1 原理、器件及应用电磁频谱是一种宝贵的电磁资源.典型的大气传输电磁波谱特性如图 1所示[2, 7].
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| 图 1 大气中不同波段电磁波谱[2, 7]Fig. 1 Electromagnetic spectrum of different frequency bands in atmosphere[2, 7] |
| 图选项 |
由于传统的真空电子器件和基于能级跃迁的量子电子器件都难以在毫米波-太赫兹波频段有效地产生电磁辐射,导致电磁频谱上出现了所谓的太赫兹“空白”[1, 2, 3, 4, 5].由于对应的电磁波源、检测技术和应用技术都相对匮乏,使得太赫兹频段成为一段亟待充分开发的电磁频谱[1].
ECM能够在毫米波-太赫兹频段产生高功率相干电磁辐射[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].常规真空器件互作用结构尺寸与工作波长之间存在“共渡效应”,而ECM辐射可以采用高阶电磁模式工作,其辐射频率由磁场决定,突破了“共渡效应”的限制,具有高频率和高功率的突出优势,这为解决毫米波-太赫兹“空白”提供了可行方案[1, 2, 11, 12, 13, 14].ECM辐射基于相对论效应,采用单电子实现多光子辐射,具有高效率的能量转换能力;且由于ECM辐射采用多波长互作用空间,因而具有大功率容量的优势.ECM采用回旋电子注与波导模式相互作用,电子的轴向能量保证了电子与波导模式之间的多普勒频移回旋谐振(Doppler-shifted cyclotron resonance),保证电子与波之间的宽频带同步,电子通过角向群聚把横向动能转变为电磁波辐射.
图 2给出了ECM的原理示意图[2].电子在磁场的导引下沿螺旋轨迹前进,具有回旋频率Ωe,如图 2(a)所示.当回旋电子注遇上如图 2(b)所示的极化电磁波,且二者满足相位同步关系ω－kzvz≈sΩe时,能够发生持续的电子注-波交互作用,在电子的角向运动方向上发生净的能量交换,其中ω和kz分别为电磁波角频率和波数;vz为z方向速度,s为谐波次数.如图 2(c)中所示,Ωe=eB0/(γm0),其中e为电子电荷量,B0为磁场大小,m0为电子质量,γ为相对论质量因子,且有
式中：v0为电子的速度；c为光速.
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| E-场的大小；vt-电子的横向速度；rL-电子回旋的拉莫半径.图 2 回旋脉塞中电子群聚原理[2]Fig. 2 Principle of electron bunching in cyclotron maser[2] |
| 图选项 |
波互作用过程中,回旋电子受到角向电场的加速或者减速,导致相对论质量因子变化.由于引导磁场维持常数,被加速的电子相对论质量因子变大,回旋频率减小;被减速的电子相对论质量因子变小,回旋频率增加.回旋频率的变化使得在拉莫尔圆上的电子在注-波相位空间上形成群聚,促使电子注与电磁波发生持续的能量交换[1, 2, 3].
对ECM辐射机制的研究直接导致了回旋管振荡器、回旋管放大器和回旋自谐振脉塞(Cyclotron Auto-Resonance Maser,CARM)等一系列高功率毫米波-太赫兹电子器件的诞生[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10],并开辟出了微波电子学的一个重要分支——相对论电子学[8, 9, 10].
图 3给出了基于ECM原理的4大类电子回旋器件的原理性示意图[2].回旋管振荡器中,回旋单腔管(gyromonotron)是基于腔体的互作用电路,具有高功率的优势;而回旋返波振荡器(Gyrotron Backward-Wave Oscillator,Gyro-BWO)是基于回旋谐波与反向波互作用的可调谐ECM系统[1, 2].回旋管放大器中,回旋速调管[15]采用群聚腔的调制作用,在输出腔获得高功率电磁波,其功率相对较高,稳定性较好,但是频带较窄;回旋行波管(Gyro-TWT)则是基于ECM对流不稳定性工作的宽频带放大器[1, 2, 3, 16].电子回旋器件可在毫米波-太赫兹频段范围内产生瓦级至兆瓦级输出功率的脉冲或连续波辐射.该领域的研究推动了高功率毫米波雷达、毫米波武器、受控核聚变的等离子体加热和材料处理等一系列相关领域的发展和变革,已经成为当代国防安全和科学技术研究中最活跃的研究领域之一[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
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| 图 3 4类回旋器件原理示意图[2]Fig. 3 Schematic of principle of four kinds of gyrotron devices[2] |
| 图选项 |
现以高功率回旋振荡器为例来说明回旋器件的结构.图 4给出了高功率短毫米波回旋振荡器实物[17]和结构图[18].
