CN102208315A - 紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器，目的是解决通常低频段RBWO尺寸较大、输出微波频率不易调节等问题。本发明关于中心轴线旋转对称，由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆、模式转换器、辐射口和密封板组成。慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构。收集极左端面挖有环形凹槽；模式转换器左端为圆筒状，右端为锥形结构；支撑杆共有两排；辐射口为圆筒状，左端为锥形结构，右端为圆筒状；密封板压在辐射口上；通过调节内导体半径R₃来调节输出微波的频率。本发明结构紧凑，工作频率方便可调，有利于实现微波的长脉冲输出。

Description

紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种紧凑型、低频段、频率可调相对论返波振荡器RBWO(Relativistic Backward-Wave Oscillator)。

背景技术

近年来，高功率微波(根据Benford和Swegle的约定，高功率微波指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波)在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，已经提出的高功率微波应用多种多样：高功率微波定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等。然而，无论哪一种应用都需要不同频段、较高功率的微波支持。作为高功率微波系统的核心器件，高功率微波源利用强流相对论电子束与器件内部腔体的谐振模式相互作用，进而辐射高功率微波。因此，研制频率可调、高功率、高效率以及紧凑型高功率微波源是高功率微波技术发展的重要方向之一。

RBWO是发展较成熟的振荡器型的高功率微波源，具有结构简单、效率高以及适合重复频率工作等优点，在工业和国防领域有着广泛的应用前景。由于RBWO的工作频段与器件的尺寸存在密切的关系，高频段器件尺寸较小，而低频段器件尺寸较大。此外，低频段器件还需要配备体积较大的螺线管磁场对电子束进行约束，造成整个系统庞大，不利于加工和实验。因此，RBWO在向低频段(＜2GHz)拓展遇到了很大困难。然而，低频段高功率微波具有以下优点：微波波长长，绕射能力强，因而容易穿越遮蔽物，与目标体直接发生相互作用；微波的自由空间传输损耗小，传输距离远。因此，研究具有紧凑结构的低频段RBWO具有重要的理论和现实意义。另外，构造方便可调的电动力学结构以实现输出微波频率可调，具有重要的实际应用价值，是高功率微波的重要研究方向之一。

目前，对RBWO的研究多集中在S、C、X和毫米波段，对P、L波段等低频段在理论方面研究较少，实验方面更是没有报导。其中，研究L波段器件具有代表性的是采用同轴结构缩小器件的径向尺寸【牛洪昌，钱宝良.紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.11，pp.1879-1882】。这种器件由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、吸波介质、支撑杆组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。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，从论文的描述中只能简要知道本结构的大致连接关系。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。

阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是正弦结构，最大外半径R₄和最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂。慢波叶片的长度L₁为工作波长λ的二分之一。截止颈和慢波结构从阳极外筒的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒并固定。内导体是一个半径为R₃的圆柱体，R₃＜R₁。收集极是一个半径为R₆的圆柱体，收集极左端面距离慢波结构右侧末端的距离为L₂。内导体和收集极由一排环形支撑杆支撑并从阳极外筒的右端沿轴向嵌入阳极外筒内固定。收集极与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。螺线管磁场为仿真计算中设置的理想模型，通过设置电流大小和绕线匝数确定磁场大小。吸波介质为仿真计算中设置的理想吸波介质，通过设置介电常数和长度实现对输出微波的匹配吸收。

在L波段同轴RBWO运行时，阴极产生的相对论电子束与由慢波结构和内导体决定的最低阶模式(TEM模式)的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口输出。由于慢波结构和内导体组成的区域内的TEM模式的截止频率为0，即对TEM模式不截止，故慢波叶片外半径R₄、内半径R₅和内导体半径R₃只需满足R₄＞R₅＞R₂，就可产生低频段高功率微波。此方案中，慢波叶片的最大外半径R₄可以取值较小，这对于缩小RBWO的径向尺寸有重要借鉴意义。

但是，该RBWO的收集极左端距离慢波结构末端的距离L₂只有2cm，电子直接轰击收集极左端面容易产生二次电子发射，影响微波的提取。此外，正弦结构的慢波叶片，其耦合阻抗较小，不利于提高器件的束波作用效率，并且加工难度大，不利于工程实现。此外，该L波段同轴RBWO不具有频率可调节性，限制了其在高功率微波领域的应用范围。

