[拼音]：haomibo yu yahaomibo zhenkong dianz　qijian

[外文]：millimeter wave and submillimetet wave vacuum electron device

产生或放大毫米波与亚毫米波电磁振荡的一类真空电子器件。早在40年代末期，人们就开始探索研制毫米波与亚毫米波真空电子器件，并认为这是微波电子管发展的重要方向。人们曾沿着两条原则上不同的途径进行研究。其一是把普通微波管的工作波长推向毫米波或更短波长；另一途径是寻求新原理的毫米波、亚毫米波真空电子器件。在把普通微波管推向毫米波段方面已取得一定进展。毫米波段的速调管、行波管、磁控管和返波管均已制成。毫米波反射速调管工作波长可达 1.5毫米，输出功率超过10毫瓦，可用作可靠的毫米波信号源。行波管在3毫米波长下脉冲功率达1000瓦，平均功率达250瓦。磁控管在 2毫米波长下脉冲功率达1000瓦。返波管是迄今普通微波管中工作波长最短的一种器件，其工作波长已达0.25毫米。普通微波管是以经典波导谐振腔为基础制作的，其特点是波长与高频结构几何尺寸之间存在共度性。但这一原则却成为普通微波管向毫米波和更短波长发展的严重限制，原因是：

（1）在毫米波段，波导、谐振腔和慢波结构的尺寸已很小，加工非常困难；

（2）互作用空间体积很小，功率容量受到限制；

（3）对阴极的要求超过了阴极实际可能达到的水平。因此，当波长缩短到3毫米左右时，制造普通微波管已非常困难。返波管的慢波结构尺寸稍大，可以推进到亚毫米波段，但机械加工上的困难也达到极限，而且功率和效率均已很低（功率仅数毫瓦，效率低于0.01％）。因此，人们不得不转向另一途径，即寻求新原理的毫米波和亚毫米波器件。

人们已经提出多种新的工作原理，但具有实际应用价值的主要有回旋管和绕射辐射振荡器。

电子回旋谐振受激辐射与回旋管

最简单的回旋管是回旋单腔管（见图）。回旋单腔管由电子枪、互作用腔、输出结构（包括收集极、输出窗）和磁场四个主要部分组成。

电子枪的作用是产生高能量电子注（电子注电压一般为数十千伏，电流为数安至数十安）。在恒定磁场作用下，注中电子作高速回旋运动，回旋频率ω为

式中e为电子电荷的绝对值，B₀为恒定磁场的磁感应强度，m为电子的静止质量；电子的相对论系数γ为

式中v为电子速度，c为真空中的光速。作回旋运动的电子进入互作用腔，若互作用腔的谐振频率ω与电子回旋频率ω满足条件

电子就与互作用腔中的角向电场相互作用，将回旋能量交给电磁场，从而激励出高频电磁场。式中 n为正整数，n＝1时，电子回旋频率与互作用腔的谐振频率基本相同，回旋管工作在电子回旋的基波状态。在基波状态下，电子与电磁场的相互作用最强，所以大多数回旋管均工作在基波状态。n＞1，电子回旋频率比谐振频率低，回旋管工作在电子回旋的高次谐波状态下。这时回旋管工作所需磁场较弱，但是电子与场的相互作用不及基波时强。现代实用的回旋管最高仅能工作到2次谐波(n=2)。互作用腔中激励出的电磁振荡能量通过输出结构输出，而相互作用后的电子则打在收集极上。

互作用腔是由一段两端敞开的波导所构成的谐振腔，腔壁为光滑的金属面，没有慢波结构。另一方面，回旋管可以工作在互作用腔的高次模式上，因此腔尺寸不受与波长共度这一原则的限制。由于这些原因，回旋管摆脱了普通微波管在毫米波和亚毫米波段所受到的限制。

