相對論電子注器件是指利用脈衝功率技術獲得強相對論電子束的高功率微波真空電子器件。它與傳統微波管最大的不同就是電子注的產生不再利用熱陰極電子槍，而是由脈衝功率源，習慣上也可以稱為加速器所產生的高電壓，利用場致爆炸發射陰極發射電子注，這種電子注電壓高、速度大（必須考慮相對論因子影響）電流大，由此所產生的微波就具有高功率、窄脈衝、單次或低重頻的特點。
基本介紹
- 中文名：相對論電子注器件
- 別名：高功率微波器件
- 特點：脈衝峰值功率高、平均功率低
高功率微波,相對論電子注器件運行特點,高功率微波的套用,高功率微波武器,高功率雷達,高功率微波拒止武器,超級干擾機,功率傳送,太空推進器,電漿加熱,高能粒子加速器,高功率微波的工業套用,
高功率微波
相對論電子注器件現在更通用的名稱是高功率微波器件。高功率微波（High Power Microwave,HPM）並沒有一個嚴格的定義，它的一種定義是高峰值功率微波，指短脈衝、低重頻或單次脈衝的微波源；另一種定義是高平均功率微波，指長脈衝、高重頻脈衝或連續波源。根據J.Benford和J.A.Swegle提出的定義，高功率微波是指峰值功率超過100MW；波長在厘米波至毫米波範圍，即頻率在1GHz~300GHz的微波輻射。
上述定義已為學術界大多數人所接受，但它顯然沒有將一些利用普通熱陰極電子槍，峰值功率不到100MW的器件包括進去，比較典型的就是迴旋管。但與此相矛盾的是，所有論述高功率微波的著作，都將迴旋管作為高功率微波源的一種而列入其中；相反，在現代，也有傳統微波管，如速調管的峰值功率可能超過100MW，但任何論述都不會將它作為一種高功率微波源看待。
由此可以發現，峰值功率可能不到100MW的迴旋管成為高功率微波源之一，而峰值功率可能超過100MW的速調管並不被認可是高功率微波源的一種，顯然這是J.Benford和J.A.Swegle定義的缺陷。為了避免這種混淆，可以直接採用相對論電子注器件這一名稱，根據這一名稱，它可以包括迴旋管，但不包括速調管，因為迴旋管的工作原理必須考慮電子運動的相對論效應，而速調管則不考慮。但是，考慮到高功率微波已經成為大家熟悉的習慣名稱，因此，在以後對高功率微波器件和相對論電子注器件這兩個名稱不再區分。
相對論電子注器件運行特點
1、相對論電子注器件脈衝峰值功率高、平均功率低
相對論電子注器件由於電子注電壓高（可以大於1MV）、電流大（可以超過10KA），因而微波脈衝的峰值功率高，目前已經達到數十GW量級的水平，預計可以獲得最高100GW的峰值輸出功率。但脈衝功率源輸出的電壓只能是單次或低重複頻率的窄脈衝，脈衝寬度一般只有幾十ns，脈衝寬度與脈衝重複頻率的乘積——占空比只有
量級甚至更低，目前最大也不超過
，因此相對論電子注器件的平均功率一般都不大。相對論磁控管是目前平均功率最高的相對論電子注器件，在峰值功率約1GW時，平均功率約為6kW。相對於占空比可以從
一直增加到1（即連續波），最大平均功率可達1MW的傳統微波管來說，顯然相對論電子注器件要落後很多。
圖1-1 微波源的脈衝峰值功率與平均功率
圖1-1 微波源的脈衝峰值功率與平均功率圖1-1比較了高功率微波源與傳統微波源的峰值功率和平均功率水平，可以看出，高功率微波源的峰值功率遠比常規微波管高，但平均功率仍處在一個較低的水平。
2、相對論電子注器件的品質因子高
不論是傳統微波管還是相對論電子注器件，提高輸出功率和工作頻率始終是共同的努力方向，衡量這種努力所取得的成就的一個參數就是品質因子，它等於峰值微波功率與頻率平方的乘積，即
。這個因子的物理意義是，從固定尺寸天線發射的微波信號，到達目標表面上的功率密度正比於品質因子。
