导师序言

导师序言

高功率微波是指峰值功率超过100 MW或者平均功率大于1 MW的强电磁脉冲辐射。高功率微波技术最早源于对核聚变与等离子体的研究，自20世纪70年代以来，高功率微波产生技术得到了迅速的发展，国内外研究人员已在实现高功率、高效率及脉冲重复频率等方面取得了丰硕成果，目前该技术处于从实验室基础研究向工程化应用转型的关键阶段。

作为极有工程应用前景的高功率微波产生器件，相对论返波管具有高功率、高效率的优点，同时还具有较好的频率调谐和拓展能力，可用于产生L波段、S波段、C波段、X波段与毫米波段的高功率微波辐射。经过近半个世纪的发展，使用强引导磁场的相对论返波管已经实现C波段功率超过6 GW（效率达到36%）、X波段功率超过3 GW（效率达到40%）的微波输出。

然而，用于引导返波管工作的强磁场系统（包括螺线管磁体系统和超导磁体系统）存在磁体系统能耗巨大和体积庞大两方面的缺陷。磁体及配套系统体积远大于高功率微波产生器件本身的尺寸，严重限制了高功率微波产生系统的紧凑化和小型化。因此，降低相对论返波管工作所需的引导磁场强度，使其在低磁场下高效工作并最终实现永磁包装，是推动高功率微波技术走向实用的重要技术路线。

尽管针对低磁场高功率微波产生器件的研究工作已开展多年，但人们对低磁场情况下强流电子束的运动规律、束流与强电磁场的互作用特性仍缺乏系统深入的研究，以至于长期以来工作效率始终较低，成为了制约其发展的瓶颈。

在此背景下，本书立足于速调型相对论返波管的技术路线，旨在提升低磁场相对论返波管的转换效率，分别围绕强流相对论电子束与强电磁场两个角度开展了相对论返波管的研究和设计工作。基于束流的低磁场传输特征，提出了通过控制束流振荡相位和幅度实现降低束流能散、增强束流群聚的物理机制；基于速调型返波管中电子束与电磁场的互作用特征，通过射频场优化、非均匀慢波结构、内反射器和波导腔等方法对射频功率进行调控，大幅提高了束波转换效率。

相对论返波管涉及强电磁场与强流带电粒子的非线性相互作用过程、电磁边界条件和通常难以避免的等离子体问题。而在低磁场条件下，由于强流电子束发射、传输与束波互作用过程中所受到的磁约束不足，电磁边界条件向更高维度延伸，实际物理过程会变得更加复杂。

本书通过清晰、简洁的物理模型，对相对论返波管在低磁场下的物理过程展开了研究，获得了明确且具有实用价值的结论，这对相关的研究工作以及高功率微波技术的实际应用将起到积极的推动作用。希望本书对从事高功率微波产生，尤其是相对论返波管研究的科研人员和工程技术人员有所帮助，并为其他微波产生器件的研究提供参考。

范如玉

清华大学工程物理系

2022年1月20日

摘要