CN102184825B

CN102184825B - 一种带状电子注行波管多级降压收集极

Info

Publication number: CN102184825B
Application number: CN 201110091464
Authority: CN
Inventors: 赖剑强; 宫玉彬; 魏彦玉; 段兆云; 黄民智; 王文祥
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: CN102184825A

Abstract

一种带状电子注行波管多级降压收集极，属于真空电子技术领域。包扩多级依次降压的电子收集电极，主体收集电极包括依次相连的电子注通道、过渡腔体和椭圆柱腔体，后一级电子收集与前一级电子收集电极相比，其电子注通道截面尺寸逐渐增大、离心率逐渐减小，其椭圆腔体截面尺寸逐渐增大、离心率逐渐减小；末级电子收集电极包括一个金属挡板和一个锥状电极，锥状电极伸入前一级电子收集电极的椭圆柱腔体内部。本发明结构简单、易加工，能很好地收集带状电子注行波管互作用完的电子注，具有较高的收集效率，电子回流率小，可以提高带状电子注行波管整管的工作效率；电子能均匀打在在各个电极的内壁，不会使收集极局部过热，降低了对散热系统的要求。

Description

一种带状电子注行波管多级降压收集极

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，特别涉及行波管中的多级降压收集极。

背景技术

带状电子注行波管是真空电子技术领域中行波管的一种，具有大功率、高效率、高增益、宽频带、长寿命和易加工等特点而被广泛关注。随着能源的紧张，特别是对于卫星、机载等能源有限、成本较高的环境，要求行波管必须高效率地工作。行波管的特点决定了其互作用效率只能维持在比较低的水平(约10-30％)，而使行波管能够高效率地工作的一种最重要的手段就是采用收集极技术。最常用的行波管收集极为多级降压收集极，它将注波互作用后的电子按能量进行分类，能量小的电子被减速少，打在电位较高的电极上，能量大的电子被减速多，打在电位较低的电极上，使得电子以尽可能小的速度着陆在相应的电极内壁，这样电子的大部分剩余能量就返还给了电源再次利用，从而提高行波管的整管工作效率。通常基于圆形电子注工作的行波管收集极的内部结构都是圆柱腔体结构，但是针对带状电子注行波管收集极的结构却未见报道。

带状电子注也叫片状电子注，图1为一种典型的带状电子注横截面示意图，基于这种电子注工作的行波管最主要的特点就是参与注波互作用的电子注在慢波结构的电子注通道内必须保持为偏平的带条状或近似为偏平的带条状。互作用结束后从慢波结构出来的电子注不会立刻严重变形，它将仍保持近似偏平的带状一段时间，这时通常的圆形电子注行波管用的收集极就不再适用。

发明内容

为了实现将带状电子注行波管互作用后的电子注很好地收集，以提高带状电子注行波管的工作效率，本发明提出了一种带状电子注行波管多级降压收集极。

本发明所采用的技术方案是：

一种带状电子注行波管多级降压收集极，包括多级依次降压的电子收集电极，所有具有电子注通道和腔体的电子收集电极内部的电子注通道和腔体的中心轴线保持一致，相邻两个电子收集电极之间间隔绝缘材料。首级电子收集电极包括依次相连的矩形截面电子注通道、类椭圆台过渡腔体和椭圆柱腔体，其中类椭圆台过渡腔体垂直于轴线方向的截面形状由电子注通道的矩形截面形状开始，逐渐变形并平滑过渡到椭圆柱腔体的截面形状时为止；中间电子收集电极包括依次相连的椭圆形截面电子注通道、椭圆台过渡腔体和椭圆柱腔体，其中椭圆台过渡腔体垂直于轴线方向的截面形状由椭圆形截面电子注通道的截面形状开始，逐渐平滑过渡到椭圆柱腔体的截面形状时为止；后一级电子收集电极的电子注通道与前一级电子收集电极对应的电子注通道相比，其截面尺寸逐渐增大，离心率逐渐减小；后一级电子收集电极的椭圆柱腔体与前一级电子收集电极对应椭圆柱腔体相比，其截面尺寸逐渐增大，离心率逐渐减小；末级电子收集电极包括一个金属挡板和一个锥状电极，锥状电极伸入前一级电子收集电极的椭圆柱腔体内部。

本发明提供的带状电子注行波管多级降压收集极，首级电子收集电极的矩形电子注通道与带状电子注慢波结构电子注通道的末端对准并绝缘相连，且首级电子收集电极的矩形电子注通道的尺寸略大于带状电子注慢波结构电子注通道末端的尺寸，以保证带状电子注慢波结构末端的电子注能够顺利通过矩形电子注通道。

