相對論速調管

相對論速調管包括相對論速調管本身和後加速相對論速調管，它們都是利用諧振腔作為高頻結構的O型器件，電子束與微波的相互作用發生在幾個不同位置的諧振腔里，諧振腔之間由對電磁波截止的漂移管連線，因此，通過漂移管諧振腔之間不可能發生電磁波耦合，它們只能通過電子束相互耦合。

基本介紹

• 中文名：相對論速調管
• 類型：一種O型相對論電子注器件
• 作用：將電子注直流能量轉換成高頻能量

相對論速調管的分類

相對論速調管可以分為兩大類：高阻抗弱電流相對論速調管和低阻抗強電流相對論速調管。高阻抗速調管的工作阻抗約為1kΩ數量級，它的工作方式與傳統速調管十分相似，只是工作電壓較高（500kV~1MV），這類高功率速調管是為用於射頻直線加速器而研製的，它又有弱相對論器件（工作電壓在500kV左右）和強相對論器件（工作電壓在1MV左右）之分；低阻抗速調管的工作阻抗接近或低於100Ω。

後加速相對論速調管（Reltron）也是利用多個諧振腔從群聚電子束中提取微波能量的一種相對論速調管，但它與一般的相對論速調管在電子束群聚機制上有區別；另外，群聚後的電子束將被再次加速以提高輸出功率。

相對論速調管的特點

相對論速調管除了利用相對論電子束外，與傳統速調管相比，它還具有以下特點。

1、 強電流相對論速調管一般採用大直徑環形電子束而不是傳統速調管的實心電子注。環形電子束緊靠導電壁附近通過，就可以增大電子束尺寸，獲得更大的電流，它的填充係數（電子束半徑與漂移管半徑之比）比傳統速調管高得多，可達到0.9以上，因而它的效率也比較高。弱電流相對論速調管由於電流相對較小，可以採用實心束，其填充係數也要略低，約0.7左右。

2、 在相對論速調管中，由於電子束電流很大，空間電荷影響嚴重，以致在高頻間隙中產生一個勢壘，阻止了擊穿電流的形成，為諧振腔提供了靜電絕緣，這使得相對論速調管可以獲得很高的輸出功率而不必擔心被擊穿。

3、 由於空間電荷的影響，在相對論速調管中群聚將會周期發生。隨著漂移長度的增加，電子束將周期性地出現群聚—散聚—現象。

相對論速調管的比較

表1-1給出了高阻抗相對論速調管、低阻抗相對論速調管和後加速相對論速調管典型工作參數的比較。

表1-1 相對論速調管和後加速相對論速調管的典型工作參數

工作參數	高阻抗弱電流速調管		低阻抗強電流速調管	後加速速調管
	弱相對論速調管	強相對論速調管
頻率範圍/GHz	2.856~11.4	11.4~14	1~3	0.7~12
峰值功率	150MW	100MW~300MW	10GW~15GW	600MW
轉換效率/%	50~60	35~50	40	40
脈衝寬度	3us	35ns	50ns~100ns
調諧範圍	—	—	—
重複頻率	60Hz	—	—	10Hz
輸出模	—	—	TM01	TE10
頻寬	有限	有限	—	0.1%
電壓	約500kV	約1MV	約1MV	1MV~1.5MV
電流/kA	0.3~0.7		5~33	—
阻抗	約1kΩ	200Ω~400Ω	30Ω	約700Ω
磁場強度/T	0.2	0.5	1	—

從表1-1中可以發現，這些高功率微波源具有相當高的轉換效率；高功率、高阻抗速調管因射頻加速器的套用要求而性能優良，但其頻率調諧性卻並沒有得到重視；而後加速相對論速調管在一定條件下可以不需要引導磁場。

