一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器

摘要

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域；包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构、漂移段，提取腔、收集极漂移段、收集极斜面、收集极内腔、收集极挡板、输出波导、螺线管磁场；本发明克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长输出微波脉宽与高功率转换效率的问题，在使用6周期非均匀慢波叶片下的情况下实现长脉宽、高效率的微波输出，且该微波源结构简单、易于加工、易于重复频率运行。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域。

背景技术

高功率微波通常是指峰值功率大于100MW，频率在1GHz-300 GHz的电磁波，高功率微波技术是伴随着脉冲功率技术与等离子体物理学及电真空技术的发展而新兴的一个研究领域。在等离子体加热、高功率雷达、粒子射频加速以及未来空间能源的利用方面有着光明的应用前景。

高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，其运行是基于电子束的相干辐射。电子束的相干辐射机理分为切伦科夫辐射、渡越辐射、轫致辐射三类。基于切伦科夫辐射机理的高功率微波源主要为相对论切伦科夫振荡器和相对论切伦科夫放大器。基于渡越辐射机理的高功率微波源主要为相对论速调管振荡器和相对论速调管放大器。基于轫致辐射机理的高功率微波源主要为自由电子激光、虚阴极等。

相对论切伦科夫振荡器是目前最有潜力的高功率微波源器件之一。它利用相对论电子束与慢波结构中的电磁波模式(结构波)相互作用，产生自身振荡和放大，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点。现今，提高器件功率转换效率和延长输出微波的脉冲宽度已经成为器件发展的重要方向。提高器件束波作用效率可以在相同的输入功率下得到更高的输出功率，延长输出微波的脉冲宽度可以在相同输入电长度下得到更长的微波输出。二者都有利于节约能源，获得更实用更小型化的高功率微波系统。

研究长脉冲相对论切伦科夫振荡器具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【Jun Zhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-DeZhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,and Liu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With RepetitiveOperation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】(以下称为现有技术1)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、输出波导以及螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。为了叙述方便，下文中将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。其中慢波结构由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，第5个慢波叶片具有较大的最大外半径，5个慢波叶片的长度L

提高相对论切伦科夫振荡器的功率转换效率有多种途径，例如采用非均匀慢波结构、加入谐振腔、采用等离子体加载等。【刘国治，陈昌华，张玉龙，同轴引出相对论返波管，强激光与粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】(以下称为现有技术2)中公布了一种同轴引出相对论切伦科夫振荡器的结构。该结构中慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，第9个慢波叶片具有较大的最大外半径，9个慢波叶片的长度L

长脉冲和高效率是微波源设计者孜孜以求的目标，尽管相对论切伦科夫振荡器已经研究多年，兼顾长微波脉冲和高效率仍然较有挑战性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，采用带提取腔的类同轴收集极来提高微波提取效率，抑制收集极等离子体扩散，克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长输出微波脉宽与高功率转换效率的问题，在使用六周期非均匀慢波叶片下的情况下实现长脉宽、高效率的微波输出，且该微波源结构简单、易于加工、易于重复频率运行。

本发明的技术方案是：

一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、谐振反射腔305、慢波结构306、漂移段307，提取腔308、收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312、输出波导313、螺线管磁场314，所述收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312组成类同轴收集极；整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座301左端外接脉冲功率源的阳极，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体，输出波导313右端连接模式转化器和天线；

阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为1mm，内半径R

所述阴极座301、阳极外筒303、慢波结构306、收集极挡板312、输出波导313均采用不锈钢制成，阴极302采用石墨制成，螺线管磁场314采用铜线绕制而成。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

(1)采用带提取腔的类同轴收集极，主要作用如下：

(a)器件有无提取腔时的输出微波功率比较如图6所示。采用提取腔后，由于提取腔半径大，腔内存在较强的驻波场，导致电子束经过提取腔时会被提取腔内的驻波场调制失能，电子束失去的能量交给微波，被提取的微波能量得以提升，故采用提取腔能提高输出微波功率；

(b)器件采用类同轴收集极与采用圆波导收集极时输出微波功率对比图如图7，与圆波导收集极比，类同轴收集极在电子束轰击位置处加同轴鞘套结构，改变腔内反射特性，影响了腔内对称模式增长率，根据已有的研究结果，增加了类同轴收集极后，输出微波功率显著提升。；

(c)在收集极处填充了1torr气体后，器件有无类同轴收集极时输出功率对比图如图8所示。采用类同轴收集极的器件在收集极处设置了电离气体层后，微波输出功率降低了150MW。然而，未采用类同轴收集极的器件在收集极处设置了电离气体层后，微波输出功率降低了超过1GW，并且输出微波功率随时间变化。这是由于类同轴收集极降低电子束轰击位置附近的轴向电场，所以降低了移动轴向的带电粒子数量和速度，有抑制脉冲缩短效应的效果。同时，同轴筒阻挡了径向移动的带电粒子进入输出波导区域，提高了传输微波的通过率，提高了输出微波效率；

(d)漂移段长度L

(e)收集极漂移段距离长1cm，梯形收集极长3cm，即电子束轰击位置与提取腔之间的距离为4cm。间隔距离大有利于增大收集极等离子体扩散至提取腔的时间，降低脉冲缩短效应对器件的影响，提高器件稳定运行时间；

(f)采用了带提取腔的类同轴收集极模拟长脉冲实验如图10所示，采用了带提取腔的类同轴收集极后，模拟实验中器件能稳定运行116ns左右，而且输出微波平稳，未发生明显的脉冲缩短现象，采用该结构有利于长脉冲微波输出。

