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目录 1

第1章 引言 1

1.1 目的 1

1.2 高功率微波 2

1.3 本书的结构与范围 4

参考文献 6

第2章 高功率微波源：美国国防部展望 7

2.1 引言 7

2.2 国防部在基础研究中的作用 8

2.3 国防部的需要 9

2.4 历史 11

2.4.1 空军 12

2.4.2 陆军 14

2.4.3 海军 18

2.4.4 国防部机构 20

2.5 高功率微波研究的进展 20

2.5.1 窄带高功率源的进展 23

2.5.2 高功率超宽带源的进展 25

2.6 需要发展的关键技术 27

2.6.1 脉冲功率技术 27

2.6.2 新型阴极 28

2.6.3 改良型材料和提高击穿强度 28

2.6.4 天线 29

2.6.5 计算能力 29

2.7 总结 29

2.8 致谢 30

参考文献 30

3.1 引言 37

第3章 吉瓦级高功率微波源 37

3.1.1 高功率微波源的定义 38

3.1.2 发展与历史 39

3.1.3 提高功率和延长脉宽问题 39

3.2 主要吉瓦级高功率微波源 43

3.2.1 磁绝缘线振荡器 43

3.2.2 锥形MILO 48

3.2.3 相对论磁控管 54

3.2.4 相对论速调管放大器（RKA）和三轴相对论速调管放大器 57

3.2.5 相对论速调管振荡器 63

3.2.6 后加速相对论速调管（Reltron） 65

3.3 未来发展和总结 68

参考文献 68

4.1 引言 75

第4章 脉冲缩短 75

4.2 早期的研究成果概述 77

4.2.1 脉冲缩短机理 77

4.2.2 硬管和软管技术 80

4.3 最新研究进展 86

4.3.1 表面处理与真空技术 86

4.3.2 延长HPM源输出脉冲的研究进展 89

4.4 结论 108

参考文献 108

第5章 相对论？erenkov器件 113

5.1 引言 113

5.2 行波管放大器 114

5.2.1 引言 114

5.2.2 单级行波管 116

5.2.3 两级行波管 116

5.2.4 宏粒子分析 116

5.2.5 锥形结构放大器设计 118

5.2.6 渡越时间隔离 119

5.3 高功率行波管放大器研究最新进展 120

5.3.1 引言 120

5.3.2 准周期结构 120

5.3.3 高效率输出结构 120

5.3.4 轴向提取 121

5.3.5 高效率放大器工作机制 122

5.3.6 群聚压缩 125

5.3.7 Ka波段的研究 125

5.3.8 混合模 126

5.3.9 对称模和不对称模的相互作用 129

5.3.10 讨论 130

5.4 返波振荡器 131

5.4.1 引言 131

5.4.3 提高效率 132

5.4.2 重复频率脉冲运行 132

5.4.4 毫米波返波振荡器 133

5.4.5 超高功率运行 133

5.4.6 长脉冲运行 134

5.5 高功率返波振荡器的最近研究 134

5.5.1 慢波结构特性研究 135

5.5.2 返波振荡器理论 137

5.5.3 实验 140

5.6 致谢 144

参考文献 144

第6章 回旋管振荡器和放大器 151

6.1 引言 151

6.1.1 本章内容简述 151

6.1.2 回旋管概念 152

6.2.1 等离子体加热和电流驱动的回旋摩谐速调管振荡器（gyromonotron） 156

6.2 高功率回旋管的技术水平 156

6.2.2 强流相对论电子束驱动的回旋管 157

6.2.3 用于毫米波雷达的回旋放大器 158

6.2.4 用于毫米波电子对抗的回旋返波振荡器 163

6.2.5 工业应用的单腔回旋速调管振荡器 163

6.2.6 用于驱动加速器的回旋速调管放大器 165

6.3 强流相对论电子束驱动的回旋管的最新进展 166

6.3.1 强流相对论电子束、回旋器件和空间电荷的考虑 166

6.3.2 矩形回旋管和同轴回旋管 167

6.3.3 回旋返波振荡器作为宽带可调谐高功率微波管的评估 170

6.4 先进雷达的倍频回旋放大器 172

6.4.1 理论 173

6.4.2 实验 177

6.5 绕轴旋转束回旋管的高次谐波工作 180

6.5.1 高次谐波回旋管振荡器 182

6.5.2 谐波回旋管放大器 183

6.6 总结 184

6.7 致谢 185

参考文献 185

第7章 高功率微波器件中的动态等离子体加载 195

7.1 引言 195

7.2 早期结果的评述 196

7.2.1 历史回顾 196

7.2.2 理论 198

7.2.3 实验 201

7.3 填充等离子体高功率微波源的最新进展 207

7.3.1 实验结果 208

7.3.2 理论和模拟结果 215

7.3.3 等离子体产生技术 225

7.3.4 新型诊断技术 227