相對論速調管的結構

高阻抗相對論速調管

高阻抗相對論速調管主要用於作為高能量、低束流的射頻直線加速器的推動源，某一實驗使用的相對論速調管的具體結構如圖1-2所示。微波從最末腔和輔助腔同時輸出，輔助腔的作用不僅與傳統速調管中的中間腔一樣可以增強群聚，還具有輸出微波的功能。輔助腔是一個駐波腔，而最末腔是一個行波腔，由6個2/3模的單元組成，輸出腔這種行波結構使得這種相對論速調管有點類似於行波速調管，它的作用是減弱內部的電場強度，從而降低擊穿的可能性。

圖1-2 某種高阻抗相對論速調管的結構圖

低阻抗相對論速調管

由圖1-3給出的L波段低阻抗相對論速調管放大器在1.3GHz頻率上獲得了10GW的輸出功率。它的第一個諧振腔的半徑較大，以利於實現通過無膜（陽極膜）二極體外側注入微波；第二腔是一個聚束腔，用來進一步提高電子束的調製度；輸出腔的輸出間隙位於電子束群聚最強烈的位置，腔的阻抗和品質因數經過精心最佳化，從而保證從電子束中提取最大微波能量。電子束由同軸型輸出腔的中間導體吸收，該內導體由放置在電場零點的徑向支承臂支承，同時起模式變換作用，將同軸輸出結構中的類TEM模轉變成圓波導TM₀₁輸出模。同軸線末端按錐形喇叭和輸出窗，調節匹配短線路，使反射最小。

圖1-3L波段低阻抗相對論速調管放大器結構圖

後加速相對論速調管的結構與特點

後加速相對論速調管的結構

後加速相對論速調管（Reltron）又往往稱為超級後加速管（Super-Reltron）。

後加速相對論速調管的基本思路是：構想在傳統速調管的輸入腔與輸出腔之間，在電子注形成最佳群聚的位置插入一個加速間隙，間隙上的加速電壓使群聚電子注中所有電子都被加速到接近光速的速度，成為相對論電子注。以至於群聚電子注中電子速度的差別已經微不足道。因此，可以認為，電子在低能量狀態下得到的調製被“凍結”在電子束中，但這時電子的動能已經大為增加，也就有了更多能量可以交給高頻場。

圖1-4是一種後加速相對論速調管的結構示意圖，它主要有電子注入器、調製腔、加速間隙段及若干輸出腔組成。

圖1-4 後加速相對論速調管結構示意圖

電子束注入器依靠脈衝高壓產生強流低能電子束；調製腔實際上是一個雙腔速調管自激振盪器，經調製並形成強烈群聚的電子束在加速間隙中得到加速，從而有效地減少了束內電子能量的相對零散，同時提高了電子的動能；由於相對論電子束不易減速，所以能量輸出需要多個諧振腔，目的是減小每個諧振腔的間隙電壓，從而降低擊穿機率。多個低Q值的輸出腔可以有效地從交變電子注中提取微波能量，輸出腔是包括一個可調短路活塞和一個電感膜片的矩形腔，高頻場通過膜片開口直接在矩形波導中以TE₁₀基模輸出。

後加速相對論速調管的特點

後加速相對論速調管具有以下特點。

1、 通過加速使電子速度都達到了相對論速度，因而電子束調製引起的能量差別相對已十分微小，但都明顯提高了電子束的能量。

2、 多輸出腔的套用，可以防止發生高頻擊穿。

3、 群聚距離很短，器件結構緊湊。

4、 高峰值功率工作時不需要外加磁場，高平均功率工作時只需要低聚焦磁場。

5、 頻率穩定性高，對調製腔進行機械調諧可以在中心頻率上實現範圍的調諧。

6、 將輸出腔調諧在2倍或者3倍基頻上，可以獲得倍頻輸出。

7、 輸出耦合機構可以將微波功率直接轉換成矩形波導TE10基模輸出，從而可以省略掉模式轉換器。

後加速相對論速調管是一種高效率、高功率、高頻率穩定性、可調諧的窄帶高功率微波源，其輸出功率可達1GW，效率達30%~50%，脈衝長度0.1μs~1μs。後加速相對論速調管的這些特點，使其尤其適合作為高功率微波效應試驗的輻射源，也將是雷達和加速器的優良功率源。