CN103632907A - 带状注速调管多间隙腔输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带状注速调管多间隙腔输出装置，该装置包括：上盖板、下盖板、耦合过渡片和输出波导，其中：所述上盖板和下盖板扣合匹配，两者之间形成多间隙输出腔；耦合过渡片，其一端位于所述鼓包结构内，其另一端通过形成于所述上盖板和下盖板侧面的方孔伸出所述鼓包结构外，其中部开有过渡孔，该过渡孔的一端与所述鼓包结构相连接；输出波导，与所述耦合过渡片上过渡孔的另一端相连接，用于将多间隙输出腔内的微波输出至外部负载。本发明提高了各互作用间隙的场耦合，并可以调节腔体频率。

Description

带状注速调管多间隙腔输出装置

技术领域

本发明涉及微波电真空器件技术领域，尤其涉及一种能与群聚的带状电子注进行互作用并有效提取电子动能实现微波能量输出的带状注速调管多间隙腔输出装置。

背景技术

将带状电子注应用于速调管可以获得高频率和高功率的微波输出，尽管在二十世纪三十年代就已经有前苏联的学者提出了这一概念，但直到上世纪九十年代带状注方案才重新引起了研究人员的兴趣，这首先是因为在早期的技术条件下，与传统的圆形电子注相比，带状电子注轴对称性的丧失给电子枪和聚焦系统的分析、设计以及加工制造带来了难以克服的巨大困难。在最近二十年以来，经过各国科研人员的不懈努力，目前带状电子注的成形和传输问题已经基本获得解决。在突破带状注电子光学系统的技术之后，为制成实用化的带状注速调管还需发展出高效率的注波互作用结构以实现微波功率的提取和输出，特别是设计出合理的多间隙腔输出结构显得尤为重要。

相较于传统的圆柱形重入式谐振腔，与带状注配合的哑铃形谐振腔存在特性阻抗较低和工作于高阶模式的特点，这些均不利于电子注与腔体内高频场之间的能量交换。因此，需要根据哑铃形腔的特点发展出串列式的多间隙结构以便进一步提高注波互作用的效率，同时还起到降低间隙电压避免高频打火以及增加腔体有效散热面积的作用。美国加州大学戴维斯分校的研究人员在2009年发表的论文(Quasi-Optical Output-Cavity Designfor a 50-kW Multicavity W-Band Sheet-Beam Klystron，IEEE Trans.ElectronDevices，vol.56，no.12，pp.3196-3202)中提出了一种带状注速调管所用的多间隙输出腔，如图1所示。其中，五个在空间上相互分离的哑铃形谐振腔1仅通过电子注漂移通道进行耦合，工作于2π模式。在哑铃形结构两侧的鼓包上使用过渡段2与锥形渐变段3连接，在锥形渐变段3中将从各腔提取的电磁波能量进行耦合叠加之后输出到外部的标准波导。群聚电子注沿图中所示箭头方向进入输出腔，通过注波互作用产生的微波功率则从输出腔两侧提供给外部负载。

然而，上述由美国加州大学戴维斯分校研究人员所提出的用于带状注速调管的输出腔存在如下技术问题：(1)各互作用间隙的场耦合较弱；(2)难以设置腔体调谐机构，考虑到实际的金属构件存在加工和装配误差，在具体应用场合中将会面临腔体工作频率无法进行有效修正的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种用于带状注速调管的多间隙腔输出装置，以提高各互作用间隙的场耦合，并可以调节腔体频率。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提出了一种带状注速调管多间隙腔输出装置，包括：上盖板、下盖板、耦合过渡片和输出波导，上盖板和下盖板扣合匹配，两者之间形成多间隙输出腔，其中：上盖板和下盖板内表面的中部形成对应的多条横向沟槽，该多条横向沟槽构成多间隙输出腔的互作用间隙；上盖板和下盖板的内表面的多条横向沟槽的两侧形成贯通的纵向沟槽，该纵向沟槽构成多间隙输出腔的鼓包结构；上盖板和下盖板的纵向两侧开口，分别形成电子束的输入和输出口，上盖板的横向沟槽和下盖板的横向沟槽之间构成多间隙输出腔的电子漂移通道；耦合过渡片，其一端位于鼓包结构内，其另一端通过形成于上盖板和下盖板侧面的方孔伸出鼓包结构外，其中部开有过渡孔，该过渡孔的一端与鼓包结构相连接；输出波导，与耦合过渡片上过渡孔的另一端相连接，用于将多间隙输出腔内的微波输出至外部负载。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明带状注速调管多间隙腔输出装置具有以下有益效果：

