计算真空电子学翻译 201121040304 马云林南湖半岛花园
R.H..Abrams, B.Levush A.A.Mondelli,R.K.Paker
真空电子学技术是一门既古老又全新的技术，目前仍在使用的真空电子学技术做成的器件是非常优秀的，并且伴随着一系列充分利用新材料，电磁结构，以及新方法研制而成的真空电子学器件的使用，真空电子学技术在不断发展，并且在性能和可靠性方面达到了一个新的记录。虽然一些人把真空电子学技术看做是一门平凡而又古老的技术的“末日余辉”，即将被而代之。但是事实上伴随着新的需求出现，真空电子学技术已经并将继续成为所有高功率、高频率放大器，以及更高标准的军事和商业系统领域的主导技术。 本篇文章主要讲解这门卓越的技术的发展历程以及多样性，重点强调真空电子技术的放大器，这些器件包括已经被不断发展的建模和仿真工具授权的微波功率组件（MPM）。这
些以物理为基础的编码应用于迅速发展的计算软件，并且支持基于仿真的设计和复杂真空电子电路的最优化。
由于基于卫星通讯技术的发展，在过去的几十年里已经为真空电子放大器开拓了很多利润可观的商业机会。这就刺激了新的领域，这些领域需要的是：有效的高频率的动力，以及在可支付的严密的封装要求限度下对难以琢磨的高效率调整的能力。
这些由于新的设计工具，新方法以及新的电磁结构的使用而产生的令人兴奋的新领域，将会在射频放大领域产生一个持续改革发展的潮流。 真空电子学：基础
太阳影子定位 从一个基本点来说，真空电子学技术的运行是通过注波互作用将自然的电磁辐射转换成一些列清晰明朗的辐射的。通过带电粒子系统的电磁辐射的3种基本机制如下：
（1）切伦科夫辐射：当电子注以同样的速度通过一个媒介（结构），在这种媒介中电磁波的相速以比光子慢一些，同时速度小于真空中的光速C。行波管（TWT）和交变场放大器（CFA）的放大机制就是“切伦科夫辐射”。
（2）过渡辐射：当电子注以同样的速度在含有多种媒介的空间中运行时发生，当垫子穿过诸如传导网格、平面或者传到表面之间的缝隙这些媒介时产生扰动。在速调管中的这些缝隙和空洞就会产生“过渡辐射”。
三维扫描仪工作原理
（3）轫致辐射：这种辐射发生在当垫子在一个受到周期性压力的影响，而该周期性压力来源于外部的导体或者磁场。振动陀螺仪和自由电子激光器（FELs）就是基于“轫致辐射”。
为了产生切伦科夫辐射，在电波中的电子必须与电磁场保持同步。这个同步共振条件是：
，在这里是电磁辐射的角频率；是电子伴随着电磁波运动产生的多普勒移动；是由于外部电场（通常是静态磁场或静态电场）而产生的电子震动的角频率；则是共振的谐波系数。假如与相差很大（通常是大很多），这个同步条件就需要波的相速满足：，即接近于电子速度。这种条件对于基于切伦科夫辐射的放大器是满足的，但是电磁波必须通过复杂的含金属的陶瓷材料做成的周期性结构来减慢，这些结构包括带空腔的螺旋型结构和其他射频（RF）结构等，所谓的“慢波”放大器就是基于以上结构的。当电子振动是基于周期性静态磁场（例如FEL中的摆动），并且，在这里C是“光速”，此时同步条件就不包含电磁波必须减慢啦，所谓的“快波”放大器就是基于上述机制的。在回旋式放大器中，对于快波放大器由一个众所周知的例子，电子在一个其次均与的强静态电场中振荡。在许多回旋式放大器中，，在此e是电子电荷量，是电子聚集系数，是外部磁场，是相对因子，如果用电子注电压来表示。
奥林匹克大逆转 切伦科夫辐射的产生即需要满足用来保证注波互作用的效力的同步条件，也需要满足能使电子产生聚的条件。假如电子经过射频结构的时间比波的周期更长的时候就可能会发生电子聚，所以将由一部分电子会被振荡的电磁场减速，然而另一部分电子将会轻微地
进入该结构后加速。（有时候把电子聚集效应解释为刺激激发效应是非常有效的，量子论放大器就是一个很好的例子。）这样做的目的是选择参数以实现：被减速的电子远远多于在高频磁场中被加速的电子。因此在这种器件中将产生切伦科夫（刺激）辐射。