研究频率可调RBWO具有代表性的是俄罗斯大电流所设计的器件【Evgeny M.Tot’meninov，Alexey I.Klimov，Ivan K.Kurkan，Sergei D.Polevin，and Vladislav V.Rostov.Repetitively Pulsed Relativistic BWO With Enhanced Mechanical Frequency Tunability.IEEETransactions on Plasma Science，2008，Vol.36，No.5，pp.2609-2612】。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、慢波结构、微波输出口、螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中，阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、前置反射腔、漂移段、慢波结构均为不锈钢材料，螺线管磁场采用漆包铜线绕制而成。

阴极座与脉冲功率源的内导体相连，阳极外筒与脉冲功率源的外导体相连。阴极是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔呈圆盘状，内半径R₂和外半径R₇满足R₇＞R₂。漂移段也呈圆盘状，内半径为R₂，长度为L₃。慢波结构由八个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧三个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₄，最小内半径为R₅；右侧五个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₈，最小内半径为R₉，满足R₈＞R₄，R₉＞R₅。八个慢波叶片的长度L₁相同，约为工作波长λ的二分之一。截止颈、前置反射腔、漂移段和慢波结构从阳极外筒的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒并固定。慢波结构右端与阳极外筒之间的圆环空间为微波输出口。螺线管磁场为利用漆包线铜绕制而成的螺线管磁场，通过改变通电电流幅值确定磁场大小。

在该频率可调RBWO运行时，通过调节漂移段的长度L₃可以调节器件输出微波的频率，大大拓展了其在高功率微波领域的应用范围。这对于研制频率可调RBWO有重要借鉴意义。

但是，利用该结构设计出的低频RBWO的体积较大。阴极产生的相对论电子束与慢波结构决定的最低阶模式(TM₀₁模式)的电磁波进行束波相互作用，要产生低频高功率微波，慢波叶片内半径R₅需要满足

R₅＞λ_c/2.61                    (1)

式中，λ_c为临界波长。

这意味着，要产生2GHz的低频段高功率微波，RBWO慢波叶片的内半径R₅至少要大于5.7cm。

此外，该器件中慢波结构有八个慢波叶片组成，若应用在频率在2GHz以下的低频段，需要慢波结构轴向长度至少约为8倍的二分之一波长λ(超过60cm)，大大增加了RBWO的轴向长度。RBWO体积和重量的增加使螺线管磁场的体积和重量相应增加，给加工和实验带来较大困难。故该技术方案不利于实现低频段RBWO的紧凑化。

因此，尽管人们已经开始研究低频段紧凑型RBWO，但很少见到成熟且简单易行的方案。尤其是实现低频段RBWO的频率可调的技术方案尚未有公开报导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服通常低频段RBWO尺寸较大、输出微波频率不易调节等不足，设计一个低频段、频率可调的RBWO，且该微波源结构紧凑、功率转换效率较高。

本发明的技术方案是：本发明由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、螺线管磁场、支撑杆、模式转换器、辐射口和密封板组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中，阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、内导体、收集极、微波输出口、支撑杆均为不锈钢材料，螺线管磁场采用漆包铜线，模式转换器、辐射口为铝材料，密封板为聚四氟乙烯材料。

阴极座左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒左端外接脉冲功率源的外导体。阴极采用与背景技术牛洪昌公布的紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器中一样的阴极，呈薄壁圆筒状，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座右端。截止颈呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。慢波结构由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，梯形结构的长度L₁约为工作波长λ的二分之一。慢波叶片之间通过螺纹旋紧。截止颈和慢波结构从阳极外筒的右侧，沿轴向、紧贴阳极外筒的内壁，依次嵌入阳极外筒并固定。