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| 图 4 高功率回旋振荡器[17]及其工程结构图[18]Fig. 4 High-power gyrotron[17]and its engineering configuration[18] |
| 图选项 |
电子回旋器件采用磁控注入式电子枪产生高功率回旋电子注;在超导磁体提供的强磁场的导引下,回旋电子注与开放式谐振腔中的圆极化电磁模式相互作用,电子注的回旋动能转化为电磁波能量;互作用之后的电子注在磁场的导引下,被收集极截获,将剩余能量转化成为热能;高功率电磁波通过准光学模式变换系统转化为可以在自由空间传输的高斯波束,通过高功率真空窗输出,供应用系统使用.作为一种快波器件,高功率回旋器件拥有其他类型器件难以比拟的优势:无“共渡效应”、高能量转换效率、大功率容量等,因此在定向能武器[19]、高分辨率空间探测[20]、掠海飞行目标监测[21]、受控核聚变的等离子加热[6, 11]以及生物医学[22, 23]等领域都有重要的应用前景,如图 5所示.
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| 图 5 基于高功率电子回旋器件的应用系统[6, 11, 19, 20, 21, 22, 23]Fig. 5 Application system of high power cyclotron electron devices [6, 11, 19, 20, 21, 22, 23] |
| 图选项 |
2 ECM互作用系统的关键问题探索和发展更高频率的高功率电磁波源是电子器件的重要发展方向.ECM系统能够产生高功率电磁辐射的根本原因在于,强磁场为电子注提供了固有回旋频率,使得回旋电子注能够与高阶电磁模式互作用,电磁模式的阶数越高,对应的注-波互作用空间和功率容量越大.伴随电子回旋器件的发展,互作用系统采用的工作模式经历了由低阶模式向高阶模式的发展.图 6给出了过去20多年时间内,高功率回旋振荡器所采用的典型工作模式的演变过程.工作模式由早期的圆对称TE0,2模式,发展到近年来德国、日本和俄罗斯等国发展兆瓦级回旋管所采用的高阶腔体模式,如TE28,8、TE31,8、TE25,10等,腔体的空间尺度由最初的约2倍波长,扩展到当今的约20倍波长量级[1, 2, 3, 6].
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| 图 6 1980—2000年,高功率回旋振荡器工作模式的演变过程Fig. 6 Evolution process of high power gyrotron oscillator working mode from 1980 to 2000 |
| 图选项 |
短毫米波ECM系统面临严重的互作用腔体欧姆耗散问题,需要采用高阶模式工作以降低系统的损耗功率,提高有效输出功率.对于ECM系统常用的开放腔体,回旋电子注交出的功率一部分辐射出腔体,一部分被欧姆损耗转化成热能.通常采用欧姆品质因数Qohm和辐射品质因数Qd以分别衡量腔体的欧姆耗散和辐射效率.根据简单的经验公式可以得到：
，其中：f0为频率[24].在低频段通过恰当的设计很容易实现Qohm＞＞Qd,即欧姆耗散的功率远小于输出功率;但是由于欧姆品质因数和辐射品质因数对频率的敏感性不同,随着频率从毫米波频段进入太赫兹频段,为了获得较高的互作用效率,通常出现Qohm≤Qd,即欧姆耗散功率高于输出功率[24].图 7(a)给出了理论计算得到的典型太赫兹回旋管在一系列工作模式上的品质因数变化情况[24].可见,在毫米波频段(<100 GHz)欧姆品质因素远大于辐射品质因数(Qohm>10Qd),欧姆损耗的影响较小;当频率提高到短毫米波300 GHz附近,欧姆耗散功率达到输出功率一半的量级(Qohm~2Qd);在更高的工作频率上,通常表现出欧姆耗散功率超过输出功率.可见短毫米波ECM系统的欧姆耗散是十分严重的问题.图 7(b)给出了高功率回旋振荡器互作用腔的典型结构图[25, 26, 27].
