相对论返波管研究进展

肖仁珍

(西北核技术研究所， 西安 710024)

高功率微波(high power microwave， HPM)通常是指峰值功率超过100 MW，频率为1～300 GHz的相干电磁辐射[1]，在科研、民用和国防领域具有非常广阔的应用前景，主要包括等离子体加热、高功率雷达、太空推进器、高能粒子加速及定向能武器等。

HPM系统主要由脉冲功率源、HPM器件、传输与发射单元和指控单元等组成。其中：脉冲功率源将低压电功率转化为高压短脉冲功率，是系统的基础，占据系统的大部分体积和重量；HPM源以电子束作为媒介，将高压脉冲功率转化为微波功率，是系统的核心。提高HPM源的束波功率转换效率，同时降低引导电子束传输的外加磁场，有利于减小整个系统的体积和重量，使其满足轻小型化、机动性等要求；提高HPM源的功率有利于增加作用距离，提高系统的性能。传统的HPM源输出功率和转换效率较低，且大都工作在较强引导磁场下，已成为限制HPM应用的瓶颈问题。提高HPM源的输出功率和转换效率，降低引导磁场是将HPM推向广泛应用的关键，也是HPM技术研究的前沿热点和国际性挑战。

相对论返波管(relativistic backward wave oscillator, RBWO)具有相对较高的功率和效率及适合重复频率工作等优点，是最重要的HPM源之一[2-6]。2002年，西北核技术研究所报道了微波功率为1.1 GW, 转换效率为33%和重频为100 Hz的实验结果[3]；2008年，俄罗斯大电流所报道了微波功率为4.3 GW，转换效率为31%的实验结果[4]； 2011年，中国工程物理研究院实验获得了微波功率为6 GW，转换效率为27.5%，功率为5.4 GW，重频为30 Hz的结果[5]； 2015年，国防科技大学在低磁场下获得了微波功率为2 GW，脉宽为116 ns，转换效率为28%，重频为30 Hz的结果[6]。由此可见，尽管现有RBWO输出功率已达到数吉瓦，但转换效率一般仅在30%左右。近10年来，本文作者所在团队围绕进一步提高RBWO的输出功率和效率、降低引导磁场等问题，在速调型RBWO、双模工作RBWO和牵引锁相RBWO等方面开展了系列工作，取得了多项进展。

1 速调型RBWO

RBWO和相对论速调管是2类著名的HPM源。RBWO采用切伦科夫辐射机制，在慢波结构中，电子束一边产生群聚，一边将能量交给电磁场，是一种分布式相互作用，功率容量较高，但转换效率一般不足30%[2-6]。相对论速调管采用渡越辐射机制，电子束在注入腔处产生速度群聚，在漂移段逐步转换为密度群聚，经中间腔后群聚增强，最后在提取腔将能量交给电磁场，是一种集中式相互作用，转换效率较高[7-8]，但由于漂移段需截止产生的微波，尺寸较小，在高频下功率容量受限。

RBWO和相对论速调管的功率转换效率均可表示为[9]

(1)

其中：L为束波相互作用区长度；Ez为轴向电场强度；I1为调制电流；δ为Ez和I1之间的相位差；U0为二极管电压；I0为二极管电流。由式(1)可知，转换效率的提高主要依赖于电场幅度、调制电流深度及电场和调制电流的相位匹配。

据此，我们将RBWO高功率容量和相对论速调管高效率的优点结合起来，提出切伦科夫辐射和渡越辐射混合产生HPM的原理[10]，发明了速调型RBWO。图1为速调型RBWO结构示意图和转换效率η随时间t的变化关系。

