時半徑向外擴展，經(jīng)提取腔后向內(nèi)收縮，最后在距提取腔較遠處被收集。既增強了束波相互作用，又降低了收集極等離子體的影響，可在提高轉(zhuǎn)換效率的同時避免脈沖縮短。

綜合上述多項研究成果，在最新的X波段速調(diào)型RBWO實驗中，已獲得輸出功率為2.8 GW、轉(zhuǎn)換效率為66%的實驗結(jié)果[20]。

2 雙模工作RBWO

大多數(shù)高功率高效率RBWO工作在強磁場環(huán)境下，需由脈沖磁體或超導磁體提供引導磁場。一方面，對脈沖磁體進行充電或?qū)Τ瑢Т朋w進行冷卻，耗能巨大；另一方面，磁體系統(tǒng)的體積和重量龐大，不利于HPM系統(tǒng)的實際應用。將引導磁場降低至可永磁包裝(小于1 T)的水平，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的輕小型化，是當前HPM源研究的一個熱點。但現(xiàn)有低磁場RBWO的功率和轉(zhuǎn)換效率偏低，如X波段輸出功率不超過3 GW，轉(zhuǎn)換效率小于30%[6, 21]。

研究者普遍認為低磁場RBWO效率低的主要原因在于束流品質(zhì)較差，包括存在較大的橫向動量及較大的電子束徑向振蕩包絡。采用大尺寸的過模結(jié)構(gòu)有利于減小橫向動量，抑制徑向振蕩包絡。與單模器件相比，輸出功率有了較大的提高。因此，采用過模結(jié)構(gòu)是低磁場HPM源設計的趨勢，如國防科技大學的過模RBWO[6]及俄羅斯大電流所的雙波切倫科夫振蕩器[21]。但由于多個模式同時存在，采用過模結(jié)構(gòu)以后，易產(chǎn)生模式競爭問題，限制轉(zhuǎn)換效率的提高。國防科技大學的過模RBWO，采用了均勻慢波結(jié)構(gòu)(slow wave structure,SWS)，工作模式為TM01表面波，輸出模式為TM01模，實驗轉(zhuǎn)換效率約為28%[6]。俄羅斯大電流所的X波段雙波切倫科夫振蕩器，采用了雙段均勻慢波結(jié)構(gòu)，電子束與TM01表面波相互作用，TM02模式用于反饋和傳能，低磁場下的實驗轉(zhuǎn)換效率約為25%[21]。上述2種器件輸出模式均為純模，在束波相互作用的同時，需兼顧模式控制，一定程度上也限制了效率的提高。

因此，我們提出了雙模工作機制，發(fā)展了雙模工作、混合模輸出和內(nèi)反射器參與反射相結(jié)合的RBWO的設計思想，顯著提高了低磁場RBWO的輸出功率和效率。

雙模工作機制是指電子束與基模TM01表面波和高階模TM02體波同時相互作用產(chǎn)生HPM。圖3為雙模工作RBWO結(jié)構(gòu)示意圖和慢波結(jié)構(gòu)色散曲線。具體地說，電子束與慢波結(jié)構(gòu)中TM01模的-1次空間諧波產(chǎn)生同步相互作用。反向傳輸?shù)腡M01模經(jīng)模式轉(zhuǎn)換反射器后，轉(zhuǎn)換成前向的TM02模。TM02體波的相速約是TM01表面波的2倍，因此，TM02模在HPM產(chǎn)生中也起到了重要作用。同時由于TM02模是體波，最大電場遠離金屬表面，慢波結(jié)構(gòu)的功率容量得到明顯提高；且與過模表面波RBWO相比，雙模工作RBWO的轉(zhuǎn)換效率提高至60%以上[22]。