圖1-2給出了由品質因子表示的微波源的發展過程。可以看到，傳統微波管自1940年~1970年，提高了3個數量級，達到了1左右（P以GW為單位，f以GHz為單位），但此後的進展卻很小，受其自身機理的限制，使其在繼續提高輸出功率、同時提高工作頻率上遇到了嚴重困難，或者說，隨著頻率的提高，輸出功率將急劇下降；而相對論電子注器件從20世紀70年代以來，發展迅猛，其值直接從1起步，在20年裡就提高了3個數量級，已經遠遠將傳統微波管拋在後面。到目前為止，品質因子最高的裝置是自由電子雷射器，它在頻率140GHz上的最大輸出功率為2GW，值達到39200。
圖1-2 微波器件品質因子的發展歷史
圖1-2 微波器件品質因子的發展歷史3、相對論電子注器件單脈衝能量提高快但能量效率低
傳統微波管儘管脈衝寬度可以達到數十毫秒甚至秒級，但由於其峰值功率的限制，因此其單脈衝能量一般僅在若干焦耳的量級，最高為數百焦耳。高功率微波器件雖然脈寬很窄，僅數十納秒，但隨著峰值功率的不斷提高及脈寬的增加，單脈衝能量的發展十分迅速，20世紀70年代達到幾十焦耳，80年代提高到了上百焦耳，到90年代就超過了1KJ（多波切倫柯夫振盪器和相對論速調管放大器）。
圖1-3給出了微波管峰值功率與能量的關係。可以看到，單脈衝能量高的都是窄頻帶高功率微波源，而寬頻帶（寬頻譜）脈衝源，脈衝寬度僅1ns量級，峰值功率水平則跌落到約100MW，致使單脈衝能量不大於1J。
圖1-3 微波管單脈衝能量與峰值功率的關係
圖1-3 微波管單脈衝能量與峰值功率的關係但是，以輸出微波的單脈衝能量與注入電子束的單脈衝能量之比定義的能量效率來衡量，則相對論電子注器件的能量效率都很低，這是由於微波脈衝寬度普遍比電子束脈衝寬度小得多，即在電子束還在持續通過時微波卻被過早地截斷了，也就是脈衝縮短現象而導致的結果。
高功率微波的套用
高功率微波有著十分重要而廣泛的套用前景，而且隨著科學技術的發展，其套用領域還在不斷擴展中。
高功率微波武器
高功率微波定向能武器是高功率微波最重要、最成功的套用。定向能武器主要包括高功率微波、高能雷射和粒子束3類。高功率微波的攻擊效果有兩種：一種是軟殺傷，即不破壞攻擊目標，但使其核心部件喪失工作能力，從而使整個裝備癱瘓；另一種是硬殺傷，即對目標的直接物理性破壞。硬殺傷要求極高的微波功率與能量，以目前的技術水平來說，高功率微波定向能武器大多還是軟殺傷性的，表現為使軍事電子裝備或計算機中的敏感電子元件、記憶元件暫時或永久失效，產生這種效果所需的微波閾值是很低的，引起微波二極體失效的微波功率閾值只需1
/
的密度，而引起計算機產生誤動作所需的微波能量密度僅為0.1
/。
圖1-4 高功率微波電磁脈衝炸彈概念示意圖恐怖分子經常利用一種由手機、傳呼機或遙控器控制的簡易爆炸裝置製造恐怖攻擊，採用高功率微波脈衝電磁能就可以摧毀這些控制裝置，使爆炸失效。炮彈或迫擊炮彈中的近炸引信利用雷達信號確定它們與目標的距離，使它們在到達預定距離時自動引爆，高功率微波可以實現對它們的干擾或使它們提前引爆。高平均功率微波系統則專門用來對付肩扛式的對空飛彈，這種系統由安裝在機場周圍的感測器和高功率微波武器設備組成，而不必裝在飛機上。
高功率雷達
將高功率微波用於雷達的目的是通過增加發射功率以提高雷達的探測距離，雷達的探測距離與發射功率的1/4次方成正比，因此，如果將雷達功率從1MW提高的10GW，探測距離就可以增加一個數量級。
高功率微波雷達的套用並不僅僅取決於高功率，而且在很大程度上還取決於高的重複頻率和窄的脈衝。其中脈衝寬度小於10ns的高功率雷達稱為超頻寬（Ultra-Wide Band,UWB）雷達或衝擊雷達，這種雷達由於脈寬極窄，頻譜就十分寬。這種雷達具有很高的測距解析度；如果同時具有足夠的角向解析度，則就可以對目標進行成像。同時因為這種雷達的超寬頻性，很難收到干擾，因此超寬頻雷達具有巨大的套用潛力。
高功率微波拒止武器