内导体是一个半径为R₃的圆柱体，通过右端的外螺纹与收集极相连。内导体半径R₃的变化对工作频率会产生影响，通过调节半径R₃，可以调节输出微波的频率。收集极为圆筒状，在左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径R₁₀和外半径R₁₁根据阴极的内半径R₁来选取，满足R₁₁＞R₁＞R₁₀，环形凹槽的长度L₄约为工作波长λ的三分之一。同时在左端面的中心部分车出外半径为R₃的内螺纹，与内导体右端的的外螺纹相连。收集极右端是外半径为R₆的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器的左端面相连。模式转换器左端为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构(锥形角度90°＜θ₁＜180°，90°＜θ₂＜180°)。内导体右端的外螺纹旋入收集极左端面的内螺纹处，模式转换器左端的外螺纹旋入收集极右端的内螺纹处。支撑杆共有两排，第一排支撑杆放在距离收集极左端面为L₅的位置，L₅＞L₄。第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离L₆约为工作波长λ的四分之一。采用两排支撑杆既增强了支撑强度，又可以消除输出口对微波的反射。内导体、收集极、模式转换器由两排支撑杆支撑，从阳极外筒的右端沿轴向嵌入阳极外筒内。其中，内导体右端通过外螺纹与收集极相连，左端沿轴向插入慢波结构中央，且与慢波结构同轴，内导体的左端面与截止颈的右端面平齐；收集极插入阳极外筒中央且与阳极外筒同轴；第一排支撑杆固定在距离收集极左端面为L₅的阳极外筒的内壁上。

辐射口为圆筒状，左端为锥形结构(锥形角度0°＜θ₃＜90°)，锥形结构的起始位置与模式转换器的起始位置平齐。锥形结构左端留有外螺纹，与阳极外筒的右侧通过螺纹拧紧。辐射口的右端为圆筒状，圆筒内半径为R₁₂，R₁₂＞R₆，圆筒壁有一定厚度，使得辐射口的右端面是一个环形，辐射口的右端面挖有一个环形的密封槽。密封板是一个圆盘，利用抽真空时辐射口内外的压力差通过密封槽压在辐射口上。密封板起保持RBWO内部真空环境的效果。

紧凑型低频段频率可调RBWO运行时，阴极产生的相对论电子束与由慢波结构和内导体决定的最低阶模式(TEM模式)的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波经模式转换器转换成容易辐射的TM₀₁模式的高功率微波，并且改变内导体的半径R₃可调节输出微波的工作频率。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

(1)利用慢波结构和内导体组成的区域内TEM模式的截止频率为0(根据同轴波导理论)，即对TEM模式不截止，慢波叶片外半径R₄可以取值较小，进而缩小慢波结构的径向尺寸，设计出工作在最低阶模式的紧凑型L波段RBWO；

(2)仅通过改变内导体半径R₃就能改变RBWO的工作频率，使紧凑型L波段RBWO具有工作频率方便可调的特性，拓宽了其应用领域；

(3)收集极左端留有凹槽结构，能够增加器件末端反射，在梯形慢波结构慢波叶片个数较少(5个)的情况下激励起高效的单频振荡，缩短RBWO轴向长度和提高器件效率；凹槽结构内壁吸收残余电子，减少了电子束直接轰击收集极表面产生的二次电子，削弱了二次电子对器件工作过程的影响，有利于实现微波的长脉冲输出；

(4)设计了模式转换器结构，使RBWO产生的TEM模式的高功率微波转换成容易辐射的TM₀₁模式的高功率微波；

(5)利用两排支撑杆，既增强了支撑强度，又容易消除输出口对微波的反射。

附图说明

图1为背景技术【牛洪昌，钱宝良.紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.11，pp.1879-1882】中公布的L波段同轴RBWO的结构示意图；

图2为背景技术【Evgeny M.Tot’meninov，Alexey I.Klimov，Ivan K.Kurkan，Sergei D.Polevin，and Vladislav V.Rostov.Repetitively Pulsed Relativistic BWO With EnhancedMechanical Frequency Tunability.IEEE Transactions on Plasma Science，2008，Vol.36，No.5，pp.2609-2612】中公布的频率可调RBWO结构示意图；