1、由上盖板和下盖板组成的多间隙腔结构中，与各互作用间隙相连接的是贯通的鼓包结构，因而，各间隙场之间除通过漂移通道发生弱耦合之外，该鼓包结构还提供了另外的强耦合途径，这对提高腔体的特性阻抗，进一步增强注波互作用是有利的；

2、在上盖板的外表面两侧对称设置长条形圆头槽与调谐块相配合，通过改变调谐块进入鼓包的深度可在一定范围内对腔体谐振频率进行修正，从而补偿在零件加工和装配时引起的偏差；

3、在上盖板外表面的中部开有贯通的圆孔，用于在冷测实验时插入金属微扰杆。由于微扰杆将引起工作模式频率的明显偏移，因而，该方法可从具有多个尖峰的扫频曲线上分辨出腔体的工作模式；

4、在上盖板与下盖板组成的腔体窄边一侧或两侧开有方形槽，通过耦合过渡片与输出波导直接相连，这有助于缩短整个多间隙腔输出装置的横向尺寸，为放置磁聚焦和水冷系统留出了空间。

附图说明

图1为现有技术带状注速调管输出腔的结构示意图；

图2为本发明实施例带状注速调管的多间隙腔输出装置的立体示意图；

图3a为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中上盖板从内表面观察时的立体示意图；

图3b为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中上盖板从外表面观察时的立体示意图；

图3c为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中上盖板的正视图；

图3d为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中上盖板的A-A截面剖视图；

图3e为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中上盖板的B-B截面剖视图；

图3f为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中上盖板的C-C截面剖视图；

图4为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中下盖板从内表面观察时的立体示意图；

图5为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中调谐块的立体示意图；

图6为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中密封圆钉的立体示意图；

图7a为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中耦合过渡片的立体示意图；

图7b为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中耦合过渡片的正视图；

图7c为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中耦合过渡片的A-A截面剖视图；

图8为图2所示带状注速调管多间隙腔图案中输出波导的立体示意图；

图9a是由仿真给出的本发明多间隙腔输出装置内带状电子注的群聚图；

图9b是由仿真给出的本发明多间隙腔输出装置提取的微波功率随时间的演化图。

【主要元件符号说明】

1-上盖板；        2-下盖板；

3-调谐块；        4-密封圆钉；

5-耦合过渡片；    6-输出波导。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“纵”、“横”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明所述的是一种用于带状注速调管的多间隙腔输出装置，包括上盖板1、下盖板2、调谐块3、密封圆钉4、耦合过渡片5和输出波导6，整体结构如图2所示。上盖板1和下盖板2之间的相对位置由定位台阶确定，将前后两端面对齐即可组成多间隙腔的互作用间隙。上盖板1和下盖板2的纵向两侧开口，形成电子束的输入和输出口，上盖板的横向沟槽和下盖板的横向沟槽之间构成多间隙输出腔的电子漂移通道。调谐块3和密封圆钉4分别与上盖板1上的长条形圆头槽和贯通圆孔相配合，可形成环绕漂移通道的封闭腔体结构。耦合过渡片5将由上盖板1和下盖板2组成的多间隙腔体与输出波导6连接起来，实现微波能量的输出。

如图3a和图3b中所示，上盖板1的内表面为具有漂移通道的多间隙腔结构的上半部分，外表面两侧对称开有长条形的圆头槽，外表面中部开有贯通的圆孔，外表面的窄边一侧开有用于连接输出波导的方形槽的上半部分；如图4所示，除了没有在外表面开长条形的圆头槽和贯通的圆孔之外，下盖板2的基本结构与上盖板1相同，其内表面同样为具有漂移通道的多间隙腔结构的下半部分，外表面窄边一侧开有用于连接输出波导的方形槽的下半部分，外表面的其余部分均封闭。由上盖板1和下盖板2组成的多间隙腔结构中，在两侧与各互作用间隙相连接的是贯通的鼓包结构(见图2、图3a和图4)，因而，各间隙场之间除通过漂移通道的互作用间隙发生弱耦合之外，该鼓包结构还提供了另外的强耦合途径，这对提高腔体的特性阻抗，进一步增强注波互作用是有利的。