通过增强电场幅度和调制电流深度，改善电场和调制电流的相位匹配，可显著提高RBWO的功率和转换效率。与传统RBWO相比，速调型RBWO具有3大结构特点[10-12]：(1)利用高阶模谐振反射器代替原有的基模谐振反射器，使反射器的最大电场远离金属表面，增大了器件的功率容量；(2)在慢波结构中间插入感性调制腔，减小局部轴向电场，降低调制电子束的能散，增强了切伦科夫辐射；(3)在慢波结构末端增加容性提取腔，增加局部轴向电场，同时相位发生突变，使本已进入加速相位的电子继续减速，改善电场和调制电流的相位匹配，实现了渡越辐射。理论上，建立了速调型RBWO束波相互作用的模型，全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波-1次空间谐波及空间电荷场的相互作用，谐振反射器对电子束的束流调制和能量调制作用、调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均表明，速调型RBWO的转换效率可超过40%[13]。模拟中，器件输出功率提高至5 GW以上时，转换效率从不足30%提高到了48%，如图1(b)所示。实验中，采用发射延迟时间长和发射阈值高的材料作为阴极引杆，对阴极引杆进行表面工艺处理，同时减小石墨阴极的长度，显著抑制了高电压下强流二极管的阴极等离子体扩散和阻抗崩溃[14]，获得了C波段功率为6.5 GW、转换效率为36%及功率为4.4 GW、转换效率为47%的结果[11]。

进一步发展了一种带双间隙提取腔的速调型RBWO[15]。双间隙提取腔包含2个腔，轴向电场相位差为0，且第2个腔中的轴向电场比第1个腔更强。这种更强的轴向电场有利于增强渡越辐射，提高器件在高电压下工作时的效率。模拟中，该结构使输出功率为10 GW的速调型RBWO的转换效率从不足30%提高到了48%。

在此基础上，研究了一种带双预调制腔的速调型RBWO[16]。图2为带双预调腔的速调型RBWO结构示意图及功率分布。

在谐振反射器前增加双预调制腔，可相对独立地调节密度群聚的幅度和相位，增大提取腔调制电流；同时改善调制电流分布，使调制电流最深的位置对应轴向电场最强的位置。最大电流调制幅度高达1.67，远高于传统器件约为1的结果，极大地增强了渡越辐射。模拟中，该结构输出功率为5.1 GW时，转换效率高达70%[17]。采用分布式能量提取的方法，即一部分功率通过第1个提取腔从同轴波导输出，另一部分功率通过第2个提取腔从圆波导输出，可在保持转换效率为70%的情况下，将提取腔的轴向电场从2.26 MV·cm-1降低到1.28 MV·cm-1，显著提高了速调型RBWO的功率容量[18]。给出了一种精确调控束流通路的方法[19]，通过在提取腔外侧增加软磁体提供局部扩张的磁场位型，使电子束在靠近提取腔时半径向外扩展，经提取腔后向内收缩，最后在距提取腔较远处被收集。既增强了束波相互作用，又降低了收集极等离子体的影响，可在提高转换效率的同时避免脉冲缩短。

综合上述多项研究成果，在最新的X波段速调型RBWO实验中，已获得输出功率为2.8 GW、转换效率为66%的实验结果[20]。

2 双模工作RBWO

大多数高功率高效率RBWO工作在强磁场环境下，需由脉冲磁体或超导磁体提供引导磁场。一方面，对脉冲磁体进行充电或对超导磁体进行冷却，耗能巨大；另一方面，磁体系统的体积和重量庞大，不利于HPM系统的实际应用。将引导磁场降低至可永磁包装(小于1 T)的水平，有利于实现系统的轻小型化，是当前HPM源研究的一个热点。但现有低磁场RBWO的功率和转换效率偏低，如X波段输出功率不超过3 GW，转换效率小于30%[6, 21]。

研究者普遍认为低磁场RBWO效率低的主要原因在于束流品质较差，包括存在较大的横向动量及较大的电子束径向振荡包络。采用大尺寸的过模结构有利于减小横向动量，抑制径向振荡包络。与单模器件相比，输出功率有了较大的提高。因此，采用过模结构是低磁场HPM源设计的趋势，如国防科技大学的过模RBWO[6]及俄罗斯大电流所的双波切伦科夫振荡器[21]。但由于多个模式同时存在，采用过模结构以后，易产生模式竞争问题，限制转换效率的提高。国防科技大学的过模RBWO，采用了均匀慢波结构(slow wave structure,SWS)，工作模式为TM01表面波，输出模式为TM01模，实验转换效率约为28%[6]。俄罗斯大电流所的X波段双波切伦科夫振荡器，采用了双段均匀慢波结构，电子束与TM01表面波相互作用，TM02模式用于反馈和传能，低磁场下的实验转换效率约为25%[21]。上述2种器件输出模式均为纯模，在束波相互作用的同时，需兼顾模式控制，一定程度上也限制了效率的提高。

