相對論迴旋管

利用強相對論電子注工作的迴旋管就成為相對論迴旋管，它的互作用機理與普通迴旋管雖然有不同之處，但還是可以看作是普通迴旋管向高電壓、強電流的擴展。

基本介紹

• 中文名：相對論迴旋管
• 類型：一種相對論電子注器件

相對論迴旋管

普通迴旋管的工作機理雖然也必須考慮相對論效應，但它使用的一般是弱相對論電子注，電壓不超過100kV，電流為幾安至數十安。為了進一步提高迴旋管的峰值輸出功率，就必須提高電子注的功率，即要求高電壓（ 500kV）和強電流（ 1kA）的強相對論電子注。利用這樣的電子注工作的迴旋管就成為相對論迴旋管，它的互作用機理與普通迴旋管雖然有不同之處，但還是可以看作是普通迴旋管向高電壓、強電流的擴展。

相對論迴旋管的特點

相對論迴旋管的特點如下：

1、電子束以縱向群聚與TM模換能為主。在普通弱相對論迴旋管中，電子以迴旋運動為主，縱向速度相比橫向速度要小得多，所以電子以橫向群聚並與TE模的橫向（角向）場分量交換能量為主；而在相對論迴旋管中，電子已具有足夠大的縱向速度，即電子具有很高的縱向動能可以交給高頻場，所以這時電子以縱向群聚並與TM模縱向電場分量交換能量為主。

2、效率比較低。為了提高相對論迴旋管的效率，希望電子的迴旋頻率儘可能小，以至電子在整個相互作用空間中運動時只迴旋一圈左右，以降低電子的橫向能量，保證電子的縱向能量足夠大；提高效率還要求參與互作用的高頻場儘可能強。小的迴旋頻率和強的高頻縱向電場難以完全實現，因此相對論迴旋管的工作效率一般都比較低。

3、工作頻率不穩定。相對論迴旋管必須採用爆炸式冷陰極以獲得強流電子束，但冷陰極爆炸發射產生的電子束質量相當差，特別是軸向速度的零散，將引起不均勻的都卜勒頻移的頻譜展寬，從而導致迴旋管工作的不穩定；而在普通弱相對論迴旋管中，由於工作頻率接近於開放式波導腔的截止頻率，對這種速度零散的敏感性就要小得多。

4、諧振條件受電子能量影響大。在相對論迴旋管中，電子能量相當高，相對論因子（）就足夠大，這就使得迴旋頻率 更強烈地依賴於電子能量，因為 ，以致即使在磁場不變的情況下，電子能量的相對微小變化都可能破壞它與高頻場的諧振條件 。

5、存在脈衝縮短現象。在電子束電流十分強時，空間電荷效應將限制能夠注入到互作用區的電流值，這種限制對迴旋管更為明顯，因為在一定的電流下，迴旋管中的電子速度被分配成迴旋運動的橫向速度和縱向速度兩部分，其縱向速度就比同樣電壓下的線性注要小，因而空間電荷效應更為嚴重。當相對論迴旋管工作在空間電荷限制流附近時，電子束可能超過空間電荷限制值，使束流變得不穩定，並開始出現電子反射，這是，電子流域高頻場的互作用過程將停止，導致脈衝縮短現象出現。

圖1-1美國實驗室研製的35GHz相對論迴旋管

圖1-1給出的是美國海軍實驗室實驗用相對論迴旋管結構，該管在電子束電壓1.2MV、電流2.5kA、工作磁場3.2T的條件下，得到了峰值功率250MV、脈寬40ns的輸出，效率達14%。而美國海軍實驗室與康奈爾大學聯合研製的相對論迴旋管，在3.3MV、80kA的電子束下，得到了脈寬70ns、峰值功率約1GW的輸出。

迴旋自諧振脈塞

迴旋自諧振脈塞工作原理

迴旋自諧振脈塞（Cyclotron AutoResonance Maser，CARM）從本質上來說可以認為是迴旋管的改進，它與普通迴旋管不同的是，CARM內的電子束以接近光速的相對論速度前進，因此它可以充分利用電子束的都卜勒頻率上移效應，從而無需很強的軸向引導磁場，而輻射的微波頻率可以很高。

考慮到相對論效應後，將迴旋管的諧振條件 k_//v_//+ 在s=1的情況下重寫成以下形式，即

k_//v_//+

式中，為不考慮相對論效應時間的迴旋頻率，。

在上述諧振條件中，等式右邊第一項代表的是都卜勒頻移，第二項是電子迴旋頻率。可以證明，在時，由於電子失去能量而使降低引起迴旋頻率增加，而同時電子失能又使v_//下降引起都卜勒頻移k_//v_//減小，兩者剛好平衡；反之，若電子增加能量，則隨之增加，使降低，同時v_//增大，使k_//v_//增加，同樣兩者剛好平衡。因此，在整個互作用過程中，諧振頻率始終能保持基本不變，實現了諧振條件的自動滿足，這就是CARM的基本工作原理。

從電子與高頻場的相互作用上來考慮，電子迴旋頻率的變化表現為電子的角向群聚，而電子的縱向速度v_//的變化則表現為電子的縱向群聚，因而上述自諧振效果亦可以看作是電子角向群聚（引起迴旋頻率改變）和縱向群聚（引起都卜勒頻移改變）互相補充的結果。這樣一來，即使電子不斷將能量交給高頻場，使和v_//不斷減小，導致增加而k_//v_//降低，它也仍能保持諧振。這與普通迴旋管形成鮮明對照，在普通迴旋管中，由於相速比光速大得多，，工作頻率接近於開放式諧振腔的截止頻率，k_//，都卜勒頻移以及縱向群聚十分微弱，因而電子失去能量後，其諧振頻率不能單純由角向群聚得到補償。

CARM的工作特點

1、色散性。根據以上分析，實現迴旋自諧振的條件是，但CARM的最大轉換效率工作點，或者說獲得足夠高增益的工作特點應該在相速略大於光速，即的點上，這樣，CARM的色散曲線就應如圖1-2所示。從圖1-2上可以看到，CARM的工作點在波導模色散線的高端，在這裡，相速比光速大得不多，接近光速，而頻率很高，遠在截止頻率之上。

圖1-2 迴旋自諧振脈塞的色散特性

當時，電子的縱向速度很高，電子的群聚將主要發生在縱向並與高頻場發生縱向換能。而在普通迴旋管中，，電子的軸向群聚可以忽略，而主要與高頻場橫向分量相互作用，以橫向群聚為主進行能量交換。

2、工作頻率。CARM的工作頻率正比於產生強烈的都卜勒上移，但由於迴旋頻率自身反比於，所以迴旋管自諧振脈塞的頻率總的說來只按一次方上移。

由式 k_//v_//+可得

=(-k_//v_//)=(-v_//)=(1-v_///)

由此可見，由於工作在強相對論狀態，都卜勒頻移將十分強烈，使CARM的工作頻率可以比普通弱相對論迴旋管若不考慮相對論效應時的工作頻率提高倍；或者也可以說，在相同工作頻率下，CARM的工作磁場可以比普通迴旋管低倍，在強相對論情況下，由於可以達到很大，這一效應是十分顯著的。