(2)采用谐振反射器腔，主要作用如下：

谐振反射腔能反射返向微波，隔离束波作用区和二极管区域。不同频率下谐振反射腔的S

(3)采用分段非均匀慢波结构，主要作用如下：

(a)慢波结构从矩形结构向梯形结构过渡的过程中，腔体两侧导体尖端间的距离逐渐加大，可以避免导体尖端发生局部场增强，降低强场击穿的风险。随着梯形倾角的减小，电子束感应出的静电场逐渐增大，该静电场可以抑制金属表面电子的场致发射。

(b)达到饱和(t＝49ns)时，器件采取均匀慢波结构与非均匀慢波结构时的调制电流随轴向位置变化对比图如图12所示，采用非均匀慢波结构时的调制电流幅度明显高于采用均匀慢波结构的调制电流幅度。采用均匀型慢波结构时，通过慢波结构后段的电子束将能量部分交给电磁波，电子束的速度会低于空间谐波的相速，无法充分换能。采用非均匀慢波结构时，提高慢波结构后端的波纹深度可以增加耦合阻抗，降低谐波的相速。在电子束速度降低的同时，结构波相速相应降低，因此在慢波结构后部仍能满足良好的波束同步条件。

(c)采用非均匀慢波结构后的输出微波频谱图如图13所示，可见运行主频分量较高，倍频杂频较低。非均匀慢波结构通过不同深度高频结构之间的配合，能进行选频，抑制倍频杂频分量。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的相对论切伦科夫振荡器的结构示意图；

图2为背景介绍中现有技术2公开的相对论切伦科夫振荡器的结构示意图；

图3为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例的A-A剖视结构示意图；

图4为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例的提取腔-类同轴收集极局部示意图；

图5为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例的A-A剖视立体示意图；

图6为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例有无提取腔时的轴向净功率流对比图；

图7为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例有无同轴收集结构时的轴向净功率流对比图；

图8为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例在收集极设置气压为1torr的电离气体层后，有无类同轴收集极时输出功率对比图；

图9为本发明提供的含有类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例器件输出功率和频率随慢波结构与提取腔间距离L

图10为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例的长脉冲模拟实验结果图；

图11为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例谐振反射器S

图12为本发明提供采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例微波均达到饱和(t＝49ns)时，采取均匀慢波结构和非均匀慢波结构时的调制电流随轴向位置变化对比图；

图13为本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例的输出微波频谱图。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术1中公布的长脉冲相对论切伦科夫振荡器的结构示意图。该结构由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、截止颈104、慢波结构105、锥形波导106、输出波导107、螺线管磁场108组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构5由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，最大外半径为R

图2为现有技术2中公布的高效率相对论切伦科夫振荡器的结构示意图。虽然该论文公布了该结构的组成，但该结构只是初步建立的数值仿真模型，没有具体技术方案。该结构由阴极座201、阴极202、阳极外筒203、截止颈204、慢波结构205、锥形波导206、输出波导207、螺线管磁场208、同轴提取结构209组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构205由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，最大外半径为R

图3为本发明提供的采用类同轴收集极的相对论返波振荡器优选实施例的A-A剖视结构示意图，图4是本发明提供的采用类同轴收集极的C波段高效率相对论返波振荡器优选实施例的提取腔-类同轴收集极局部示意图，图5为本实施方式的A-A剖视立体示意图。本发明由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、谐振反射腔305、慢波结构306、漂移段307、提取腔308、收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312、输出波导313、螺线管磁场314组成，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的阳极，输出波导313右端连接模式转换器和辐射天线。

本实施例实现了中心频率为4.32GHz(对应微波波长λ＝7cm)的C波段高效率相对论切伦科夫振荡器(相应的尺寸设计为：R

参见图6，可知相较于无提取腔的情况，有提取腔308时电磁波功率在提取腔处得到较大提升。故提取腔的加入有利于将电子束能量提取至电磁波中。

参见图7，可知与圆波导收集极比，类同轴收集极(收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312)的收集极挡板312改变腔内的反射特性，影响了腔内对称模式增长率，输出微波功率显著提升。

参见图8，可知采用了类同轴收集极的器件在收集极处设置了电离气体层后，微波输出功率降低了150MW。然而，未采用类同轴收集极的器件在收集极处设置了电离气体层后，微波输出功率降低了超过1GW，并且输出微波功率随时间变化。故优选实施例中采用类同轴收集极。

参见图9，为漂移段距离L

参见图10，为本发明优选实施例进行的模拟长脉冲实验，由图可见，当模拟输入功率上升沿40ns，下降沿40ns，脉宽130ns时，输出微波脉宽约116ns，饱和后输出微波曲线平稳，未发生较明显的脉冲缩短现象，有利于长脉冲微波输出。

参见图11，可见在频率4.30GHz处，谐振反射腔305的S

参见图12，可以看到相较于非均匀慢波结构306情况，均匀慢波结构调制电流幅度与前者相比较低，电子束群聚块数量少，束波换能能力低。故为了增强电子束的群聚，提高束波作用效率，优选实施例采用非均匀慢波结构。

参见图13，可知输出微波频率为4.30GHz，频谱较为纯净，无杂频，倍频分量较小。

当然，在本优选实施例中，截止颈304、谐振反射腔305、慢波结构306、漂移段307、提取腔308、类同轴收集极(收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312)、输出波导313之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。