現代真空電子學原理及應用

宮玉彬

電子科技大學教授，博士生導師，國家高層次人才計劃入選者，國家自然科學基金創新研究群體帶頭人，長期從事真空電子學研究工作。擔任2025-2027年度IEEE真空電子技術委員會主席，《真空電子技術》主編。榮獲國家技術發明獎二等獎一項、四川省自然科學獎 一等獎、技術發明獎一等獎、科技進步獎一等獎各一項。出版學術專著二部，發表學術論文三百余篇。

王少萌

電子科技大學教授、博士生導師，國家高層次人才計劃青年人才入選者，四川省特聘專 家。2013年博士畢業於電子科技大學，2014-2020年於新加坡南洋理工大學從事博士後研究，2020年入職電子科技大學。主要從事新型真空電子器件、電磁生物檢測與系統領域的研究工作。發表學術論文一百余篇，授權國家發明專利十余項。

路誌剛

電子科技大學研究員、博士生導師。主要從事寬帶大功率毫米波太赫茲器件及應用、微波毫米波太赫茲電路與系統、物聯網和人工智能設備與系統等方向的教學科研工作。主持或參與國家科技重大專項、國家自然科學基金等科研項目二十余項，發表學術論文一百余篇，授權國家發明專利三十余項。

張平

電子科技大學教授。分別於2007年、2013在電子科技大學獲得學士和博士學位，並留校任教。主要從事亞波長結構電磁特性、太赫茲科學技術等方面的研究工作。2016年11月到2017年12月在UCLA做訪問學 者。作為項目負責人承擔國家自然科學基金青年基金和面上基金項目，參與國家自然科學基金重點基金項目等，並承擔多項國家 級和省部級科研項目。在領域高水平期刊發表學術論文五十余篇。