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| 图 7 太赫兹回旋管中一系列工作模式的品质因数变化情况[24]和高功率回旋管腔体结构图[25, 26, 27]Fig. 7 Q factors of modes in a THz cavity [24]and structure of high-power gyrotron cavity [25, 26, 27] |
| 图选项 |
由图 7可见,工程上为了降低高功率回旋管腔体欧姆损耗需要在腔体外壁加上特殊的结构,达到散热和控制热形变的目的.因此,需要发展高阶腔体模式互作用系统,提高Qohm的绝对值,同时优化互作用系统,保证较高互作用效率情况下尽可能降低Qd,以获得较高的有效输出功率.
高阶模式工作面临严重的模式竞争.模式竞争是一个复杂的非线性物理问题[28].ECM器件采用高阶模式互作用腔体是增加系统的功率容量、降低欧姆耗散(提高Qohm)的重要途径.然而高阶模式腔体同时会导致系统具有更高的模式密度,同一回旋谐波可能会激发工作频率相近的多个模式;同时也可能出现不同回旋谐波激发不同的模式,竞争模式的频率近似成倍频关系.模式竞争问题导致ECM系统出现非稳态的多模竞争行为,工作效率低,频谱不纯.此外,器件在高电压脉冲建立的过程中,工作模式起振是一个十分复杂的过程,而模式竞争问题也会影响高阶模式ECM系统的起振过程(start-up scenario).图 8给出了美国CPI公司发展140 GHz回旋振荡器的工作模式建立过程[29].器件启动的过程中,电压和电流都是缓慢升高的,系统工作产生的模式是时间的函数,器件的性能和电压调制器的工作参数决定了模式建立过程的系统参数.在每组参数下,系统可能会出现某种中间状态(模式),这种中间状态的建立有可能抑制或者帮助后续工作模式的建立.模式竞争可能有助于提高器件的效率.为了使ECM系统获得较高的互作用效率,器件往往工作在“硬激励”区域(hard excitation region)[30].高效工作状态通常位于稳定工作参数窗(stable parameter window)的边缘,这时候器件十分容易受到竞争模式的影响.2007年,日本原子能机构在《Nature Physics》上发表了在170 GHz TE31,8模式回旋管上利用控制电子注参数达到控制模式竞争的目的,实验获得55%的高效率[11].模式竞争导致ECM器件产生非相干的电磁辐射,从而限制了高功率波源在电子对抗、功率合成、成像、探测和通信等领域的应用.总之,高功率短毫米波回旋器件通过采用高阶工作模式,可提高系统功率容量,降低欧姆耗散的影响.因此,发展高阶工作模式下的互作用系统对连续波状态工作的高功率短毫米波回旋器件有重要意义.但是,高阶腔体模式互作用系统面临的严重模式竞争问题,使得器件的稳定性受到严重影响,并且会导致杂谱和非相干电磁辐射.在高次谐波短毫米波ECM系统中抑制模式竞争,获得高功率输出和高效率互作用还需要解决一系列关键问题.