因此，我们提出了双模工作机制，发展了双模工作、混合模输出和内反射器参与反射相结合的RBWO的设计思想，显著提高了低磁场RBWO的输出功率和效率。

双模工作机制是指电子束与基模TM01表面波和高阶模TM02体波同时相互作用产生HPM。图3为双模工作RBWO结构示意图和慢波结构色散曲线。具体地说，电子束与慢波结构中TM01模的-1次空间谐波产生同步相互作用。反向传输的TM01模经模式转换反射器后，转换成前向的TM02模。TM02体波的相速约是TM01表面波的2倍，因此，TM02模在HPM产生中也起到了重要作用。同时由于TM02模是体波，最大电场远离金属表面，慢波结构的功率容量得到明显提高；且与过模表面波RBWO相比，双模工作RBWO的转换效率提高至60%以上[22]。

在此基础上，我们发展了低磁场RBWO设计的新思想：双模工作、混合模输出和内反射器参与反射[23-25]。(1)传统的过模器件设计中，通常使电子束与单一模式相互作用，为避免模式竞争，往往采用均匀慢波结构，效率难以提高；新设计中，采用双模工作机制，电子束与2个模式同时进行相互作用，单频模式竞争问题不复存在，同时采用高度非均匀的慢波结构，以获得最佳的混合轴向电场，有利于提高效率。(2)传统的过模器件设计中，通常使输出模式为纯模，有利于进行模式转换，但考虑束波相互作用的同时还要兼顾模式控制，不利于提高转换效率；新设计中，输出模式为混合模，利用新型双腔模式转换器，可将任意比例和相对相位的TM01和TM02混合模高效转化成纯TM01模输出，在束波相互作用的同时无需兼顾模式控制，有利于提高效率。上述双模工作和混合模输出两大设计思想的结合，使电子束可“一心一意”地与2个模式组成的“超模”产生相互作用，没有任何“后顾之忧”，有利于最大限度地提高转换效率。(3)传统观念认为在二极管和慢波结构之间加入反射器对二者进行隔离，可使输出微波稳定，但在过模结构中，往往要反射多个模式，反射器设计难度增加，结构复杂，长度与慢波结构相当甚至更长；新设计中，采用嵌入环形阴极的内反射器进行反射，通过内反射器位置的精细调节，实现微波的稳定输出，显著缩短了束波相互作用区和所需磁场均匀区的长度，整个器件结构紧凑，有利于实现永磁包装。

利用该思想，我们提出一种X波段低磁场双模工作RBWO结构[25]。图4为X波段低磁场双模工作RBWO结构示意图和场分布。

该结构由环形阴极、内反射器、双预调制腔、非均匀慢波结构和输出波导构成。模拟中，当磁感应强度为0.64 T时，该结构的输出功率为4.8 GW，转换效率达44%。实验中，改进了实验技术，改变了以往实验的2大传统做法。(1)以往实验中，实验结构参数主要由模拟优化确定，只有少量可调；该实验中，考虑到低磁场下理论模拟中的电子发射模型与实验并不完全相符，模拟优化参数只是给实验参数提供一个初始值，在此基础上对阴极与电动力学结构均进行了大量调节。(2)以往实验中，采用辐射场单路测量，通过单点移动来获得方向图，费时费力，且因测量系统频繁移动，测量不确定度增加；该实验中，由于是混合模输出，实验参数改变时方向图也发生改变，因此采用由12路测量单元组成的辐射场阵列测量法，无需移动即可快速获得方向图，且测量系统固定，测量不确定度小，可准确反映参数改变导致的微波功率的微小变化，指导参数的优化调节。当磁感应强度为0.66 T时，实验获得了输出频率为X波段，功率为4.8 GW，转换效率为42%的结果。提高电压后，进一步优化参数，当磁感应强度为0.76 T时，输出功率为7.6 GW。

