Page 98 - 《真空与低温》2025年第3期

段兆云等：受超构材料启发的真空电子器件研究进展 369

渡越辐射饱和电子效率与饱和增益均大于常规的 针对中国散裂中子源的应用需求，电子科技大
同频段速调管，表现出渡越辐射相干增强的特性， 学开展了 324 MHz MW 量级超构材料速调管的研
[22]
且具有显著的小型化优点。 究 。目前已成功研制出一支整管，即将开展热测
为了从实验中探索超构材料中增强渡越辐射 实验工作。

的物理机理，提出了一种 S 波段 MW 量级紧凑型 4 结论
[21]
超构材料速调管 ，其每个谐振腔中都加载了两个
本论文从理论和实验上介绍了受超构材料启
圆形全金属双脊超构材料单元。超构材料速调管
发的反向切伦科夫辐射器件和增强渡越辐射器件，
的互作用模型如图 9（a）所示，具有小型化的特点，
它们具有显著的小型化、大功率和高效率等优点。
体积仅约为传统结构的 0.44。
这些新型的超构材料真空电子器件在大科学装置、

同轴输入 波导输 雷达、通信、医学成像、微波加热等领域具有重要
耦合器 CeSRR 微波输出 出耦合器
磁屏 的应用前景。电子科技大学将继续加强超构材料
阴极
电子枪 加载CeSRR 真空电子器件的国际国内合作，推动超构材料真空
微波输入 的谐振腔
电子器件的工程化应用，促进我国真空电子学的
发展。
阳极 漂移管1 漂移管2 漂移管3 漂移管4
螺线管磁聚焦系统
互作用结构长度 参考文献：
电子注 磁屏 收集极
（a）超构材料速调管互作用模型
[1] VESELAGO V G. The electrodynamics of substances with
simultaneously negative values of ε and µ[J]. Soviet Physics
收集极
钛泵 Uspekhi，1968，10（4）：509−514.
平板 [2] SMITH D R，PADILLA W J，VIER D C，et al. Composite
波导 磁屏 medium with simultaneously negative permeability and per-
窗 超构材料慢波结构 mittivity[J]. Physical Review Letters，2000，84：4184−4187.
同轴输入耦合器 [3] 段兆云. 超构材料及新颖电磁辐射 [M]. 北京：科学出版社，
磁屏
2023.
电子枪
[4] LUGINSLAND J，MARSHALL J A，NACHMAN A，et al.
（b）超构材料速调管样管
High power microwave sources and technologies using meta-
收集极 水冷系统1 materials[M]. Hoboken：John Wiley & Sons，2021.
钛泵 [5] DUAN Z Y， SHAPIRO M A， SCHAMILOGLU E， et al.
脉冲开关电源
大功率微波窗 Metamaterial-inspired vacuum electron devices and accelera-
波导定向 衰减器2 tors[J]. IEEE Transactions on Electron Devices，2019，66（1）：
耦合器 螺线管磁聚焦系统
衰减器1
207−218.
水冷系统2 [6] LIU F，XIAO L，YE Y，et al. Integrated Cherenkov radiation
固态功率放大器 大功率水负载
脉冲变压器 emitter eliminating the electron velocity threshold[J]. Nature
（c）测试平台 Photonics，2017，11（5）：289−292.

[7] ZHU J F，DU C H，ZHANG Z W，et al. Smith-purcell radia-
图 9 超构材料速调管及测试平台
tion from helical grating to generate wideband vortex beams[J].
Fig. 9 The metamaterial klystron and the test platform
Optics Letters，2021，467（18）：4682−4685.
经过加工零部件，装配出超构材料速调管样管， [8] CAO Y Y，HONG W，XIE Y，et al. Inverse design of a broad
如图 9（b）所示，并开展了热测实验，如图 9（c）所示。 bandwidth W-band meta-surface window for gyro-TWT based
在 实 验 中， 采 用 120 kV/80 A 的 圆 形 电 子 注 ， 在 on bidirectional machine learning[J]. IEEE Transactions on
2.852 GHz 频点处观测到最大的脉冲输出功率为 Plasma Science，2024，52（3）：721−726.
5.51 MW，增益为 55.6 dB，电子效率为 57.4%，较同 [9] 刘美琴，刘纯亮，冯进军. 基于双回旋超材料表面波微波振
类传统速调管的电子效率提升了近 10%。 荡器研究 [J]. 真空电子技术，2020（3）：20−24.