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| 图 8 美国CPI公司发展的140GHz,TE28,7模回旋管的起振过程[29]Fig. 8 Start-up scenario of 140GHz,TE28,7 mode gyrotron developed by CPI corporation of USA[29] |
| 图选项 |
高次谐波ECM系统能够成倍降低磁场强度,但会导致较低的互作用效率和更复杂的模式竞争问题.ECM原理决定了回旋管需要强磁场为电子注提供ECM作用所需的固有回旋频率.工作频率100 GHz的基波回旋管需要磁场约3.7 T,必须采用超导磁场工作;随着工作频率提高,频率为1 THz的基波回旋管,所需磁场强度达到40 T,超出了超导磁体的能力范围.高次谐波回旋管能够解决太赫兹回旋管所需的强磁场问题.因为谐波互作用系统(s≥2)能够将磁场强度降为基波系统的1/s.谐波互作用模式使得采用超导磁体的回旋管可获得高频率(1 THz)连续波,从而促进了高分辨率的DNP-NMR、太赫兹成像探测等系统的应用;同时谐波互作用使得采用永磁体或者线包磁体的低频率(94 GHz)回旋管系统的可靠性和快速启动能力大大增强,适合应用于机载、舰载和车载等高机动性的雷达或武器系统[2, 19].目前这两方面应用对高次谐波回旋管提出了直接、迫切的需求.表 1给出了日本FUKUI大学开展了一系列谐波回旋管的实验测试结果[30, 31, 32, 33].图 9给出了日本[30]、俄罗斯[34, 35]和英国[36]分别基于超导、脉冲磁体和常规的线包磁体发展的3种不同类型的短毫米波谐波回旋管.此外2000年,我国电子科技大学曾经发展了基于永磁体的Ka波段三次谐波回旋管[37],近几年发展了基于脉冲磁体[38]和超导磁体[39]的太赫兹回旋管.谐波回旋管是ECM发现以来的主要趋势之一,同时也是未来短毫米波回旋器件解决强磁场问题,获得连续波的必然发展方向.
表 1 日本FUKUI大学开展回旋管实验[30, 31, 32, 33]Table 1 Gyrotron experiments carried out in FUKUI University of Japan[30, 31, 32, 33]
| 型号 | 频率/GHz | 功率 | 连续波(CW)/脉冲(Pulse) | 谐波次数 | 工作模式 | 发展进度 |
| FU CW Ⅰ | 300 | 2.5kW | CW | 1st | 测试完成 | |
| FU CW Ⅱ | 394 | 几百瓦(1st)几十瓦(2nd) | CW | 2nd | TE 2,5 | 测试完成 |
| FU CW Ⅲ | 1013.7 | 几百瓦(1st)几十瓦(2nd) | CW | 2nd | TE 4,12 | 测试完成 |
| FU CW Ⅳ | 131.5 | 几十瓦 | CW | 1st | TE 1,2 | 测试完成 |
| 其他Ⅰ | 424 | 100W | CW | 2nd | TE 8,2 | 设计中 |
| 其他Ⅱ | 349/390 | 几十千瓦100kW | Pulse | 2nd | TE 6,5,TE 8,5 | 测试完成 |
表选项
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| 图 9 日本[30]、俄罗斯[34, 35]和英国[36]分别基于超导磁体、脉冲磁体和线包磁体发展的谐波回旋管Fig. 9 Harmonic gyrotrons developed by Japan[30],Russia[34, 35],and UK[36] based on superconducting magnet,pulse magnet and coil magnet,respectively |
| 图选项 |
3 前 景未来发展低电压、紧凑型、连续波的毫米波-太赫兹回旋器件是很有前景的发展方向,能够为成像、探测和生物医学等领域带来一系列革新的解决方案.针对毫米波-太赫兹电子回旋脉塞器件所面临的3个关键问题,有重要价值的研究工作包括:
1) 发展高阶腔体模式工作的ECM系统,提高系统欧姆品质因数,降低欧姆耗散的影响.
2) 研究ECM系统模式竞争机理和控制技术,提高系统稳定性.
3) 发展高次谐波ECM系统,成倍地降低系统所需的磁场强度,同时获得较高的互作用效率,实现连续波高平均功率工作.通过这3个方面关键科学问题的研究,可为未来发展高功率太赫兹回旋器件提供前瞻性引导,从而解决回旋器件难以实现高稳定性、高功率和高效率等困难,为工程发展高功率连续波工作的回旋器件提供创新方案和技术储备.