器件通常是根据电子聚机制而进行的分类，M型或者O型。假如聚的发生是通过调整电子注位置，典型做法是使用外部交变电场和磁场。这种聚过程被称为“M型”。M型器件的例子由磁体和交变场放大器（CFA）。假如聚的发生是通过调整瞬间电子通过高频电场的环节，这种聚过程称为“O型”。O型器件的例子包括速调管、行波管（TWTs）和螺旋式放大器等。对于速调管和行波管，其电场方向平行于电子注的移动，并在聚过程中起主导作用；对于螺旋式放大器电场方向垂直于电子注的移动，同时也再聚过程中起主导作用。
应用真空电子技术的放大器的历史可以是再一个较宽频带上同时满足同步条件和聚条件的概念上和工程上的创新，因而有效地将自然的辐射转换完连续而清晰的辐射，并有峰值和平均功率。
hpoa螺旋线行波管
唐成良
螺旋线行波管是一种广泛使用真空电子放大器，其电路图如下所示：
图1 螺旋式行波管电路原理图
首先电子从阴极发射，经过电场加速后进入一个漂移区域，同时磁场聚焦在互作用区域。许多种的阴极可供选择，典型的，储备式阴极是基于钨基质和钡材料混在其中而制成，现在在适度的电流密度下寿命超过小时的阴极可以很容易得到。在螺旋式行波管的互作用区域，电子注沿着一个周期性的永磁体堆的轴线传播，同时电磁波被引导沿着传导的螺旋状区域传播。沿着螺旋式的路径长度和沿着轴线的路径长度之间的区别允许电子阶段性地移动，随着螺旋状区域倾斜的逐渐减小，能量转移到电磁波并且电子注速度减慢，在整个互作用区域允许电子注与场相位保持同步；在螺旋状区域的最末端，电磁辐射通过一个端口或者真空孔被引导传出。最后残余的电子注被收集极所收集，在收集之前有减速电压用来恢复电子能量。在不同电压时有多种集电极表面用来提高收集（电子的）效率，这也是整个器件效率的一个重要指标。为了减小反响和控制输出功率的需要，射频输入和输出需要精心设计。这种设计阐明了一个真空电子学的最明显的优点：本质上无碰撞的注波互作用区域与热损耗区域在物理上是分开的，这样相互之间的影响就可以分开控制。这种设计可以使得整个器件效率特别高。
螺旋线放大器
对于一个诸如螺旋式放大器的快波放大器的基本准则是基于回旋加速器共鸣的分子增幅器的不稳定性。正如在最近的一片评论文章中强调的，这种器件将它们置身于互作用电路中，其结果是震动螺旋仪放大器的横向电路尺寸接近于自由空间的波长，甚至更大一些。与此相对的是再慢波放大器中典型的横向电路尺寸只有自由空间波长的，并且热能导致小型电路中严格地限制了可以在毫米波频率得到的峰值和平均功率。例如，在w波段的双孔行波管中，在毫米波频率下带有最高平均功率容量的慢波防弹器最大只能产生5kW的峰值以及500W的平均输出功率。由于它们没有被小尺寸电路的热量和击穿问题所限制，螺旋式放大器相比于慢波放大器可以产生明显的更高的峰值和平均功率。在过去20年里螺旋式速调管的研究和发展其引导作用，已经达到了在W波段的螺旋式速调管中峰值-平均功率的顶峰，如下表所示。在今后的该领域发展将会集中在共振带宽的扩展和尺寸的减少上面。
表1 总结数据统计表
为未来作序
在刚刚过去的50年里，关于真空电子学由相当多的文献著作被创造。最近也有一系列综合的回顾总结的文章在IEEE的议程当中，这些文章既总结了真空电子学领域现在的情形和
地位也分析了本领域的未来发展目标。此外在最近10年内，在IEEE期刊等离子体科学的特别栏目中发表了许多关于真空电子学各个方面的研究手稿。国际真空电子学会议（IVEC）作为一个学术论坛从2000年5月在美国加州的蒙特利以“IVEC-2000”正式启动，目的是为了激发这个领域的国际活力。IEEE电子器件作为一个特殊的期号收集了很多在这次会议提供的论文。IVEC-2001会议于2001年6月在荷兰的诺德惠克举行（当然也有记录本次会议的文章被发表）；IVEC-2002会议将重新在加州的蒙特利举行；IVEC-2003将会在韩国举行。
现代真空电子学的起源也许和几个发现和科技进步由关联，在这些关联中包含螺旋式行波管的发现，储备式阴极的进步以及简易的金属/陶瓷封装技术的实现。这些进步都发生在上世纪40年代末50年代初，而就在这一时期发明了晶体管。
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