如图2和图3a所示，由于多间隙腔的两侧为贯通的鼓包结构，因此，可以在上盖板1的外表面两侧对称设置长条形圆头槽与调谐块3相配合，通过改变调谐块3进入鼓包的深度可在一定范围内对腔体谐振频率进行修正，从而补偿在零件加工和装配时引起的偏差。

如图5所示，调谐块3为带有帽檐的长条形圆头榫状结构，与上盖板1外表面上所开的长条形圆头槽相配合，安装后二者在外表面齐平。如图6所示，密封圆钉4为带有帽檐的圆柱结构，与上盖板1外表面上所开的贯通圆孔相配合，安装后二者在外表面齐平；

如图7a所示，耦合过渡片5为中部开有矩形方孔但两端外形尺寸不同的结构，其两端分别与腔体上的方形槽及输出波导端面上的凹槽相配合。如图8所示，输出波导6为一段中空管状结构，其内部截面尺寸与BJ100标准波导相同。

由于具有较大横向宽度的多间隙谐振腔中存在大量的非工作模式，同时腔体内的工作模式通常为高次模，因此，为了在冷测实验中从具有多个尖峰(对应着各种腔模和杂模)的扫频曲线上分辨出所需要的工作模式，如图3a中所示，在上盖板1的外表面中部(对应第三间隙中脊的上方)开有贯通的圆孔，进行冷测实验时在该圆孔中插入金属微扰杆可使得工作模式的频率产生明显的偏移，据此现象即可对所需的模式做出判定。

如图3a和图4所示，在该单臂多间隙腔输出装置的基础上，通过在上、下盖板拼接成的腔体另一侧窄边对称设置同样的方形槽，并安装与前述同样的耦合过渡片和输出波导之后，即可以容易地衍生出双臂多间隙腔输出装置，后者具有更大的功率容量且腔体内场形分布更为平衡。这里所述的单臂及双臂多间隙腔输出装置均在本发明的涉及范围之内。

为保证良好的导热和导电性能，多间隙腔输出装置中涉及的所有构件均由无氧铜制成并通过钎焊连接为一个整体。本发明所提及的结构件中，耦合过渡片也可采用蒙乃尔材料以进一步提高多间隙腔体与输出波导之间的连接强度。

根据本发明设计的X波段带状注速调管多间隙腔输出装置，通过与直流电压150kV，直流电流100A，横截面为50mm×4mm的预调制带状电子注进行互作用，可在基波电流调制深度为1.0的条件下，在11.743GHz的频率附近获得5MW的微波功率输出，参与互作用的带状电子注由0.6-0.8T的均匀磁场进行约束。

为达到上述的技术指标，通过大量的数值计算和冷测实验确定了关键结构件的几何尺寸。上盖板1中，与谐振腔互作用间隙有关的尺寸可参考图3c、图3e和图3f，与鼓包结构有关的尺寸可参考图3c、图3d和图3f。上盖板1与下盖板2拼接在一起构成多间隙腔的主体部分，电子注漂移通道的截面尺寸为61.32mm×7mm；腔体中部以14mm的等间距均匀设置有5个相同的互作用间隙，各间隙在宽边方向的尺寸为54mm，在窄边方向的尺寸为14.5mm，沿漂移通道方向的间隙宽度为5.5mm；腔体的两侧为使各间隙电场进行有效耦合的鼓包结构，该鼓包结构在宽边方向的尺寸为11mm，在窄边方向的尺寸为18mm，沿漂移通道方向的尺寸为68mm。由上盖板1与下盖板2形成的多间隙腔体以及中空的电子注漂移通道具有相同的水平(宽边方向)和垂直(窄边方向)对称平面。考虑到无法避免的加工和装配误差将使实际腔体的谐振频率偏离设计值，故而在上盖板1的外表面两侧(对应两个鼓包结构的上方)开有长条形的圆头槽与相应形状的调谐块3相配合，在冷测实验中通过调整调谐块3的厚度(介于2.5～4mm之间)可以对腔体谐振频率进行微调以使之达到设计要求。在确定腔体的工作模式并通过逐渐修改调谐块3的厚度(从而改变调谐块进入腔体两侧鼓包的深度)将工作模式的频率调整到所要求的11.743GHz之后，需将上盖板1外表面中部的贯通圆孔使用密封圆钉4进行封堵。耦合过渡片5起到连接多间隙腔体及矩形输出波导的作用，矩形耦合孔的大小应兼顾外观品质因数(大的耦合孔使腔体具有小的外观品质因数，有利于功率输出)和腔内场形平衡分布(小的耦合孔有利于减小腔体内的场形畸变)两方面的要求，通过反复计算确定出耦合过渡片5中部所开的矩形方孔在宽边方向的尺寸为5mm，在窄边方向的尺寸为11mm，沿漂移通道方向的尺寸为9mm，可参考图7b和图7c。