回旋管在毫米波段已取得了重要的进展。80年代初，研制成一种采用复合腔的回旋管，工作于8毫米波长，在微秒级脉宽下输出功率为700千瓦，效率超过60％，这是任何普通微波管所无法比拟的。此外，工作波长为2毫米的回旋管，输出功率已达100千瓦，效率亦已超过 20％。8毫米波段回旋管已有工业产品。

回旋管在毫米波段的地位已经确立。从技术上看，制成兆瓦级的回旋管也是可能的，这样就可以为等离子体加热提供一种有价值的功率源。在亚毫米波段，回旋管面临的一个主要问题，是所需的工作磁场太强，一般要超过10万高斯，即使利用超导磁体也难得到如此强的磁场。有人实验用脉冲电流产生强磁场，并制成了亚毫米波段的实验性回旋管。此外，原则上也可以使回旋管工作于高次回旋谐波，从而降低回旋管的工作磁场。尽管回旋管是一种大功率器件，但也在向小功率方向发展。回旋管的品种正在增加，除回旋单腔管外，回旋速调管、回旋行波管、回旋返波管、回旋磁控管也都处于实验室研究阶段。

受激史密斯-伯塞尔效应毫米波真空电子器件

这类器件通常称为绕射辐射振荡器，又称为奥罗管。当自由电子在光栅上方运动时，即使电子是匀速的也会辐射出电磁波。这种现象称为史密斯－伯塞尔效应。辐射的电磁波波长λ 取决于电子速度v＝βc、观察辐射角φ_n和光栅周期l，其表达式为

式中β＝v/c，v为电子速度，c为光速。利用准光腔将这种辐射反馈到电子注中，则电子注在纵向高频场作用下产生群聚，如果电子速度和沿光栅表面传播的慢空间谐波相速满足一定同步条件，就会在谐振腔中激励起电磁振荡。

理论研究和实验工作表明，奥罗管由于采用准光学谐振腔作为谐振系统而具有一系列优点，即：谐振腔尺寸不再受与波长共度原则的限制；利用常规电子注就能在毫米波和亚毫米波段提供起振电流和工作所需的电流；工作频率在宽频带内连续可调等。因此，奥罗管是一种极有前途的宽频带的中、小功率毫米波和亚毫米波器件。奥罗管在 4毫米波长下输出功率已达10瓦，在0.85毫米波长下输出功率达到数十毫瓦。

奥罗管正在进入工程应用。奥罗管已应用到测量信号源和等离子体诊断技术中。为了增大互作用区以进一步提高功率和效率，已研制出一些结构新颖的管种。研究表明，普通微波管技术和准光学技术相结合，是毫米波和亚毫米波真空电子器件发展的有效途径之一。

除了以上两类器件之外，还有一些新原理的器件正在探索之中，但尚未达到工程应用水平。其中最重要的是自由电子激光器。自由电子激光器出现于1976年。与常规激光器利用束缚电子的位能跃迁不同，自由电子激光器利用的是自由电子的动能跃迁。根据能量交换的形式，自由电子激光器可以分为两大类，即利用电子横向动能型和利用电子纵向动能型。前一种类型是研究的重点，其基本原理是相对论电子注和电磁波的受激相干散射。在亚毫米波段，自由电子激光器的纳秒脉冲功率已达数百兆瓦，但效率很低（5％以下）。

在自由电子激光器的实验研究中，原理论证阶段已结束，正致力于提高激光器的性能。理论研究表明，自由电子激光器具有高功率、高效率、高频率和频率连续可调等优点。但是，已经公布的实验结果与理论的预期结果有很大差距。例如，理论计算自由电子激光器效率可以高达40％，然而目前实验的最好结果还不到6％。研究人员正致力于改进实验自由电子激光器的性能。随着理论与实验差距的缩短，自由电子激光器可能在超大功率及频率连续可调激光器中占有重要地位。

随着研究工作的日益深入，已兴起一个新的电子学分支──相对论电子学。可以预期，随着实验应用的扩大和相对论电子学的成熟，毫米波与亚毫米波真空电子器件将得到进一步的发展。