Page 97 - 《真空与低温》2025年第3期

368 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

所示。基于渡越辐射的真空电子器件包括速调管 的局部电场强度，有利于电子注和电磁波之间进行
（图 6（b））、扩展互作用振荡器和扩展互作用速调 更充分的相互作用。CST 模拟结果表明，在电子注
管等。 电压为 130 kV，电子注电流为 80 A，聚焦磁场为
0.2 T 的条件下，超构材料扩展互作用振荡器在

端口1 端口2 端口3
y x
聚焦磁场 聚焦磁场 o z 2.866 GHz 频点处的输出功率约为 4.9 MW，电子效
电 收 率约为 46%。
子 集
枪 极
第一段超构材料 切断 第二段超构材料 BJ32
慢波结构 区域 慢波结构 BJ32
W cb
W ca
图 5 反向切伦科夫辐射放大器示意图
Fig. 5 Schematic of the reversed Cherenkov radiation amplifier

L 0
电介质边界
x
5L z
y
L 0
渡越辐射 图 7 超构材料扩展互作用振荡器模型

带电粒子 渡越辐射 Fig. 7 Model of metamaterial extended interaction oscillator
带电粒子 之上，提出了具有同轴输入和波导输出耦合装置的
在对超构材料扩展互作用谐振腔研究的基础
轨迹
（a）渡越辐射示意图 [20]
三腔超构材料扩展互作用速调管 ，如图 8 所示。
输入信号 渡越辐射 输入信号通过同轴耦合器耦合到双间隙输入腔，在
腔体中形成特定模式的高频场，高频场在间隙处对
电子注进行速度调制，电子注在漂移管中逐渐形成
渡越
间隙 群聚核，实现密度调制，最终在输出腔中，绝大部分
电子注 电子的动能转换为电磁波能量并输出。
漂移
管 y L a
W a
谐振腔 z 输入耦 r i h 1 d a W b
合器
（b）速调管中的渡越辐射 o 衰减器 WR340
电子注 CeSRR 波导耦合器
图 6 渡越辐射 h 2
Fig. 6 The transition radiation p 1 =20 mm 漂移管1 p 2 =20 mm 漂移管2 p 3 =16 mm

输入腔 中间腔 输出腔
在微波频段，由于受到尺寸共渡效应的限制。
图 8 三腔超构材料扩展互作用速调管示意图
这些器件体积大、质量大。因此，探索高性能、小
Fig. 8 Schematic of the 3-cavity metamaterial extended
型化的速调管和扩展互作用器件已成为当务之急。
interaction klystron
将超构材料单元与速调管或扩展互作用器件创造
性地结合起来，不仅能够从物理上探索新的相干增 在 CST 中，对三腔超构材料扩展互作用速调
强渡越辐射机理，还能实现渡越辐射器件的小型化 管进行注波互作用模拟。模拟结果显示，当电子注
[19]
和高效率，具有重要的科学意义和工程价值 。 电压和电流分别为 30 kV 和 3 A，轴向聚焦磁场为
将图 4（a）中的圆形全金属双脊超构材料单元 0.1 T，输入信号的频率和功率分别为 2.453 GHz 和
加载到扩展互作用谐振腔中，构建出超构材料扩展 1.1 W 时，饱和输出功率为 56 kW，饱和电子效率
互作用振荡器，如图 7 所示，其横向直径仅为 0.35λ， 为 62%，饱和增益为 47 dB。而对应的常规速调管
纵向长度约为 1.71λ，具有明显的小型化特征 。利 的饱和增益为 45 dB，饱和电子效率为 30%~45%。
[3]
用超构材料单元的强谐振特性，可增强谐振腔内部 通过对比分析可知，超构材料扩展互作用速调管的