行波电场的建立

本章第一节中已经谈到，当通过圆形波导管传输微波时，在其中可以激励起一种具有纵向分量的行波电场（TM01模），其行波电场沿圆波导传播的电场分布形态，见图2-8-3。这种TM01模的最大特点是在中心轴区域具有纵向行波电场分量，这正是我们所期望的行波电场，如果能够用它来加速电子，就可以实现我们所设想的行波电子加速模型。

图2-8-3　TM01波沿圆波导管传播时电场分布

但是，根据微波理论和实验研究证实，当特定波长的微波注入结构尺寸与之相匹配的圆波导之后，所激励的行波电场（TM01模）的“相速度”vp必然会大于光速（详见第9章微波系统），而电子的运行速度是不可能超过光速的，因此，要想利用这种行波电场来加速电子，以达到让这种行波电场在运动中持续不断地推着电子前进，使电子能量得到持续提高，就必须设法让“相速度”慢下来，并且要让行波电场的“相速度”得到有效控制，以保证始终同步加速电子，只有这样，才能真正实现我们所设想的如图2-8-1所示的行波加速管的理论模型。

根据微波原理可知，这种TM01模产生的原理，是由特定波长的横电磁波（TEM）在圆波导管壁上斜射后反射合成的结果。因此，我们可以通过加入适当干扰因素的方法，来改变斜射波与反射波的合成条件，从而可以让相速度降下来。实践证明，只要所设计的干扰条件合适，就可以让行波电场的相速度降下来，就能达到同步加速电子的目的。而设置干扰条件最简单有效的方法，就是在圆波导中周期性地设置带中孔的圆形金属模片。由于这种模片具有给波导管加载之意，所以人们将这种内有圆形金属模片的圆波导管称为“盘荷波导（disk-loaded waveguide）”加速管。TM01型盘荷波导加速管的结构，见图2-8-4。

图2-8-4　TM01型盘荷波导加速管结构

图2-8-4中画出的是相邻盘荷间的行波电场方向正好相反（180°）时的状态，这种分布状态通常称为π模。从图中可以看出，在加速管轴线附近，形成了一组沿中心轴直线传播的行波π模电场。由于在圆波导内设置了多片距离为D的“盘荷”，改变了原来的反射条件，所以合成之后行波电场的相速度必然会降下来。只要确定了拟注入微波的波长和频率，通过合理设计图中所标注的几何尺寸（D、2a、2b、t），就可以得到我们所需要的行波电场速度，从而实现设计行波加速管的设想。可见，这种盘荷波导加速管的工作原理并不复杂，结构也比较简单，非常实用。因此，其从20世纪40年代问世以来一直沿用至今。但从另一方面来说，虽然这种盘荷波导加速管的工作原理和基本结构都比较简单，但由于这种行波电场经过降速之后的相速度仍然接近光速，管内任何结构尺寸的少许改变都会影响波形和速度，所以，对加速管的材质和加工工艺都提出了非常严格的要求，加工出来的结构和相关的几何尺寸也必须“丝毫不差”。因此，设计制造这种完全符合技术要求的盘荷波导加速管，不但工艺上比较困难，制造成本也比较高。