参考文献
| [1] | Chu K R.The electron cyclotron maser[J].Reviews of Modern Physics,2004,76(2):489-540. |
| Click to display the text | |
| [2] | Du C H,Liu P K.Millimeter-wave gyrotron traveling-wave tube[M].Berlin:Springer-Verlag,2014:1-192. |
| [3] | Hirshfield J L,Wachtell J M.Electron cyclotron maser[J].Physical Review Letters,1964,12(19):533-536. |
| Click to display the text | |
| [4] | Booske J H,Dobbs R J,Joye C D.Vacuum electronic high power terahertz sources[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,2011,1(1):54-75. |
| Click to display the text | |
| [5] | Nusinovich G S,Thumm M K,Petelin M I.The gyrotron at 50:Historical overview[J].Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves,2014,35(4):325-381. |
| Click to display the text | |
| [6] | Thumm M.State-of-art of high power gyro-devices and free lectron masers update 2012,7641[R].Karlsruhe:KIT Scientific Publishing,2013. |
| [7] | SIEGEL P H.Terahertz technology[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2002,50(3):910-928. |
| Click to display the text | |
| [8] | 刘盛纲.太赫兹科学技术的新发展[J].中国基础科学,2006,8(1):7-12.Liu S G.Recent development of terahertz science and technology[J].Chinese Basic Science,2006,8(1):7-12(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (195) | |
| [9] | 刘盛纲.相对论电子学[M].北京:科学出版社,1987:1-187.Liu S G.Relativistic electronics[M].Beijing:Science Press,1987:1-187(in Chinese). |
| [10] | Liu S G,Yang Z H.The kinetic theory of the ECRM with space-charge effect taken into consideration[J].International Journal of Electronics,1981,51(4):341-349. |
| Click to display the text | |
| [11] | Sakamoto K,Kasugai A,Minami R,et al.Achievement of robust high-efficiency 1MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170GHz continuous-wave gyrotron[J].Nature Physics,2007,3(6):411-414. |
| Click to display the text | |
| [12] | Granatstein V L,Levush B,Danly B G,et al.A quarter century of gyrotron research and development[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1997,25(6):1322-1335. |
| Click to display the text | |
| [13] | Sirtori C.Applied physics:Bridge for the terahertz gap[J].Nature,2002,420(6912):131-133. |
| Click to display the text | |
| [14] | Thumm M.Free-electron masers vs gyrotrons:Prospects for high-power sources at millimeter and submillimeter wavelengths[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2002,483(1-2):186-194. |
| Click to display the text | |
| [15] | 刘濮鲲,徐寿喜.回旋速调管放大器及其发展评述[J].电子与信息学报,2003,25(5):683-694.Liu P K,Xu S X.Review of gyroklystron amplifier and its development[J].Journal of Electronics and Information Technology,2003,25(5):683-694(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (62) | |
| [16] | 刘濮鲲,杜朝海.毫米波回旋行波放大器的发展述评[J].微波学报,2013,29(5-6):33-42.Liu P K,Du C H.Review of the gyrotron traveling-wave-tube amplifier development[J].Journal of Microwaves,2013,29(5-6):33-42(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (1) | |
| [17] | Communications & Power Industries.Microwave power products division,VGB-8095 gyrotron oscillator[EB/OL].California:Communications & Power Industries,2007[2014-11-01].http://html.rhhz.net/BJHKHTDXXBZRB/%E2%88%A5www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/888/VGB8095-pdf.php. |
| Click to display the text | |
| [18] | Estanislao Navarro Sosa.Electron tube[DB/OL].Chicago:Encyclopedia Britannica,Inc.,1768(2002)[2014-11-01].http://html.rhhz.net/BJHKHTDXXBZRB/%E2%88%A5global.britannica.com/technology/electron-tube. |
| Click to display the text | |
| [19] | Mchale J.Raytheon delivers active denial system 2 to U.S.air force[J].Military & Aerospace Electronics,2007,18(12):8. |
| Click to display the text | |
| [20] | MIT Lincoln Laboratory Members.Haystack ultra-wideband satellite imaging radar[EB/OL].Massachusetts:MIT Lincoln Laboratory,2004[2014-11-01].http://html.rhhz.net/BJHKHTDXXBZRB/%E2%88%A5www.haystack.mit.edu/obs/haystack/LincolnUpgrade.pdf. |