在此基礎上，我們發(fā)展了低磁場RBWO設計的新思想：雙模工作、混合模輸出和內(nèi)反射器參與反射[23-25]。(1)傳統(tǒng)的過模器件設計中，通常使電子束與單一模式相互作用，為避免模式競爭，往往采用均勻慢波結(jié)構(gòu)，效率難以提高；新設計中，采用雙模工作機制，電子束與2個模式同時進行相互作用，單頻模式競爭問題不復存在，同時采用高度非均勻的慢波結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的混合軸向電場，有利于提高效率。(2)傳統(tǒng)的過模器件設計中，通常使輸出模式為純模，有利于進行模式轉(zhuǎn)換，但考慮束波相互作用的同時還要兼顧模式控制，不利于提高轉(zhuǎn)換效率；新設計中，輸出模式為混合模，利用新型雙腔模式轉(zhuǎn)換器，可將任意比例和相對相位的TM01和TM02混合模高效轉(zhuǎn)化成純TM01模輸出，在束波相互作用的同時無需兼顧模式控制，有利于提高效率。上述雙模工作和混合模輸出兩大設計思想的結(jié)合，使電子束可“一心一意”地與2個模式組成的“超?！碑a(chǎn)生相互作用，沒有任何“后顧之憂”，有利于最大限度地提高轉(zhuǎn)換效率。(3)傳統(tǒng)觀念認為在二極管和慢波結(jié)構(gòu)之間加入反射器對二者進行隔離，可使輸出微波穩(wěn)定，但在過模結(jié)構(gòu)中，往往要反射多個模式，反射器設計難度增加，結(jié)構(gòu)復雜，長度與慢波結(jié)構(gòu)相當甚至更長；新設計中，采用嵌入環(huán)形陰極的內(nèi)反射器進行反射，通過內(nèi)反射器位置的精細調(diào)節(jié)，實現(xiàn)微波的穩(wěn)定輸出，顯著縮短了束波相互作用區(qū)和所需磁場均勻區(qū)的長度，整個器件結(jié)構(gòu)緊湊，有利于實現(xiàn)永磁包裝。

利用該思想，我們提出一種X波段低磁場雙模工作RBWO結(jié)構(gòu)[25]。圖4為X波段低磁場雙模工作RBWO結(jié)構(gòu)示意圖和場分布。

該結(jié)構(gòu)由環(huán)形陰極、內(nèi)反射器、雙預調(diào)制腔、非均勻慢波結(jié)構(gòu)和輸出波導構(gòu)成。模擬中，當磁感應強度為0.64 T時，該結(jié)構(gòu)的輸出功率為4.8 GW，轉(zhuǎn)換效率達44%。實驗中，改進了實驗技術，改變了以往實驗的2大傳統(tǒng)做法。(1)以往實驗中，實驗結(jié)構(gòu)參數(shù)主要由模擬優(yōu)化確定，只有少量可調(diào)；該實驗中，考慮到低磁場下理論模擬中的電子發(fā)射模型與實驗并不完全相符，模擬優(yōu)化參數(shù)只是給實驗參數(shù)提供一個初始值，在此基礎上對陰極與電動力學結(jié)構(gòu)均進行了大量調(diào)節(jié)。(2)以往實驗中，采用輻射場單路測量，通過單點移動來獲得方向圖，費時費力，且因測量系統(tǒng)頻繁移動，測量不確定度增加；該實驗中，由于是混合模輸出，實驗參數(shù)改變時方向圖也發(fā)生改變，因此采用由12路測量單元組成的輻射場陣列測量法，無需移動即可快速獲得方向圖，且測量系統(tǒng)固定，測量不確定度小，可準確反映參數(shù)改變導致的微波功率的微小變化，指導參數(shù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)。當磁感應強度為0.66 T時，實驗獲得了輸出頻率為X波段，功率為4.8 GW，轉(zhuǎn)換效率為42%的結(jié)果。提高電壓后，進一步優(yōu)化參數(shù)，當磁感應強度為0.76 T時，輸出功率為7.6 GW。

3 牽引鎖相RBWO

單個HPM源向更高功率發(fā)展必然會遇到物理限制，通過多個器件進行功率合成是必由之路。其中，核心技術是HPM源的鎖頻鎖相技術。

原理上，HPM放大器，如相對論速調(diào)管，具有頻率和相位受外加種子信號控制的特點，適于功率合成。但在高頻段工作時，相對論速調(diào)管的轉(zhuǎn)換效率及功率容量嚴重受限。速調(diào)型RBWO具有高功率和高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點，但作為振蕩器，輸出微波相位具有隨機性。而傳統(tǒng)的振蕩器鎖相方法，如強耦合法[26-28]，受經(jīng)典Adler條件的限制[29]，要實現(xiàn)吉瓦量級RBWO的鎖相，要求注入功率在百兆瓦量級。通常需通過電動力學通道將振蕩器單元耦合來實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復雜，可控性差，且難以實現(xiàn)單個器件的移相，不利于系統(tǒng)的擴展。