图3为本发明中的紧凑型低频段频率可调RBWO的A-A剖视图；

图4为本发明中的紧凑型低频段频率可调RBWO的整体结构图。

具体实施方式

图1为背景技术【牛洪昌，钱宝良.紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器的粒子模拟.强激光与粒子束，2006，Vol.18，No.11，pp.1879-1882】中公布的L波段同轴RBWO的结构示意图。为了叙述的方便，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。该结构由阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、慢波结构5、内导体6、收集极7、微波输出口8、螺线管磁场9、吸波介质10、支撑杆11组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。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，下面只是简要介绍本结构的大致连接关系。阴极座1左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒3左端外接脉冲功率源的外导体。阴极2是一个薄壁圆筒，圆筒壁的厚度仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座1右端。截止颈4呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。慢波结构5由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是正弦结构，最大外半径R₄和最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂。慢波叶片的长度L₁为工作波长λ的二分之一左右。截止颈4和慢波结构5从阳极外筒3的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒3并固定。内导体6是一个半径为R₃的圆柱体，R₃＜R₁。收集极7是一个半径为R₆的圆柱体，收集极7左端面距离慢波结构右侧末端的距离为L₂。支撑杆11是环形结构，外半径等于慢波叶片最大外半径R₄，内半径等于收集极7的半径R₆。内导体6和收集极7由支撑杆11支撑并从阳极外筒3的右端沿轴向嵌入阳极外筒3内固定。收集极7与阳极外筒3之间的圆环空间为微波输出口8。螺线管磁场9为仿真计算中设置的理想模型，通过设置电流大小和绕线匝数确定磁场大小。吸波介质10为仿真计算中设置的理想匹配负载，通过设置介电常数和长度实现对输出微波的匹配吸收。在RBWO运行时，阴极2产生的相对论电子束与慢波结构5和内导体6决定的最低阶模式(TEM模式)的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口8输出。由于慢波结构5和内导体6组成的区域内电场的最低阶模式的截止频率为0，即对最低阶模式不截止，慢波叶片内半径R₅和内导体6半径R₃只需满足R₅＞R₃，就可产生低频段高功率微波。该方案对慢波叶片外半径R₄的大小没有限制，这对于缩小RBWO的径向尺寸有重要借鉴意义。但是，实际RBWO工作中，收集极7左端面距离慢波结构右侧末端的距离L₂只有2cm，电子直接轰击收集极7左端面容易产生二次电子发射，影响微波的提取。此外，慢波结构5有五个正弦形状慢波叶片，其耦合阻抗较小，不利于提高器件的束波作用效率，并且加工难度大，不利于工程实现。此外，这种L波段同轴RBWO不具有频率可调节性。

图2为背景技术【Evgeny M.Tot’meninov，Alexey I.Klimov，Ivan K.Kurkan，Sergei D.Polevin，and Vladislav V.Rostov.Repetitively Pulsed Relativistic BWO With EnhancedMechanical Frequency Tunability.IEEE Transactions on Plasma Science，2008，Vol.36，No.5，pp.2609-2612】中公布的频率机械可调RBWO频率结构示意图。该结构由阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、前置反射腔12、漂移段13、慢波结构5、微波输出口8、螺线管磁场9组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中，阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、前置反射腔12、漂移段13、慢波结构5均为不锈钢材料，螺线管磁场9采用漆包铜线绕制而成。阴极座1左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒3左端外接脉冲功率源的外导体。阴极2是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座1右端。截止颈4呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。前置反射腔12呈圆盘状，内半径等于截止颈4内半径R₂，外半径R₇满足R₇＞R₂。漂移段13也呈圆盘状，内半径等于截止颈4内半径R₂，长度为L₃。慢波结构5由八个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧三个慢波叶片完全相同，右侧五个慢波叶片完全相同，左侧慢波叶片的最大外半径R₄、最小内半径R₅与右侧慢波叶片的最大外半径R₈、最小内半径R₉满足R₈＞R₄，R₉＞R₅。八个慢波叶片的长度相同，均为L₁，为工作波长λ的二分之一左右。截止颈4、前置反射腔12、漂移段13和慢波结构5从阳极外筒3的右侧沿轴向依次嵌入阳极外筒3并固定。慢波结构5右端与阳极外筒3之间的圆环空间为微波输出口8。螺线管磁场9为利用漆包线绕制而成的螺线管磁场，通过改变通电电流确定磁场大小。在该RBWO运行中，阴极2产生的相对论电子束与慢波结构5决定的最低阶模式(TM₀₁模式)的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波输出口8输出。但要利用这种RBWO产生2GHz的低频段高功率微波，RBWO慢波叶片的径向半径R₄至少要大于5.7cm，这样就增大了径向尺寸。此外，慢波结构5有八个慢波叶片组成，若应用在频率在2GHz以下的低频段，需要慢波结构的长度至少约为8倍的二分之一波长λ(超过60cm)，大大增加了RBWO的轴向长度。RBWO体积和重量的增加使螺线管磁场9的体积和重量相应增加，给加工和实验带来较大困难。但此RBWO可通过调节漂移段13的长度L₃以调节输出微波的频率。