所述末级电子收集电极中的锥状电极的形状可以是三角锥、椭圆锥或圆锥。所述间隔绝缘材料为陶瓷材料。

本发明的工作原理可以描述为：

所述带状电子注行波管多级降压收集极中首级电子收集电极的电子注通道对准慢波结构末端的电子注通道，互作用后的带状电子注进入收集极时将保持近似的带状形状，并随着电子的向前运动其形状逐渐发散。通过CST-PS 2009模拟计算发现，收集极中的电子注在垂直于其宽边方向发散的电子数量多余平行于其宽边方向发散的电子数量，随着电子向后级电极运动，电子注的形状由带状变为近似椭圆状再到近似圆形状。这就决定了我们需要将电子通道截面设计成为长半轴与电子注宽边平行的椭圆状，将各个电极的腔体设计成为长半轴与带状电子注宽边垂直的椭圆柱状。随着电极级数的增加，各电极的电子注通道截面的椭圆尺寸需要逐渐增大，离心率需要逐渐减小；各电极的椭圆柱腔体截面的椭圆尺寸需要逐渐增大，离心率需要逐渐减小。收集极末端的尖锥有利于电子注在收集极内发散。收集极各级之间由陶瓷间隔相互绝缘，各级分别与不同电压的电源连接，将收集到的电流反馈给电源再次利用。

本发明的有益效果是：

(1)针对带状电子注行波管，该多级降压收集极能很好地收集极互作用完的电子注，电子能均匀地打在在各个电极的内壁，不会使收集极局部过热，降低对散热系统的要求。

(2)该多级降压收集极结构简单，易加工，具有较高的收集效率，电子回流率小，可以显著提高带状电子注行波管整管的工作效率。

附图说明

图1是典型带状电子注横截面示意图。

图2是本发明提供的带状电子注行波管多级降压收集极沿入口电子注通道平行于窄边平面的剖面示意图。

图3是本发明提供的带状电子注行波管多级降压收集极的三维结构示意图。

图4是本发明提供的带状电子注行波管多级降压收集极沿入口电子注通道平行于宽边平面的剖面尺寸标注图。

图5是本发明提供的带状电子注行波管多级降压收集极的三维结构示意图3中关键部件对应的横截面二维结构尺寸示意图。

具体实施方式

一种带状电子注行波管多级降压收集极，包括多级依次降压的电子收集电极，所有具有电子注通道和腔体的电子收集电极内部的电子注通道和腔体的中心轴线保持一致，相邻两个电子收集电极之间间隔绝缘材料。首级电子收集电极包括依次相连的矩形截面电子注通道、类椭圆台过渡腔体和椭圆柱腔体，其中类椭圆台过渡腔体垂直于轴线方向的截面形状由电子注通道的矩形截面形状开始，逐渐变形并平滑过渡到椭圆柱腔体的截面形状时为止；中间电子收集电极包括依次相连的椭圆形截面电子注通道、椭圆台过渡腔体和椭圆柱腔体，其中椭圆台过渡腔体垂直于轴线方向的截面形状由椭圆形截面电子注通道的截面形状开始，逐渐平滑过渡到椭圆柱腔体的截面形状时为止；后一级电子收集电极的电子注通道与前一级电子收集电极对应的电子注通道相比，其截面尺寸逐渐增大，离心率逐渐减小；后一级电子收集电极的椭圆柱腔体与前一级电子收集电极对应的椭圆柱腔体相比，其截面尺寸逐渐增大，离心率逐渐减小；末级电子收集电极包括一个金属挡板和一个锥状电极，锥状电极伸入前一级电子收集电极的椭圆柱腔体内部。

本发明提供的带状电子注行波管多级降压收集极，首级电子收集电极的矩形电子注通道与带状电子注慢波结构的电子注通道末端对准并绝缘相连，且首级电子收集电极的矩形电子注通道的尺寸略大于带状电子注慢波结构末端的电子注通道的尺寸，以保证带状电子注慢波结构末端的电子注能够顺利通过矩形电子注通道。

图4给出了一支带状电子注行波管多级降压收集极剖面图的尺寸标注，图3所示的直角坐标系中给出了其三维结构图。5为慢波结构末端，其中51为慢波结构的矩形截面电子注通道，其宽边平行于x轴。慢波结构后面为收集极的第一级电极1，其中11为其腔体结构，由一个椭圆柱状腔体和一个类椭圆台过渡腔体组成，类椭圆台过渡腔体前端与第一级电极的矩形截面电子注通道12相连，矩形截面电子注通道12长p，过渡腔体长为m，第一级电极总长度为s1，第一级离第二级的间隙为g。第一级电极后面为收集极的第二级以及其它电极，以第二级电极2为例说明其结构，其中21为电极腔体，由一个椭圆柱状腔体和一个椭圆台腔体组成，椭圆台腔体前端与第二级椭圆截面电子注通道22相连，该入口通道开在该级防回流挡板23中央。椭圆截面电子注通道22长为t，过渡腔体长为f，第二级电极总长度为s2，第二级离第三级的间隙为g。后面的腔体电极结构与第二级类似。4为末级电极，其中41为末级电极挡板，用于封闭腔体，42为与末级挡板一体的锥状电极。