我們將HPM放大器頻率和相位可控的優(yōu)點與速調(diào)型RBWO高功率和高效率的優(yōu)點結(jié)合起來，提出在HPM振蕩器起振過程外加弱信號對電子束進行預調(diào)制，從而控制輸出微波相位的方法[30-32]，探索了一條實用化的HPM振蕩器鎖頻鎖相及功率合成技術路線。建立了外加注入信號對電子束速度和電流調(diào)制的理論模型，揭示了HPM振蕩器中電子束調(diào)制幅度及相位對微波起振過程的調(diào)控機理[33]：外加注入信號的初始相位決定了調(diào)制電子束的相位，受調(diào)制的電子束誘導處于任意初始相位的微波信號穩(wěn)定到平衡相位，起振過程中微波信號很弱，因此利用較低的注入功率即可實現(xiàn)對輸出微波相位的牽引。圖5為外加注入信號牽引鎖相的理論研究結(jié)果。

通過在器件前端增加注入腔引入外加信號，在注入腔和諧振反射器之間增加預調(diào)制腔進一步降低所需注入功率，利用諧振反射器向輸出端反射產(chǎn)生的微波，實現(xiàn)了低功率注入通道與HPM產(chǎn)生通道的空間隔離[34]。圖6為外加注入信號的速調(diào)型RBWO結(jié)構(gòu)示意圖。設計了矩形TE10模到過模同軸波導TEM模的模式轉(zhuǎn)換器，外加信號的注入效率接近100%，環(huán)向幅度不均勻性小于±3%，相位波動小于±1.5°。開展了牽引鎖相RBWO實驗，實現(xiàn)了注入功率為92 kW時，對X波段輸出功率為2.4 GW微波相位的穩(wěn)定控制，多個脈沖在20 ns范圍內(nèi)相對相位差小于24°。

研制了集模式轉(zhuǎn)換和功率合成為一體的兩路牽引鎖相RBWO的功率合成實驗裝置，如圖7所示。該裝置由具有公共輸出端的2個TM01-TE11蛇彎模式轉(zhuǎn)換器組成，可將頻率相同，相位差為180°的2個TM01模轉(zhuǎn)化為TE11模合成輸出，理論轉(zhuǎn)換效率為95.2%[35]。在兩路牽引鎖相RBWO的功率合成實驗中，2路RBWO輸出功率分別為3.1 ，3.7 GW，2路微波相對相位抖動約為20°，合成輸出功率為6.2 GW，合成轉(zhuǎn)換效率為91%[34]。

4 結(jié)論

近10年，我們在提高RBWO的輸出功率、轉(zhuǎn)換效率及降低引導磁場等方面取得了系列進展：(1)提出切倫科夫輻射和渡越輻射混合產(chǎn)生HPM的原理，建立了混合輻射的束波相互作用理論，發(fā)明了速調(diào)型RBWO，實驗中輸出功率達數(shù)吉瓦，轉(zhuǎn)換效率從30%提高到66%；(2)提出電子束與基模和高階模同時相互作用的雙模工作機制，創(chuàng)立了雙模工作、混合模輸出和內(nèi)反射器參與反射相結(jié)合的HPM源設計思想，發(fā)明了低磁場雙模工作RBWO，實驗中輸出功率提高達2.5倍，最高轉(zhuǎn)換效率從小于30%提高到42%；(3)提出通過外加注入信號對電子束進行預調(diào)制控制HPM振蕩器輸出微波相位的方法，研制了高效率注入和高功率合成的結(jié)構(gòu)，發(fā)明了牽引鎖相RBWO，實現(xiàn)了數(shù)吉瓦輸出微波的相位控制和功率合成。

今后將進一步提高低磁場過模結(jié)構(gòu)RBWO的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)永磁包裝和功率合成，為應用奠定堅實的基礎。