图3为本发明紧凑型低频段频率可调RBWO的的A-A剖视图，图4为本发明的整体结构图。本发明由阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、慢波结构5、内导体6、收集极7、微波输出口8、螺线管磁场9、支撑杆11、模式转换器14、辐射口15和密封板16组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中，阴极座1、阴极2、阳极外筒3、截止颈4、慢波结构5、内导体6、收集极7、微波输出口8、支撑杆11均为不锈钢材料，螺线管磁场9采用漆包铜线，模式转换器14、辐射口15为铝材料，密封板16为聚四氟乙烯材料。阴极座1左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒3左端外接脉冲功率源的外导体。阴极2是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座1右端。截止颈4呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁。慢波结构5由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，梯形结构的长度L₁约为工作波长λ的二分之一。慢波叶片之间通过螺纹拧紧。截止颈4和慢波结构5从阳极外筒3的右侧，沿轴向、紧贴阳极外筒3的内壁，依次嵌入阳极外筒3并固定。内导体6是一个表面光滑的圆柱体，半径R₃的变化对工作频率会产生影响，通过调节R₃，可以调节本发明输出微波的频率。内导体6右端通过外螺纹与收集极7相连，左端沿轴向插入慢波结构5中央，且与慢波结构5同轴，内导体6的左端面与截止颈4的右端面平齐。收集极7为圆筒状，左端面挖有环形凹槽71，环形凹槽71的内半径R₁₀和外半径R₁₁根据阴极2的内半径R₁来选取，满足R₁₁＞R₁＞R₁₀，环形凹槽71的长度L₄约为工作波长λ的三分之一。收集极7左端面的中心车出外半径为R₃的内螺纹，与内导体6右端的的外螺纹相连；收集极7右端是外半径为R₆的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器14的左端面相连。模式转换器14为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构(锥形角度90°＜θ₁＜180°，90°＜θ₂＜180°)。模式转换器14使RBWO产生的TEM模式的高功率微波转换成容易辐射的TM₀₁模式的高功率微波。内导体6右端的外螺纹旋入收集极7左端面的内螺纹处，模式转换器14左端的外螺纹旋入收集极7右端的内螺纹处。支撑杆11共有两排，第一排支撑杆放在距离收集极7左端面为L₅的位置，L₅＞L₄；第二排支撑杆与第一排支撑杆之间的距离L₆约为工作波长λ的四分之一；采用两排支撑杆既增强了支撑强度，又可以消除输出口对微波的反射。收集极7、模式转换器14由两排支撑杆11支撑，从阳极外筒3的右端沿轴向嵌入阳极外筒3内。其中，收集极7插入阳极外筒3中央且与阳极外筒3同轴，第一排支撑杆固定在距离收集极7左端面为L₅的阳极外筒3的内壁上。辐射口15为圆筒状，左端为锥形结构(锥形角度0°＜θ₃＜90°)，锥形结构的起始位置与模式转换器14的起始位置平齐，锥形结构左端留有外螺纹，与阳极外筒3的右侧通过螺纹拧紧。辐射口15的右端为圆筒状，圆筒内半径为R₁₂，R₁₂＞R₆，辐射口的右端面挖有一个环形的密封槽151。。密封板16是一个圆盘，其利用抽真空时辐射口15内外的压力差，通过密封槽151压在辐射口15上。密封板16起保持RBWO内部真空环境的效果。收集极7与阳极外筒3之间的圆环空间为微波输出口8。本发明运行时，阴极2产生的相对论电子束与由慢波结构5和内导体6决定的最低阶模式(TEM模式)的电磁波进行束波相互作用，产生功率为1.15GW、频率为1.58GHz的L波段的高功率微波从微波，经模式转换器14转换成容易辐射的TM₀₁模式的高功率微波，通过改变内导体6的半径R₃可调节输出微波的工作频率。

国防科技大学设计了中心频率为1.58GHz(对应微波波长λ＝18.99cm)的紧凑型L波段频率可调RBWO。在强流加速器上开展了系统的实验研究，当导引磁场为0.85T、二极管电压为711kV、电流为11.6kA时，得到频率1.58GHz、功率1.15GW、脉宽40ns的微波输出，并且当内导体6的半径R₃在0.5-1.75cm范围内改变时，微波频率在1.65-1.55GHz范围内可调。这是首次关于L波段RBWO的实验结果。此外，还进行了长脉冲实验研究，在导引磁场0.95T、二极管电压705kV的条件下，获得了频率1.58GHz、功率1.2GW、脉宽85ns的微波输出，结果表明器件具有长脉冲运行的潜力。由上述结果可知，本发明在结构紧凑的情况下实现了低频段、高功率微波的长脉冲输出，并且仅通过改变内导体半径R₃就可实现对输出微波的频率进行调节。