定向微波能量能夠給人體造成強烈的痛苦而不燒傷皮膚，從這一點出發，提出了高功率毫米波非致命武器——主動拒止武器的概念。這種武器使用頻率為94GHz的3mm連續波微波波束，它幾乎可以無衰減地穿過大氣而被人體皮膚外層吸收。波長3mm的微波能夠透入人體皮膚0.3mm深，這正好與痛覺神經的深度相同，而人體的痛覺與溫度直接相關，從45℃開始，隨著溫度的升高，痛覺迅速增加，當皮膚溫度達到55℃時，痛覺達到極點，造成人體如火燎般的劇烈疼痛，從而失去戰鬥力。
拒止武器已接近實用，它主要可用於反恐、防爆，也可以用於前沿陣地、登入灘頭。
超級干擾機
常規的電子對抗系統使用低功率（約1kW）的複雜技術，阻止敵方的正常通信和武器系統的有效使用，而高功率微波定向能武器則使用功率超過1GW的微波脈衝，憑簡單地依靠高電壓或高能量使軍事裝備、通信設備和計算機中的敏感元件失效或毀損。它們之間最顯著的區別就在於攻擊技術的複雜性和功率電平的高低，超級干擾機則是介於它們之間的一種強力電子對抗設備，特點是採用較複雜的波形，但功率水平低於高功率微波武器而大於常規電子對抗設備，它用於干擾敵方通信系統、雷達接收系統、計算機等電子設備，使之受到欺騙、失效，也可以是控制系統翻轉、數字電路系統和計算機丟失信息。超級干擾機比高功率微波武器的作用距離小一些，破壞程度低一些，技術複雜性高一些。
功率傳送
太空推進器
採用化學火箭向地球軌道發射衛星、飛船、空間站等，大量的動力被用來攜帶燃料，有效載荷通常不超過5%。因此，科學家們提出了一種採用高功率微波推進火箭的新方案。
利用高功率微波束向熱交換型推進系統提供功率的可重複使用的單級火箭，用以推進火箭的動力裝置，稱為微波熱力推進器。由於採用了高功率微波的空間傳送，所以能源以及由它帶來的所有複雜問題都被移到了地面上，它與火箭之間用天線動力傳送系統實現能量的輸送，預計可以達到10%的有效載荷率，推進器的重複利用又進一步降低了發射成本。論證表明，利用300個100GHz、輸出功率1MW的迴旋管，可以將一個1t重的航空器送到地球的低軌道上。
微波帆（波束帆）是微波推進器的另一種套用，它是由地球軌道向星際軌道和宇宙空間太空飛行器發射推進動力的一種構想。眾所周知，微波與光子一樣，都會產生壓力，來自光子的推動力十分微弱，在地球附近的1kW/
的太陽光子功率密度，現在設計出來的太陽帆（光子帆）得到的加速度僅約為1mm/
。而為了達到一個重力加速度（1g），就需要約10MV/的功率密度，這隻有高功率微波才可以達到。在實驗中，採用10kW、7GHz的微波波束，在10-4Pa的真空條件下對質量密度約為5g/
的帆進行了驅動，在微波功率密度約為1KW/
的條件下，觀察到了幾個g的加速度。
依靠太陽光光子帆，大約需要1年時間才能走出地球重力場，而利用在地球軌道上的高功率微波傳送器向波束帆傳送能量，脫離地球軌道的時間可以縮短兩個數量級。
電漿加熱
煤、石油、天然氣等都是不可再生的能源，地球上這類資源很快就會面臨枯竭，尋求新型能源一直是人們努力的方向。受控熱核聚變是繼可控原子裂變反應後更為高效、人類可使用時間更長的無污染清潔能源，它的原材料是氫的同位素—氚，而海水中氚的含量豐富，足以滿足人類多個世紀的能源需求。
為了實現磁約束電漿受控熱核聚變，所需要的電漿溫度高達上億度，因此人們提出了各種輔助加熱的方法，其中，利用高平均功率微波加熱的方法發展很快，受到越來越多的重視。最引人注意的微波加熱有3種類型：離子迴旋共振加熱、低混雜波加熱、電子迴旋共振加熱；對於聚變所需的電漿密度和磁場，3種加熱類型所要求的微波頻率分別是100MHz、5GHz、·140GHz~250GHz。
目前，電子迴旋共振加熱是包括托卡馬克和仿星器在內的主要聚變裝置的主要輔助加熱方法之一，其所用的高功率微波源時迴旋管，主要原因是它們的高平均功率、商品迴旋管的平均功率已經超1MW，輸出時間可以達到s量級，頻率為57GHz~170GHz。
