Abstract
本論文以實驗及電腦模擬相互配合的方式研究 gyro-TWT ， gyro-BWO，及 CARM 。 理論方面，我們發展出一組非線性方程式及一個模擬程式，來模擬電子束與單一頻率電磁波在緩變波導結構中的交互作用。不同於以前的理論模式，我們新加入了一個損耗因子來計算波導牆上的歐姆損耗，並且首次透視了電磁波在加入切斷裝置時所造成之穿透及反射效應，以及切斷裝置中的電子束 - 電磁波交互作用。 此外，經由適當的邊界條件設定，此模擬程式可工作在放大或自我振盪兩種模式。在磁旋行波管的發展過成中，絕對不穩定所引起的振盪是阻礙其達到最高工作效率的主要因素，我們利用所發展出來的模擬程式，來了解切斷裝置及分佈式損耗兩種裝置對絕對不穩定的抑制程度。模擬結果發現，與切斷裝置比較，分佈式損耗有效地提高絕對不穩定的起振條件，穩定了磁旋行波管的操作，而理論的預測則由實驗得到印證，並測得國際最高紀錄的 62kW 功率， 21%效率， 33dB 飽和增益，以及 12% 頻寬。在磁旋返波管的研究上，我們首次以訊號射入鎖定方式，達成電磁波相位控制。透過特殊的量測線路安排以及混頻，我們分析了脈衝訊號的頻譜純度。實驗測得的功率 113kW及 19% 的效率均為迄今達到的最高紀錄，同時還顯示出獲得更高功率的可能性。穩定的快速 ( 電壓 ) 調制頻寬為 5% ，而對應的最高功率為67kW。總體來看，此實驗已成功證明磁旋返波管有成為可調式高功率毫米波源的潛力。由模擬結果可以看出磁旋返波管對於作用結構內部的反射很敏感，結構內部的不匹配可以提高或降低磁旋返波管的操作效率。在研究磁旋自動共振脈射的效率增益時， 我們歸納出 " 電子與電磁相位關係的控制 " 及 " 可利用自由能的增加 " ， 是線性遞變外加磁場以得到效率增益的主要機制。基於這兩個機制混合運用，我們提出了在均勻磁場上加上一個四分之三周期正弦 (sine-profiled) 磁場分布，以增進磁旋自動共振脈射之效率。理論方面我們利用簡化的一維模式發展成一個計算程式。由數值結果可以看出，加入此非線性磁場分布可以使磁旋自動共振脈射的效率在很寬的頻率調制範圍達到 50% ，由於可利用自由能的增加， 此微波管對電子束縱向速度分佈的敏感度也可以大幅減少。