图5为与图3中主要结构对应的横截面示意图。其中(a)为行波管慢波结构末端5的横截面，(b)为慢波结构末端的矩形截面电子注通道截面，与图3中51对应，电子注通道的宽边与x轴平行，宽边尺寸为h1，窄边尺寸为w1。(c)为第一级电极的矩形截面电子注通道截面，与图3中12对应，尺寸比(b)略大，且与其刚好对准，其宽边与x轴平行，宽边尺寸为h2，窄边尺寸为w2。(d)为第一级电极的椭圆柱腔体横截面，与图3中11的椭圆柱腔体对应，该截面的长半轴为b1，短半轴为a1，且短半轴与x轴平行，即与慢波结构电子注通道宽边平行。(e)为第二级电极的椭圆截面电子注通道截面，与图3中22对应，该截面的长半轴为d1，短半轴为c1，且长半轴与x轴平行。(f)为第二级电极的椭圆柱腔体横截面，与图5中21的椭圆柱腔体对应，该截面的长半轴为b2，短半轴为a2，且短半轴与x轴平行。后面的腔体电极结构与第二级类似。末级电极4的挡板41厚度为k，锥状电极42的高度为n。

实施举例：以慢波结构电子注通道宽边为h1＝1.86mm，窄边为w1＝0.364mm的带状电子注行波管用4级降压收集极为例说明，具体结构参数见图3、图4、图5所标示。收集极第一级矩形截面电子注通道12的横截面(如图5(c)所示)的宽边h2＝1.95mm，窄边w2＝0.38mm，通道长p＝1mm，通道末端类椭圆台过渡腔体长度为m＝4mm，第一级电极长s1＝15mm，第一级腔体11的椭圆柱腔体对应的横截面(如图5(d)所示)的短半轴a1＝10mm，长半轴b1＝14mm；收集极第二级椭圆截面电子注通道22的横截面(如图5(e)所示)的长半轴d1＝3mm，短半轴c1＝2mm，通道长t＝1mm，通道末端椭圆台过渡腔体长度为f＝3mm，第二级电极长s2＝20mm，第二级腔体21的椭圆柱腔体的短半轴a2＝12mm，长半轴b2＝15mm；收集极第三级椭圆截面电子注通道32横截面(如图5(g)所示)的长半轴d2＝6mm，短半轴c2＝5mm，通道长t＝1mm，通道末端椭圆台过渡腔体长度为f＝3mm，第三级电极长s3＝25mm，第三极腔体31的椭圆柱腔体的短半轴a3＝14mm，长半轴b3＝16mm；收集极最后一级4为一个带三角状尖锥的挡板电极，挡板41的厚度k＝3mm，三角形尖锥42高n＝7mm，厚u＝3mm。收集极各级之间间隙均为g＝1mm，用绝缘陶瓷填注。

将上述具体结构的带状电子注行波管多级降压收集极用于收集一种矩形交错双栅慢波结构的带状电子注行波管互作用后的电子注，在四级收集级电极上施加依次减小的适当电压，利用三维电磁仿真软件CST-PS 2009对本发明上述具体实施方案的收集极进行模拟计算，得到收集极效率为81.52％，电子能均匀地打在各电极的表面上。

Claims

1.一种带状电子注行波管多级降压收集极，包括多级依次降压的电子收集电极，所有具有电子注通道和腔体的电子收集电极内部的电子注通道和腔体的中心轴线保持一致，相邻两个电子收集电极之间间隔绝缘材料；

其特征在于，首级电子收集电极包括依次相连的矩形截面电子注通道、类椭圆台过渡腔体和椭圆柱腔体，其中类椭圆台过渡腔体垂直于轴线方向的截面形状由电子注通道的矩形截面形状开始，逐渐变形并平滑过渡到椭圆柱腔体的截面形状时为止；中间电子收集电极包括依次相连的椭圆形截面电子注通道、椭圆台过渡腔体和椭圆柱腔体，其中椭圆台过渡腔体垂直于轴线方向的截面形状由椭圆形截面电子注通道的截面形状开始，逐渐平滑过渡到椭圆柱腔体的截面形状时为止；后一级电子收集电极的电子注通道与前一级电子收集电极对应的电子注通道相比，其截面尺寸逐渐增大、离心率逐渐减小；后一级电子收集电极的椭圆柱腔体与前一级电子收集电极对应的椭圆柱腔体相比，其截面尺寸逐渐增大，离心率逐渐减小；末级电子收集电极包括一个金属挡板和一个锥状电极，锥状电极伸入前一级电子收集电极的椭圆柱腔体内部。

2.根据权利要求1所述的带状电子注行波管多级降压收集极，其特征在于，所述带状电子注行波管多级降压收集极，首级电子收集电极的矩形截面电子注通道与带状电子注慢波结构电子注通道的末端对准并绝缘相连，且首级电子收集电极的矩形截面电子注通道的尺寸略大于带状电子注慢波结构末端的电子注通道的尺寸，以保证带状电子注慢波结构末端的电子注能够顺利通过矩形电子注通道。

3.根据权利要求1所述的带状电子注行波管多级降压收集极，其特征在于，所述末级电子收集电极中的锥状电极的形状为三角锥、椭圆锥或圆锥。

4.根据权利要求1所述的带状电子注行波管多级降压收集极，其特征在于，所述间隔绝缘材料为陶瓷材料。