[论文解读] Hybrid systems with virtual cathode for high power microwaves generation

V.G. Baryshevsky, A. A. Gurinovich|ArXiv.org|Mar 2, 2009

Ammonia Synthesis and Nitrogen Reduction参考文献 1被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种混合高功率微波（HPM）源，结合虚拟阴极（vircator）系统与光子晶体，实现双辐射机制——振荡电子的轫致辐射和周期性光栅结构的衍射（跃迁）辐射。光子晶体同时充当慢波结构和相位锁定谐振器，支持多频同时工作，并实现高电流承载能力和高辐射效率的相位锁定发生器阵列。

ABSTRACT

It is shown that use of a photonic crystal enables to construct several types of hybrid systems with virtual cathode, which could radiate due to different radiation mechanisms (bremsstrahlung and diffraction (transition) radiation) with different frequencies. Also mentioned that photonic crystal makes possible to create phase-locked array of generators.

研究动机与目标

• 通过虚拟阴极与光子晶体结构的混合配置，开发具有更高效率和带宽的高功率微波源。
• 通过使用光子晶体提高电流限制阈值，克服电子束中的空间电荷限制。
• 通过支持相干衍射辐射的周期性光栅结构，实现多个HPM发生器的相位锁定操作。
• 在单一紧凑系统中集成多种辐射机制——轫致辐射与衍射辐射，实现多频HPM辐射。
• 展示基于光栅的行波管（TWT）和体自由电子激光器（VFEL）的可行性，其中光子晶体同时作为谐振结构和透光电子束介质。

提出的方法

• 利用金属光栅构成光子晶体，形成支持电子束传输与电磁波相互作用的周期性结构。
• 采用空间电荷限制电流公式 $ I_{\text{limit}} \approx (mc^3/e)G(\gamma^{2/3}-1)^{3/2} $ 确定虚拟阴极形成所需的束流阈值。
• 应用衍射辐射条件 $ \omega = \frac{2\pi p \cdot v}{d(1 - \beta n(\omega,k)\cos\theta)} $ 计算电子束通过周期性光栅时的辐射频率。
• 提出一种混合系统，结合vircator（通过电子振荡产生轫致辐射）与光栅TWT/VFEL（通过周期性结构相互作用产生衍射辐射）。
• 使用束流作用参数 $ \delta \leq \frac{\lambda \beta \gamma}{4\pi} $ 定义有效相互作用范围，并确保束流厚度 $ \Delta \leq \delta $ 以实现与慢波结构的高效耦合。
• 利用光子晶体对电子和电磁波的透明性，支持多种衍射模式和反馈，实现相位锁定操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子晶体结构能否在高功率微波系统中同时支持电子束传输与相干电磁辐射？
• RQ2 光子晶体的引入如何提升基于虚拟阴极的HPM源中的空间电荷限制电流？
• RQ3 周期性光栅结构在单一HPM器件中实现双辐射机制（轫致辐射与衍射辐射）中起什么作用？
• RQ4 能否通过互联光子晶体谐振器中衍射波的耦合，实现HPM发生器的相位锁定阵列？
• RQ5 混合vircator-光栅TWT/VFEL系统在多频操作方面，通过不同辐射机制能实现多大程度的性能提升？

主要发现

• 光子晶体使得能够构建混合系统，通过轫致辐射和衍射（跃迁）辐射机制同时产生微波，两种机制具有不同频率。
• 使用光子晶体通过提供势能平衡，提高了束流真空电流极限，从而支持超临界束流电流下的运行。
• 带有光子晶体的光栅TWT（或VFEL）支持多种衍射电磁波，实现反馈机制，并促进相邻谐振器之间的相干耦合。
• 通过周期性光栅结构中激发的衍射波，实现了多个发生器的相位锁定操作，形成相干阵列。
• 对于能量为250 keV、频率为30 GHz的电子束，束流作用参数 $ \delta \approx 0.9\,\text{mm} $，表明束流厚度必须 ≤ 0.9 mm 才能与慢波结构实现高效相互作用。
• 系统支持复合电子运动：振荡电子产生轫致辐射，而传输的调制束流则激发衍射辐射，从而增强总输出功率。