7.3.5 径向不均匀加载等离子体慢波结构的电磁性能 232

7.3.6 最重要的实验和理论结果 235

7.4 小结和存在的问题 237

7.5 致谢 237

参考文献 238

第8章 束流传输与射频控制 245

8.1 引言 245

8.2 束流传输 247

8.2.1 概述 247

8.2.2 磁引导系统 247

8.2.3 线性束HPM器件的PPM聚焦 249

8.2.4 等离子体填充系统中的束流传输 254

8.3 电子束收集器 259

8.2.6 电子回旋器件中束流传输特点 259

8.2.5 MILO中的自磁绝缘 259

8.3.1 常规单级电子束收集极 260

8.3.2 降压收集极 261

8.3.3 降压收集极的计算机模拟 261

8.3.4 结论 264

8.4 射频输出控制 264

8.4.1 概述 264

8.4.2 微波输出极化的控制 264

8.4.3 模式转换器 265

8.5 智能微波管概念的演变 266

8.5.1 概述 266

8.5.2 Litton公司的早期工作 266

8.5.3 SLAC的自动控制研究 267

8.5.4 吉瓦级智能管 268

8.6 结论 272

8.7 致谢 273

参考文献 273

第9章 阴极与电子枪 277

9.1 引言 277

9.2 技术综述 278

9.3 阴极技术 282

9.3.1 爆炸发射阴极 282

9.3.2 热阴极进展 289

9.3.3 铁电体阴极 295

9.4 新型电子枪 298

9.4.1 等离子体电子枪 298

9.4.2 高功率磁会切（cusp）电子枪 301

9.4.3 铁电体电子枪 305

9.5 总结及将来的研究方向 306

参考文献 308

第10章 窗口与射频击穿 313

10.1 引言 313

10.2 早期工作回顾 314

10.3 基本考虑 316

10.3.1 物理机制 316

10.3.2 单极性表面击穿 321

10.4 次级电子倍增理论 322

10.4.1 金属平面间的电子倍增 323

10.4.2 介质表面的次级电子倍增过程 326

10.4.3 进一步讨论 329

10.5 射频结构的击穿 334

10.5.1 X波段谐振环中的TM010谐振腔 334

10.5.2 TM020腔 337

10.5.3 讨论 343

10.6.1 实验进展 344

10.6 介质窗击穿 344

10.6.2 实验结果 346

10.6.3 深入讨论 349

10.7 抑制击穿的方法 352

10.8 总结 354

10.9 致谢 355

参考文献 356

第11章 计算技术 363

11.1 引言 363

11.2 PIC方法综述 364

11.2.1 场方程 366

11.2.2 场边界条件 367

11.2.3 粒子方程 370

11.2.4 粒子边界条件 371

11.3 用PIC模拟方法模拟HPM源：例子 372

11.2.5 场和粒子的耦合 372

11.4 PIC的最新进展 377

11.4.1 等离子体模型 378

11.4.2 次级电子发射 384

11.4.3 电磁PIC代码中的电荷守恒 386

11.4.4 模式展开PIC 392

11.4.5 Poynting分立算子 393

11.4.6 面向对象技术 395

11.4.7 并行PIC代码 397

11.4.8 结论 404

11.5 参量模拟评述 404

11.6 参量模拟的最新发展 408

11.6.1 MAGY 408

11.6.2 间隙-电路模型 410

11.7 总结和未来发展问题 414

11.7.2 概率表面物理 415

11.7.3 混合软件 415

11.7.1 体匹配坐标 415

11.7.4 并行的检测 416

11.7.5 数据可视化 416

参考文献 416

第12章 其他途径及未来的挑战 423

12.1 引言 423

12.2 面临的挑战 424

12.2.1 HPM器件的清洁度和高真空 424

12.2.2 新型阴极与电子枪 425

12.2.3 改进HPM器件表面和防止窗口击穿 428

12.2.4 脉冲功率技术 431

12.2.5 建模和计算技术 432

12.2.7 电子束剩余能量的再利用 434

12.2.6 高级诊断 434

12.2.8 智能自适应HPM装置 435

12.2.9 不恰当相位电子的解调 436

12.2.10 电晕的抑制 438

12.2.11 模式转换器 439

12.2.12 永磁体聚焦的应用 440

12.3 其他HPM源概念 440

12.3.1 中等功率装置组阵列 441

12.3.2 吉瓦级多束速调管 441

12.3.3 带状电子束HPM源 446

12.3.4 未来的相对论？erenkov装置 446

12.3.5 新型虚阴极振荡器 447

12.3.6 等离子体电子微波系统 450

12.3.7 Klystrinos:W波段模块化速调管 451

参考文献 453