通过数值计算，图9a中给出了预调制的带状电子注与多间隙腔进行互作用达到稳态之后荷电粒子的空间分布，可见电子注中出现明显的群聚块；图9b是在输出波导端口上观测到的微波功率随时间的变化，可见经历短暂的瞬态过程之后输出功率稳定在约5.1MW的数值附近。

综上所述，本发明中提出的用于高功率带状注速调管的具有外接波导的多间隙腔输出装置同样工作于2π模式，但腔内间隙场的耦合主要通过两侧完全贯通的鼓包来实现，因而具有强耦合的特点。此外，用于能量耦合的过渡段可以设置在腔体鼓包结构的一侧或两侧直接与标准波导连接，从而容易地实现微波能量的输出。

本发明提出的结构方案省去了美国加州大学戴维斯分校研究人员所提方案中横向尺寸较大的锥形渐变段，使得整个腔体在基本性能满足要求的前提下更为紧凑，并且设计了在实际应用中所需的频率调谐机构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，包括：上盖板、下盖板、耦合过渡片和输出波导，其中：

所述上盖板和下盖板扣合匹配，两者之间形成多间隙输出腔，其中：

所述上盖板和下盖板内表面的中部形成对应的多条横向沟槽，该多条横向沟槽构成多间隙输出腔的互作用间隙；

所述上盖板和下盖板的内表面的所述多条横向沟槽的两侧形成贯通的纵向沟槽，该纵向沟槽构成多间隙输出腔的鼓包结构；

所述上盖板和下盖板的纵向两侧开口，形成电子束输入/输出口，所述上盖板的横向沟槽和下盖板的横向沟槽之间构成多间隙输出腔的电子漂移通道；

耦合过渡片，其一端位于所述鼓包结构内，其另一端通过形成于所述上盖板和下盖板侧面的方孔伸出所述鼓包结构外，其中部开有过渡孔，该过渡孔的一端与所述鼓包结构相连接；

输出波导，与所述耦合过渡片上过渡孔的另一端相连接，用于将多间隙输出腔内的微波输出至外部负载。

2.根据权利要求1所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，在所述上盖板外表面横向两侧分别形成纵向的贯穿至所述鼓包结构的长条形槽；

该带状注速调管多间隙腔输出装置还包括：两调谐块，均呈长条形榫状，与形成于上盖板外表面的所述长条形槽相匹配，部分的进入所述鼓包结构内。

3.根据权利要求2所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，所述长条形槽两侧呈圆头结构；

所述长条形榫状的调谐块呈带帽檐的长条形圆头榫状结构，与所述圆头结构长条形槽相匹配，其朝向外侧的表面与所述上盖板的外表面平齐。

4.根据权利要求2所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，所述上盖板外表面横向两侧的长条形槽相同，与其相匹配的调谐块相同。

5.根据权利要求1所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，在所述上盖板外表面的中部形成贯穿其中之一横向沟槽的圆孔；

该带状注速调管多间隙腔输出装置还包括：微扰杆，其通过所述圆孔插入至所述横向沟槽中。

6.根据权利要求5所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，所述微扰杆为金属微扰杆。

7.根据权利要求1所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，包括：

一个或两个所述的耦合过渡片，分别位于所述上、下盖板组成的多间隙输出腔中一个或两个鼓包结构的侧面，从而形成单臂或双臂的输出装置；

与耦合过渡片的数量相配合的一个或两个所述的输出波导，与相应耦合过渡片上过渡孔的另一端相连接，用于分别将多间隙输出腔内的微波输出至外部负载。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，在所述上盖板外表面的中部横向沟槽的上方形成贯通圆孔；

该带状注速调管多间隙腔输出装置还包括：密封圆钉，穿设于所述贯通圆孔内，用于密封所述上、下盖板组成的多间隙输出腔体。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，所述上盖板和下盖板的材质为无氧铜。

10.根据权利要求7所述的带状注速调管多间隙腔输出装置，其特征在于，所述耦合过渡片的材质为无氧铜或蒙乃尔材料。

Images