| Click to display the text | |
| [21] | Linde G J,Ngo M T,Danly B G,et al.WARLOC:A high-power coherent 94GHz radar[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2008,44(3):1102-1117. |
| Click to display the text | |
| [22] | Ni Q Z,Daviso E,Can T,et al.High frequency dynamic nuclear polarization[J].Accounts of Chemical Research,2012,46(9):1933-1941. |
| Click to display the text | |
| [23] | Nanni E A,Barnes A B,Griffin R G,et al.THz dynamic nuclear polarization NMR[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,2011,1(1):145-163. |
| Click to display the text | |
| [24] | Kao S H,Chiu C C,Chu K R.A study of sub-terahertz and terahertz gyrotron oscillators[J].Physics of Plasmas,2012,19(2):023112. |
| Click to display the text | |
| [25] | Thumm M.Progress in gyrotron development[J].Fusion Engineering and Design,2003,66(8):69-90. |
| Click to display the text | |
| [26] | Dumbrajs O,Zaginaylov G I.Ohmic losses in coaxial gyrotron cavities with corrugated insert[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2004,32(3I):861-866. |
| Click to display the text | |
| [27] | Kreischer K E,Temkin R J.Single-mode operation of a high-power,step-tunable gyrotron[J].Physical Review Letters,1987,59(5):547-550. |
| Click to display the text | |
| [28] | Kao S H,Chiu C C,Pao K F,et al.Competition between harmonic cyclotron maser interactions in the terahertz regime[J].Physical Review Letters,2011,107(13):135101. |
| Click to display the text | |
| [29] | Nusinovich G S,Sinitsyn O V,Velikovich L,et al.Startup scenarios in high-power gyrotrons[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2004,32(3):841-852. |
| Click to display the text | |
| [30] | Saito T,Tatematsu Y,Yamaguchi Y,et al.Observation of dynamic interactions between fundamental and second-harmonic modes in a high-power sub-terahertz gyrotron operating in regimes of soft and hard self-excitation[J].Physical Review Letters,2012,109(15):155001. |
| Click to display the text | |
| [31] | Bratman V,Glyavin M,Idehara T,et al.Review of subterahertz and terahertz gyrodevices at IAP RAS and FIR FU[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2009,37(1):36-43. |
| Click to display the text | |
| [32] | Idehara T,Ogawa I,Mitsudo S,et al.Development of frequency tunable,medium power gyrotrons (Gyrotron FU series) as sub-millimeter wave radiation sources[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1999,27(2):340-354. |
| Click to display the text | |
| [33] | Idehara T,Saito T,gawa I O,et al.Development of terahertz FUCW gyrotron series for DNP[J].Applied Magnetic Resonance,2008,34(3-4):265-275. |
| Click to display the text | |
| [34] | Glyavin M Y,Luchinin A G,Golubiatnikov G Y.Generation of 1.5-kW,1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field[J].Physical Review Letters,2008,100(1):015101. |
| Click to display the text | |
| [35] | Bratman V L,Kalynov Y K,manuilov V N.Large orbit gyrotron operation in the terahertz frequency range[J].Physical Review Letters,2009,102(24):245101. |
| Click to display the text | |
| [36] | He W L,Donaldson C R,Zhang L,et al.High power wideband gyrotron backward wave oscillator operating towards the terahertz region[J].Physical Review Letters,2013,110(16):165101. |
| Click to display the text | |
| [37] | Huang Y,Li H F,Yang S W,et al.Study of a 35-GHz third harmonic low-voltage complex cavity gyrotron[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1999,27(2):368-373. |
| Click to display the text | |
| [38] | Fu W,Yan Y,Li X,et al.The experiment of a 220GHz gyrotron with a pulse magnet[J].Journal of Infrared,Millimeter,and Terahertz Waves,2010,31(4):404-410. |
| Click to display the text | |
| [39] | Yan Y,Fu W J,Li X Y,et al.Experimental results of a 0.42THz harmonic gyrotron[C]∥35th International Conference on Infrared,Millimeter,and Terahertz Waves,Conference Guide.Piscataway,NJ:IEEE Press,2010:1-2. |
| Click to display the text |
