PDF《电子回旋脉射 — 原理及应用》

物理双月刊(廿八卷二期)2006 年4月426 表

一、传统微波电子学和相对论电子学的比较: Conventional Relativistic Microwave Electronics Electronics Examples Magnetron, Klystron, TWT ECM, FEL Frequency <

1011 Hz

1010 Hz C X-ray Power <

106 W

104 W C

1010 W Electron Energy <

100 keV

1 keV C

10 GeV Beam Current <

102 A

1 A C

106 A Basic Equations Circuit equations Maxwell equations + Fluid equations + Relativistic kinetic eq.

电子回旋脉射 ― 原理及应用 文/朱国瑞、张存续、陈仕宏 摘要 电子回旋脉射(Electron Cyclotron Maser, ECM)系静磁场中回旋的电子,基於相对论效应所产生的受激辐射(stimulated emission)现象.四十年来,ECM从基础研究逐渐发展成为一个实用的高功率同调(coherent)电磁波源,在电磁波频谱的毫米 及次毫米波段,占有独特的地位.ECM辐射於核融合加热、先进雷达、粒子加速、太空探测、材料处理、物性侦测及频谱 学等应用,发挥了高度的实用价值.另一方面,其中仍有许多的物理现象,未获充分了解,而其应用潜力也还有广阔的发 展空间.本文首先介绍真空电子学这个相关课题,再探讨ECM的辐射原理及例举几个代表性的应用,最后略谈国内的ECM 研究.

一、课题简介 早期的真空电子学[1, 2] , 研创出磁控管(magnetron)、速调管(klystron)及行波管(traveling wave tube,简称 TWT)等高功率微波源.这些成果与我们 今天的日常生活(电视、微波炉、卫星通讯等)、科学 研究(加速器、核融合等),以至战争的胜负(雷达侦 测、飞弹导航等)都息息相关.1950 年代以后,传统 微波管已趋成熟,取而代之的是一门新兴科目:相对 论电子学(relativistic electronics),它的两大支柱为自 由电子雷射(free electron laser, FEL)[3]和电子回旋脉 射[4],二者均利用相对论效应,将自由电子的动能转 换为高频率及高功率的同调电磁辐射.相对论电子学 带来了许多新的物理题材,同时也将电磁波的频段及 功率推进到前所未有的新境界,功率较之早期微波管 骤增了百万倍以上,而波长则由厘米进入毫米、次毫 米、兆赫(terahertz)、可见光、以至 X-光等频段(表一). 除了辐射机制本身具有高度的研究价值之外,新波源 的诞生又可作为其他科目的研究工具,同时也具有发 展各种新型系统的潜力[5]. 学理基础:传统微波管研究,固然用到了极高深 的电磁理论,其最后铨释,往往只需简单的流体方程 式及电路学.在相对论电子学的研究工作上,由於电 子流及电磁波强度大幅提N,相互作用之自洽性 (self-consistency) 不可勿视,而电子分布函数(distribution function)的影响也极为重要.另外,所讨 论的各种机制 , 均与相对论效应相关 . 因此 , relativistic Vlasov equation 和Maxwell equations之自洽组合构成 严谨分析的起始点(表一).为了解决种种衍生的非线 性问题(例如饱和状态及模式竞争等),电脑模拟常被 用来辅助理论及实验研究.从学理言,相对论电子学 归属於离子体科学领域. ECM辐射在电磁波频谱的特殊地位:同调电磁波 源,大致区分为量子及古典两类型,分别以雷射及前 述传统微波管为代表.雷射中的原子或分子受激发 后,只能放出一个特定频率的光子,因此所能产生的 功率随著光子能量(或辐射频率)的减小而降低(图一).反之,微波管中的每个自由电子,可以发射大 量光子.但微波管所使用的基本模(fundamental mode) 作用结构大小和波长相近,以致作用结构(或波长)减 小时,受到散热不易及高压放电等限制,所能承受的 功率随著降低.两类型波源功率降低的相反趋势,幸 运地使得电磁波频谱的光波及微波段,都有高功率波 物理双月刊(廿八卷二期)2006 年4月427 源,但是在接壤的毫米及次毫米波段,功率难以提 N,因此波源功率图上(图一),出现了一个「缺口」 . ECM辐射具有自由电子大量发射光子的优点,同时也 因为电子在磁场中具有特定的回旋频率 c ? (有如原 子能阶间所产生的特定辐射频率),而可以使用较大 的作用结构,藉共振效应激发频率ω ? c ? 的高次模 (high order mode) . 电子大量发射光子及大作用结构的 组合,使ECM恰能填补图一的缺口. ECM辐射机制的本身,构成有趣的原理研究.所 产生的毫米及次毫米波,亦已於多方面开拓出新的应 用研究.原理与应用的结合,使得ECM在历时四十年 的钻研后,仍然持续地蓬勃发展(早期微波管研究的 全盛期只有二十多年).目前有十多个国家从事这方 面研究,德、美、俄及日本四国投入的经费最多.由於ECM辐射在电磁波频谱的特殊地位,2004 年4月的Rev. of Modern Phys.以之为封面图(图二). 图