Claims (4)

1.一种紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器，它关于中心轴线旋转对称，包括阴极座(1)、阴极(2)、阳极外筒(3)、截止颈(4)、慢波结构(5)、内导体(6)、收集极(7)、微波输出口(8)、螺线管磁场(9)、支撑杆(11)；阴极座(1)左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒(3)左端外接脉冲功率源的外导体；阴极(2)是一个薄壁圆筒，壁厚仅为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座(1)右端；截止颈(4)呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁；其特征在于它还包括模式转换器(14)、辐射口(15)和密封板(16)；慢波结构(5)由五个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，梯形结构的最大外半径R₄与最小内半径R₅满足R₄＞R₅＞R₂，梯形结构的长度L₁为工作波长λ的二分之一，慢波叶片之间通过螺纹拧紧；截止颈(4)和慢波结构(5)从阳极外筒(3)的右侧，沿轴向、紧贴阳极外筒(3)的内壁，依次嵌入阳极外筒(3)并固定；内导体(6)是一个表面光滑的圆柱体，通过调节内导体(6)的半径R₃来调节输出微波的频率，内导体(6)右端通过外螺纹与收集极(7)相连，左端沿轴向插入慢波结构(5)中央，且与慢波结构(5)同轴，内导体(6)的左端面与截止颈(4)的右端面平齐；收集极(7)为圆筒状，左端面挖有环形凹槽(71)，环形凹槽(71)的内半径R₁₀和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₁＞R₁₀，环形凹槽(71)的长度L₄为工作波长λ的三分之一，收集极(7)左端面的中心车出外半径为R₃的内螺纹，与内导体(6)右端的的外螺纹相连，收集极(7)右端是外半径为R₆的圆筒，且带内螺纹，与模式转换器(14)的左端面相连；模式转换器(14)左端为圆筒状，左端开口且带外螺纹，右端为锥形结构；内导体(6)右端的外螺纹旋入收集极(7)左端面的内螺纹处，模式转换器(14)左端的外螺纹旋入收集极(7)右端的内螺纹处；收集极(7)、模式转换器(14)由两排支撑杆(11)支撑，从阳极外筒(3)的右端沿轴向嵌入阳极外筒(3)内，收集极(7)插入阳极外筒(3)中央且与阳极外筒(3)同轴，第一排支撑杆(11)固定在距离收集极(7)左端面为L₅的阳极外筒(3)的内壁上，L₅＞L₄，第二排支撑杆(11)与第一排支撑杆(11)之间的距离L₆为工作波长λ的四分之一；辐射口(15)为圆筒状，左端为锥形结构，锥形结构的起始位置与模式转换器(14)的起始位置平齐，锥形结构左端留有外螺纹，与阳极外筒(3)的右侧通过螺纹拧紧；辐射口(15)的右端为圆筒状，圆筒内半径为R₁₂，R₁₂＞R₆，辐射口的右端面挖有一个环形的密封槽(151)；密封板(16)是一个圆盘，利用抽真空时辐射口(15)内外的压力差，通过密封槽(151)压在辐射口(15)上；收集极(7)与阳极外筒(3)之间的圆环空间为微波输出口(8)。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器，其特征在于所述阴极座(1)、阴极(2)、阳极外筒(3)、截止颈(4)、慢波结构(5)、内导体(6)、收集极(7)、微波输出口(8)、支撑杆(11)均为不锈钢材料，螺线管磁场(9)采用漆包铜线，模式转换器(14)、辐射口(15)为铝材料，密封板(16)为聚四氟乙烯材料。

3.如权利要求1所述的一种紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器，其特征在于所述模式转换器(14)右端锥形结构的锥形角度θ₁、θ₂满足90°＜θ₁＜180°，90°＜θ₂＜180°。

4.如权利要求1所述的一种紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器，其特征在于所述辐射口(15)左端的锥形结构的锥形角度θ₃满足0°＜θ₃＜90°。

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