3 牵引锁相RBWO

单个HPM源向更高功率发展必然会遇到物理限制，通过多个器件进行功率合成是必由之路。其中，核心技术是HPM源的锁频锁相技术。

原理上，HPM放大器，如相对论速调管，具有频率和相位受外加种子信号控制的特点，适于功率合成。但在高频段工作时，相对论速调管的转换效率及功率容量严重受限。速调型RBWO具有高功率和高转换效率的优点，但作为振荡器，输出微波相位具有随机性。而传统的振荡器锁相方法，如强耦合法[26-28]，受经典Adler条件的限制[29]，要实现吉瓦量级RBWO的锁相，要求注入功率在百兆瓦量级。通常需通过电动力学通道将振荡器单元耦合来实现，结构复杂，可控性差，且难以实现单个器件的移相，不利于系统的扩展。

我们将HPM放大器频率和相位可控的优点与速调型RBWO高功率和高效率的优点结合起来，提出在HPM振荡器起振过程外加弱信号对电子束进行预调制，从而控制输出微波相位的方法[30-32]，探索了一条实用化的HPM振荡器锁频锁相及功率合成技术路线。建立了外加注入信号对电子束速度和电流调制的理论模型，揭示了HPM振荡器中电子束调制幅度及相位对微波起振过程的调控机理[33]：外加注入信号的初始相位决定了调制电子束的相位，受调制的电子束诱导处于任意初始相位的微波信号稳定到平衡相位，起振过程中微波信号很弱，因此利用较低的注入功率即可实现对输出微波相位的牵引。图5为外加注入信号牵引锁相的理论研究结果。

通过在器件前端增加注入腔引入外加信号，在注入腔和谐振反射器之间增加预调制腔进一步降低所需注入功率，利用谐振反射器向输出端反射产生的微波，实现了低功率注入通道与HPM产生通道的空间隔离[34]。图6为外加注入信号的速调型RBWO结构示意图。设计了矩形TE10模到过模同轴波导TEM模的模式转换器，外加信号的注入效率接近100%，环向幅度不均匀性小于±3%，相位波动小于±1.5°。开展了牵引锁相RBWO实验，实现了注入功率为92 kW时，对X波段输出功率为2.4 GW微波相位的稳定控制，多个脉冲在20 ns范围内相对相位差小于24°。

研制了集模式转换和功率合成为一体的两路牵引锁相RBWO的功率合成实验装置，如图7所示。该装置由具有公共输出端的2个TM01-TE11蛇弯模式转换器组成，可将频率相同，相位差为180°的2个TM01模转化为TE11模合成输出，理论转换效率为95.2%[35]。在两路牵引锁相RBWO的功率合成实验中，2路RBWO输出功率分别为3.1 ，3.7 GW，2路微波相对相位抖动约为20°，合成输出功率为6.2 GW，合成转换效率为91%[34]。

4 结论

近10年，我们在提高RBWO的输出功率、转换效率及降低引导磁场等方面取得了系列进展：(1)提出切伦科夫辐射和渡越辐射混合产生HPM的原理，建立了混合辐射的束波相互作用理论，发明了速调型RBWO，实验中输出功率达数吉瓦，转换效率从30%提高到66%；(2)提出电子束与基模和高阶模同时相互作用的双模工作机制，创立了双模工作、混合模输出和内反射器参与反射相结合的HPM源设计思想，发明了低磁场双模工作RBWO，实验中输出功率提高达2.5倍，最高转换效率从小于30%提高到42%；(3)提出通过外加注入信号对电子束进行预调制控制HPM振荡器输出微波相位的方法，研制了高效率注入和高功率合成的结构，发明了牵引锁相RBWO，实现了数吉瓦输出微波的相位控制和功率合成。

今后将进一步提高低磁场过模结构RBWO的输出功率和转换效率，实现永磁包装和功率合成，为应用奠定坚实的基础。