PDF《电子回旋脉射 — 原理及应用》

一、电磁波源类别、特色及功率图.

二、ECM 辐射原理 电子发射器所产生的电流,一般均为直流,不会 产生辐射.因此必须藉著某种机制,将电子聚成一团 一团 (通称群聚),使它成为交流电子流,才能把电子 动能输送给电磁波.如果造成群聚的是一个弱电磁 波,群聚后的电子流再将动能回馈给电磁波,增长其 强度,就会产生受激辐射.一般真空辐射器件的类 别,主要取决於其群聚机制.在真空辐射器件研发最 兴盛的

1930 及1940 年代,研创出磁控管、速调管及 行波管三大微波管家族.但是在这个时期,大家都错 过了一个重要的辐射机制.十年后,四位科学家几乎 在同时,分别从古典理论[6, 7]、量子理论[8]以及实 验[9],殊途同归地发现了这个 ECM 机制,因而衍生 出第四个微波管家族,并把波长向下延伸到毫米及次 毫米围. 图三所示为ECM的简单模型.一圈圈的高能量电 子流(数十至数百keV)在静磁场

0 B 中以 c ? 角频率 回旋. c ? 之相对论公式为 ) /(

0 m eB c γ = ? ,式中之m 为电子之静止质量,γ 为其相对论因子.电子流曝露 在高频结构(例如波导或共振腔)的圆极化电磁波中, 电磁波可以是刻意输入的,也可以是无所不在的微弱 杂讯,其频率为ω.图四(a)所示为一圈在同一回旋轨 道上运行,并成均匀分布的代表性电子,电子和圆极 化电磁波均以逆时针方向,几近同步旋转(ω ≈ c ? ). 起始时,各电子之能量(γ)相同,其回旋角频率亦相 同.图四(a)中的电磁波电场指向右水平方向,因此上 半圈之电子将被加速,其γ值增大, c ? 变小,而下半 圈之电子将被减速,其γ值减少, c ? 变大.由於各电 子之回旋角频率开始相异,电子渐渐由均匀分布,变 为不均匀分布[图四(b, c)],电子流亦由起始时之直流 形态,获得具有辐射能力的交流成份.由於电磁波和 电子几近同步旋转,此群聚机制可以持续许多回旋周 期,使电子流中之交流成份不断增加,因而可以大幅 增长电磁波的强度.这里还有一个重要的细节,为了 使群聚后的电子流释出能量,ω必须略大於one photon per excitation, large interaction space multiple photon per electron, large interaction space multiple photon per excitation, interaction space ~ wavelength 图

二、2004年4月RMP 封面图. 物理双月刊(廿八卷二期)2006 年4月428 (a) (b) (c) c ? (ω2 c ? ),这样大多数的电子才会落入减速的相位 [图四( c)]. 上述辐射现象起源於电磁波造成的电子群聚,故 为受激辐射,和雷射相较,可谓异曲同工,所以有 electron cyclotron maser之名.有趣的是,这种基於相 对论效应的群聚机制,只与电子γ值之变化有关,而并 不取决於γ之绝对值.因此在电子动能只有几个keV时(γ~1.01),效应就很明显. 图

三、ECM 结构示意图. 图

四、ECM群聚原理示意图.

三、ECM辐射的主要应用 图五所示为高功率毫米波及邻近波段的种种应 用.有些应用需要放大器来控制讯号频率及相位(例如 雷达、通讯及粒子加速),其他应用则只需要振荡器来 提供足够功率.由ECM辐射机制所演变出的各种同调 电磁波源,通称为回旋管(gyrotron).回旋管有四种基 本形式(图六),各具特色,可满足不同的需求.以下 简要介绍回旋管的几个主要应用: 图

五、高功率毫米波及邻近波段的种种应用. 图

六、ECM 辐射源的四种基本形式及特性. 核融合电浆加热:核融合发电是当前科技界最大 的挑战之一,其研发经费的昂贵,已非一国所能负 担.因此,正在筹建的 International Thermonuclear materials processing RF Spiraling (a) (b) (c) (d) 物理双月刊(廿八卷二期)2006 年4月429 合作国家: 欧盟、美、 俄、日、中、韩 预算:150亿美元 预期完工日期:2015年 电浆温度:摄氏1亿度 预期产生功率:500 MW Experimental Reactor (ITER, 图七),是一个跨国的大 型合作计画,目的为证明核融合发电在科学和技术上 的可行性[10].ITER 的电浆加热系使用回旋振荡器, 藉电子和毫米波的共振 [11, 12] 将电磁波能量,转换 为电浆的热能.回旋振荡器的基本结构 [图六(a)] 看 似简单,实际结构却极为复杂(图八及 Ref.13),是物 理和工程的一大挑战.现今百万瓦级连续功率的成 品,有些零件是钻石作的 , 每个身价达百万美元 . ITER 需要