第1 章 真空電子學簡介. 1

1.1　重要的“真空”環境.　1

1.2　真空電子學的發展歷程.　2

1.2.1　真空電子器件的起始　3

1.2.2　微波管.　5

1.2.3　諧振腔磁控管　8

1.2.4　行波管.　9

1.2.5　其他真空電子器件.　10

1.3　真空電子器件的重要作用.　11

拓展閱讀　11

第2　章 真空電子學中的物理.　13

2.1　電子及其特性.　13

2.2　電子在靜電場中的運動.　13

2.3　電子在磁場中的運動.　14

2.4　電子在復合電場與磁場中的運動.　15

2.5　運動電子產生的輻射.　18

2.5.1　運動電子產生的電磁場　18

2.5.2　切連科夫輻射　21

2.5.3　渡越輻射　22

2.5.4　散射輻射　22

2.5.5　衍射輻射　22

2.5.6　史密斯-珀塞爾輻射.　23

2.5.7　同步輻射　23

拓展閱讀　24

第3　章 自由電子的產生與傳輸.　25

3.1　金屬中的自由電子.　25

3.2　自由電子的發射.　25

3.2.1　電子離開金屬受到的阻力　26

3.2.2　熱電子發射　28

3.2.3　光電發射.　30

3.2.4　二次電子發射　31

3.2.5　場致發射.　33

3.3　自由電子的傳輸.　35

3.3.1　真空電子器件中的電子註　35

3.3.2　聚焦系統.　37

3.4　自由電子的收集.　41

3.4.1　單級降壓收集極.　41

3.4.2　多級降壓收集極.　42

拓展閱讀　44

第4　章 電磁波的傳輸與諧振.　45

4.1　行波結構.　45

4.1.1　螺旋線慢波結構.　46

4.1.2　耦合腔慢波結構.　49

4.2　駐波結構.　53

4.2.1　重入式諧振腔　53

4.2.2　多腔諧振系統　54

4.2.3　開放式波導諧振腔.　57

4.2.4　準光學諧振腔　58

4.2.5　輸能裝置.　60

拓展閱讀　62

第5　章 電子註與場的相互作用.　64

5.1　感應電流.　64

5.2　電子流與電場的能量交換.　66

5.3　皮爾斯理論.　69

5.3.1　電子註中的高頻電流　69

5.3.2　線路方程.　69

5.3.3　特征方程.　71

5.3.4　同步狀態　72

5.4　有關相互作用的討論.　76

拓展閱讀　78

第6　章 真空電子學研究的新方法：模擬仿真與虛擬實驗.　80

6.1　用等效電路法求解慢波結構高頻特性.　80

6.1.1　曲折波導慢波結構模型　80

6.1.2　等效電路　81

6.1.3　高頻特性分析　83

6.2　用場匹配法求解慢波結構高頻特性.　88

6.2.1　交錯雙柵慢波結構模型　88

6.2.2　場方程推導　89

6.2.3　色散特性與耦合阻抗　96

6.2.4　單周期反射特性.　97

6.2.5　計算結果與討論.　99

6.3　註波互作用參數計算與仿真.　102

6.3.1　電子運動方程　102

6.3.2　射頻場方程　103

6.3.3　空間電荷場方程.　105

6.4　曲折波導類行波管套裝.　105

6.4.1　常規曲折波導的參數設置與冷特性分析.　106

6.4.2　E 面脊加載曲折波導行波管的註波互作用參數計算　108

6.5　電子光學系統.　113

6.5.1　帶狀註電子槍的仿真　114

6.5.2　Ka 波段行波管帶狀電子註聚焦系統.　117

拓展閱讀　124

第7　章 基於真空電子學的高頻率器件.　126

7.1　交錯雙柵慢波結構行波管.　126

7.1.1　Ka 波段行波管的高頻結構.　126

7.1.2　行波管高頻結構傳輸特性測試.　127

7.1.3　傳輸特性問題　128

7.1.4　閉合型PCM 聚焦系統行波管.　129

7.1.5　新型PCM 聚焦系統行波管　132

7.2　新型擴展互作用增強曲折波導行波管.　135

7.2.1　概念與模型　135

7.2.2　三維粒子模擬　139

7.3　太赫茲繞射輻射器件Obictron　142

7.3.1　Obictron 結構.　143

7.3.2　Obictron 諧振腔高頻特性.　144

7.3.3　光柵色散特性的研究　145

7.3.4　註波互作用的數值計算　147

7.4　基於準光學諧振腔的太赫茲回旋管.　148

7.4.1　任意截面波導回旋管自洽非線性理論.　148

7.4.2　腔體冷腔場表示.　149

7.4.3　準光學諧振腔工作參數設計.　156

拓展閱讀　159

第8　章 基於真空電子學的高功率微波技術.　160

8.1　相對論返波振蕩器.　160

8.2　相對論速調管放大器.　173

8.2.1　電子註在同軸與空心圓柱漂移管中的空間電荷限制流　174

8.2.2　電子註在同軸與圓柱漂移管中的束波轉化效率　177

8.2.3　電子註與同軸諧振腔體間隙的負載電導.　178

8.3　其他類型的高功率微波器件.　181

8.3.1　虛陰極振蕩器　181

8.3.2　磁絕緣線振蕩器.　182

8.3.3　感應輸出管　182

拓展閱讀　183

第9　章 先進制造工藝在真空電子學領域的應用.　184

9.1　微機電系統工藝.　184

9.2　激光燒蝕.　186

9.2.1　懸置雙微帶曲折線慢波結構的加工　187

9.2.2　角度對數帶狀線慢波結構的加工　190

9.3　離子束刻蝕.　194

拓展閱讀　196

第10　章 新材料在真空電子學領域的應用.　197

10.1　超構材料.　197

10.2　光子晶體.　199

10.2.1　光子晶體加載慢波結構的設計　200

10.2.2　光子晶體矩形柵慢波結構的設計　200

10.3　納米材料.　202

10.3.1　石墨烯.　202

10.3.2　碳納米管　206

拓展閱讀　208

第11　章 真空電子學中的新機制：束-等離子體系統.　209

11.1　束-等離子體系統的理論.　210

11.1.1　色散方程　210

11.1.2　靜電模式與電磁模式　213

11.1.3　平衡條件　215

11.2　束-等離子體系統的輻射機制.　217

11.2.1　離子聚焦機制下的電磁不穩定性　217

11.2.2　束-等離子體尾場共振輻射.　222

11.2.3　基於束-等離子體尾場共振的切連科夫輻射　226

11.2.4　束-等離子體虛陰極機制.　229

11.2.5　束-等離子體系統輻射機制的實驗驗證.　233

拓展閱讀　236

第12　章 真空電子學在生物醫學工程領域的應用.　238

12.1　生物醫學成像.　238

12.1.1　X 射線成像　238

12.1.2　熱聲成像　241

12.2　醫用加速器.　243

12.3　生物醫學效應.　245

12.3.1　生物醫學效應的物理機制.　245

12.3.2　生物醫學效應對個體和組織的影響　246

12.3.3　生物醫學效應對細胞和生物分子的影響.　247

拓展閱讀　248

第13　章 真空電子學在能源領域的應用.　249

13.1　微波能在受控熱核聚變領域的應用.　249

13.1.1　受控熱核聚變的途徑　250

13.1.2　微波對等離子體的加熱與電流驅動　251

13.1.3　波促進等離子體的旋轉和對MHD 不穩定性的控制　254

13.2　微波能在無線電能傳輸領域的應用.　256

13.2.1　概述.　256

13.2.2　電力系統中微波無線電能傳輸的關鍵技術　258

13.2.3　微波無線電能傳輸的具體應用與發展前景　258

13.3　微波能在加熱領域的應用.　259

拓展閱讀　260

第14　章 真空電子器件在微光夜視領域的應用.　261

14.1　概述.　261

14.2　微光夜視技術的發展歷程.　261

14.3　微光夜視技術的主要發展方向.　263

14.4　光電轉換與成像器件.　265

14.5　微光夜視技術的展望.　266

拓展閱讀　266

第15　章 真空電子器件在通信與探測領域的應用.　267

15.1　真空電子器件在雷達系統中的應用.　267

15.1.1　速調管在雷達系統中的應用.　268

15.1.2　行波管在雷達系統中的應用.　269

15.1.3　其他真空電子器件在雷達系統中的應用.　270

15.2　真空電子器件在通信系統中的應用.　271

拓展閱讀　273