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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

第3章 吉瓦级高功率微波源37

3.1 引言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MILO48

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

第4章 脉冲缩短75

4.1 引言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

5.4.2 重复频率脉冲运行132

5.4.3 提高效率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 高功率回旋管的技术水平156

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

6.2.2 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

8.2.5 MILO中的自磁绝缘259

8.2.6 电子回旋器件中束流传输特点259

8.3 电子束收集器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 介质窗击穿344

10.6.1 实验进展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 致射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

11.2.5 场和粒子的耦合372

11.3 用PIC模拟方法模拟HPM源：例子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PIC392

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 MAGY408

11.6.2 间隙-电路模型410

11.7 总结和未来发展问题414

11.7.1 体匹配坐标415

11.7.2 概率表面物理415

11.7.3 混合软件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

12.2.6 高级诊断434

12.2.7 电子束剩余能量的再利用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