内容简介
真空电子学作为基础学科，已广泛应用于雷达、通信、探测、医疗、大科学工程和工业工程等方面。本书对其原理及应用进行介绍，内容共分为十五章。第 一 章～第五章从真空环境切入，主要介绍真空电子学的发展历程、基础知识；第六章～第八章详细阐述真空电子学研究的新方法，以及基于真空电子学的高频率器件与高功率微波技术；第九章～第十一章分别介绍先进制造工艺、新材料在真空电子学领域的应用，以及真空电子学中的新机制；第十二章～第十五章分别介绍真空电子学在生物医学工程与能源领域的应用，以及真空电子器件在微光夜视、通信与探测领域的应用。
本书适合真空电子学、电磁场与微波技术、太赫兹科学技术等相关领域的研究人员阅读，也适合电子通信类专业的研究生和高年级本科生参考。
目录
第 1 章 真空电子学简介. 1
1.1 重要的“真空”环境. 1
1.2 真空电子学的发展历程. 2
1.2.1 真空电子器件的起始 3
1.2.2 微波管. 5
1.2.3 谐振腔磁控管 8
1.2.4 行波管. 9
1.2.5 其他真空电子器件. 10
1.3 真空电子器件的重要作用. 11
拓展阅读 11
第 2 章 真空电子学中的物理. 13
2.1 电子及其特性. 13
2.2 电子在静电场中的运动. 13
2.3 电子在磁场中的运动. 14
2.4 电子在复合电场与磁场中的运动. 15
2.5 运动电子产生的辐射. 18
2.5.1 运动电子产生的电磁场 18
2.5.2 切连科夫辐射 21
2.5.3 渡越辐射 22
2.5.4 散射辐射 22
2.5.5 衍射辐射 22
2.5.6 史密斯-珀塞尔辐射. 23
2.5.7 同步辐射 23
拓展阅读 24
第3 章 自由电子的产生与传输. 25
3.1 金属中的自由电子. 25
3.2 自由电子的发射. 25
3.2.1 电子离开金属受到的阻力 26
3.2.2 热电子发射 28
3.2.3 光电发射. 30
3.2.4 二次电子发射 31
3.2.5 场致发射. 33
3.3 自由电子的传输. 35
3.3.1 真空电子器件中的电子注 35
3.3.2 聚焦系统. 37
3.4 自由电子的收集. 41
3.4.1 单级降压收集极. 41
3.4.2 多级降压收集极. 42
拓展阅读 44
第4 章 电磁波的传输与谐振. 45
4.1 行波结构. 45
4.1.1 螺旋线慢波结构. 46
4.1.2 耦合腔慢波结构. 49
4.2 驻波结构. 53
4.2.1 重入式谐振腔 53
4.2.2 多腔谐振系统 54
4.2.3 开放式波导谐振腔. 57
4.2.4 准光学谐振腔 58
4.2.5 输能装置. 60
拓展阅读 62
第5 章 电子注与场的相互作用. 64
5.1 感应电流. 64
5.2 电子流与电场的能量交换. 66
5.3 皮尔斯理论. 69
5.3.1 电子注中的高频电流 69
5.3.2 线路方程. 69
5.3.3 特征方程. 71
5.3.4 同步状态 72
5.4 有关相互作用的讨论. 76
拓展阅读 78
第6 章 真空电子学研究的新方法：模拟仿真与虚拟实验. 80
6.1 用等效电路法求解慢波结构高频特性. 80
6.1.1 曲折波导慢波结构模型 80
6.1.2 等效电路 81
6.1.3 高频特性分析 83
6.2 用场匹配法求解慢波结构高频特性. 88
6.2.1 交错双栅慢波结构模型 88
6.2.2 场方程推导 89
6.2.3 色散特性与耦合阻抗 96
6.2.4 单周期反射特性. 97
6.2.5 计算结果与讨论. 99
6.3 注波互作用参数计算与仿真. 102
6.3.1 电子运动方程 102
6.3.2 射频场方程 103
6.3.3 空间电荷场方程. 105
6.4 曲折波导类行波管套装. 105
6.4.1 常规曲折波导的参数设置与冷特性分析. 106
6.4.2 E 面脊加载曲折波导行波管的注波互作用参数计算 108
6.5 电子光学系统. 113
6.5.1 带状注电子枪的仿真 114
6.5.2 Ka 波段行波管带状电子注聚焦系统. 117
拓展阅读 124
第7 章 基于真空电子学的高频率器件. 126
7.1 交错双栅慢波结构行波管. 126
7.1.1 Ka 波段行波管的高频结构. 126
7.1.2 行波管高频结构传输特性测试. 127
7.1.3 传输特性问题 128
7.1.4 闭合型PCM 聚焦系统行波管. 129
7.1.5 新型PCM 聚焦系统行波管 132
7.2 新型扩展互作用增强曲折波导行波管. 135
7.2.1 概念与模型 135
7.2.2 三维粒子模拟 139
7.3 太赫兹绕射辐射器件Obictron 142
7.3.1 Obictron 结构. 143
7.3.2 Obictron 谐振腔高频特性. 144
7.3.3 光栅色散特性的研究 145
7.3.4 注波互作用的数值计算 147
7.4 基于准光学谐振腔的太赫兹回旋管. 148
7.4.1 任意截面波导回旋管自洽非线性理论. 148
7.4.2 腔体冷腔场表示. 149
7.4.3 准光学谐振腔工作参数设计. 156
拓展阅读 159
第8 章 基于真空电子学的高功率微波技术. 160
8.1 相对论返波振荡器. 160
8.2 相对论速调管放大器. 173
8.2.1 电子注在同轴与空心圆柱漂移管中的空间电荷限制流 174
8.2.2 电子注在同轴与圆柱漂移管中的束波转化效率 177
8.2.3 电子注与同轴谐振腔体间隙的负载电导. 178
8.3 其他类型的高功率微波器件. 181
8.3.1 虚阴极振荡器 181
8.3.2 磁绝缘线振荡器. 182
8.3.3 感应输出管 182
拓展阅读 183
第9 章 先进制造工艺在真空电子学领域的应用. 184
9.1 微机电系统工艺. 184
9.2 激光烧蚀. 186
9.2.1 悬置双微带曲折线慢波结构的加工 187
9.2.2 角度对数带状线慢波结构的加工 190
9.3 离子束刻蚀. 194
拓展阅读 196
第 10 章 新材料在真空电子学领域的应用. 197
10.1 超构材料. 197
10.2 光子晶体. 199
10.2.1 光子晶体加载慢波结构的设计 200
10.2.2 光子晶体矩形栅慢波结构的设计 200
10.3 纳米材料. 202
10.3.1 石墨烯. 202
10.3.2 碳纳米管 206
拓展阅读 208
第 11 章 真空电子学中的新机制：束-等离子体系统. 209
11.1 束-等离子体系统的理论. 210
11.1.1 色散方程 210
11.1.2 静电模式与电磁模式 213
11.1.3 平衡条件 215
11.2 束-等离子体系统的辐射机制. 217
11.2.1 离子聚焦机制下的电磁不稳定性 217
11.2.2 束-等离子体尾场共振辐射. 222
11.2.3 基于束-等离子体尾场共振的切连科夫辐射 226
11.2.4 束-等离子体虚阴极机制. 229
11.2.5 束-等离子体系统辐射机制的实验验证. 233
拓展阅读 236
第 12 章 真空电子学在生物医学工程领域的应用. 238
12.1 生物医学成像. 238
12.1.1 X 射线成像 238
12.1.2 热声成像 241
12.2 医用加速器. 243
12.3 生物医学效应. 245
12.3.1 生物医学效应的物理机制. 245
12.3.2 生物医学效应对个体和组织的影响 246
12.3.3 生物医学效应对细胞和生物分子的影响. 247
拓展阅读 248
第 13 章 真空电子学在能源领域的应用. 249
13.1 微波能在受控热核聚变领域的应用. 249
13.1.1 受控热核聚变的途径 250
13.1.2 微波对等离子体的加热与电流驱动 251
13.1.3 波促进等离子体的旋转和对MHD 不稳定性的控制 254
13.2 微波能在无线电能传输领域的应用. 256
13.2.1 概述. 256
13.2.2 电力系统中微波无线电能传输的关键技术 258
13.2.3 微波无线电能传输的具体应用与发展前景 258
13.3 微波能在加热领域的应用. 259
拓展阅读 260
第 14 章 真空电子器件在微光夜视领域的应用. 261
14.1 概述. 261
14.2 微光夜视技术的发展历程. 261
14.3 微光夜视技术的主要发展方向. 263
14.4 光电转换与成像器件. 265
14.5 微光夜视技术的展望. 266
拓展阅读 266
第 15 章 真空电子器件在通信与探测领域的应用. 267
15.1 真空电子器件在雷达系统中的应用. 267
15.1.1 速调管在雷达系统中的应用. 268
15.1.2 行波管在雷达系统中的应用. 269
15.1.3 其他真空电子器件在雷达系统中的应用. 270
15.2 真空电子器件在通信系统中的应用. 271
拓展阅读 273
