CN104038157B - 一种磁绝缘线振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁绝缘线振荡器，振荡器外形为圆筒形，内部由阴极、阳极、收集极和支撑杆组成，所述阳极由阳极叶片与阳极外筒组成，阳极叶片呈环状，阳极叶片的外边缘与阳极外筒连接在一起，阴极穿过阳极叶片与收集极相邻，所述收集极通过支撑杆与阳极外筒连接；本发明的阴极基座与发射单元间可以加工成一个整体，也可以相互独立；本发明的磁绝缘线振荡器采用全金属阴极，内部放气率低，同时又能长时间稳定工作产生吉瓦级的高功率微波输出，能很好地应用于静态真空运行或重复频率运行的高功率微波系统之中。

Description

一种磁绝缘线振荡器

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种磁绝缘线振荡器，本发明可以应用于高功率微波技术领域的微波产生系统。

背景技术

高功率微波（High Power Microwave, HPM）是指峰值功率大于100MW，频率介于1GHz到300 GHz之间的电磁波。它是本世纪70年代以来随着脉冲功率技术、相对论电子学和等离子体物理、真空电子学等学科的发展而发展起来的一个新的研究领域。随着等离子体技术、脉冲功率技术的进步以及复杂PIC模拟工具的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。

磁绝缘线振荡器（Magnetically insulated transmission line oscillator，MILO）是一种GW级的同轴低阻抗正交场振荡器（crossed-field oscillator）。它不需要外加磁场，其内部产生的直流磁场阻止电子从阴极发射到阳极。这种自绝缘机制杜绝了阴阳极间的电子击穿，允许较高的外加电压和较高的输入功率。由于无需外加引导磁场，MILO在器件小型化、结构紧凑化等方面具有得天独厚的优势，是一种重要的高功率微波器件。

脱离笨重的真空机组实现静态真空运行以及重复频率运行是目前MILO器件发展的重要趋势之一。由于MILO器件正常工作一般需要数十千安强流电子束，且要求阴极大面积均匀发射电子，对阴极发射材料提出了要求较高，目前MILO器件一般采用天鹅绒及碳纤维绒作为其阴极发射材料。天鹅绒具有发射电流密度大、发射均匀等优点；然而放气率大，等离子体膨胀速度快及寿命短等缺点使其在需要长时间保持真空或重频运行的高功率微波系统中使用极其困难。碳纤维绒阴极发射阈值低、出气率低、等离子体膨胀速度慢、寿命长、本底气压变化小、发射均匀等优点；但是由于制备工艺复杂，为了保证碳纤维绒毛能牢固附着与基底上，制备过程中会用到无机胶等粘接剂，对真空环境影响较大，在需要长时间保持真空或重频运行的高功率微波系统中同样存在困难。名称为“Repetition rateoperation of an improved magnetically insulated transmission line oscillator”的文章（Physics of Plasmas, 15(8), 083102/1-083102/5 2008）提出了采用天鹅绒及石墨作为阴极发射材料的重复频率运行MILO器件。其中采用天鹅绒阴极的MILO由于天鹅绒材料发气率高，重频运行时器件内部真空度下降较为明显，同时天鹅绒本身随着实验发数增加遭受破坏明显，微波输出功率随之明显下降。而石墨阴极虽然放气率相对较低，但由于发射阈值较高等原因输出微波功率等指标相对较低。因此需要从阴极及器件结构两方面入手，设计出低放气率适于长时间静态真空运行或重复频率运行的MILO器件，促进这种器件的实用化。

发明内容

为了降低磁绝缘线振荡器内部放气率实现长时间静态真空运行或重复频率运行，又能保证输出微波指标与采用天鹅绒阴极时相当，本发明提供了一种新型的磁绝缘线振荡器。该器件内部放气率低，且输出微波指标与采用天鹅绒阴极时相当。

本发明采用如下技术方案：一种磁绝缘线振荡器，振荡器外形为圆筒形，内部由阴极、阳极、收集极和支撑杆组成，所述阳极由阳极叶片与阳极外筒组成，阳极叶片呈环状，阳极叶片的外边缘与阳极外筒连接在一起，阴极穿过阳极叶片与收集极相邻，所述收集极通过支撑杆与阳极外筒连接；

所述阴极由基座和发射单元构成，所述基座圆柱形且分为前、中、后三段，中端表面为锥形面，从前段往后段方向直径逐渐变大，后段圆柱的直径小于中段锥柱的最大直径；所述发射单元为多个直径不同的金属圆环，不同直径的金属圆环间隔紧密套在基座后段圆柱上，最大直径的金属圆环的外边缘与基座中段锥柱的最大直径齐平；

所述阳极叶片从输入方向到输出方向依次由两片扼流片、四片主慢波叶片和一片提取片组成；所述四片主慢波叶片每一片上开槽，相邻主慢波叶片上的槽之间呈90度夹角，第一片与第三片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合，第二片与第四片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合。

在上述技术方案中，所述发射单元为两种直径不同的金属环，两种金属环交叉套在基座后段圆柱上。

在上述技术方案中，所述基座为中空的不锈钢或无氧铜筒。

本发明还提供一种磁绝缘线振荡器，振荡器外形为圆筒形，内部由阴极、阳极、收集极和支撑杆组成，所述阳极由阳极叶片与阳极外筒组成，阳极叶片呈环状，阳极叶片的外边缘与阳极外筒连接在一起，阴极穿过阳极叶片与收集极相邻，所述收集极通过支撑杆与阳极外筒连接；

所述阴极由基座和发射单元构成，所述基座圆柱形且分为前、中、后三段，中端表面为锥形面，从前段往后段方向直径逐渐变大，后段圆柱的直径与中段锥柱的最大直径相同；后段圆柱表面设置有金属柱，金属柱构成发射单元；

所述阳极叶片从输入方向到输出方向依次由两片扼流片、四片主慢波叶片和一片提取片组成；所述四片主慢波叶片每一片上开槽，相邻主慢波叶片上的槽之间呈90度夹角，第一片与第三片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合，第二片与第四片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合。

进一步优先的，所述阴极基座后段圆柱表面沿阴极轴向、沿角向均匀分布有金属柱。

进一步优先的，所述金属柱的排布方式、间隔、直径等参数可调，且金属柱的排布与阴极基座保持同轴。

本发明的阴极基座与发射单元间可以加工成一个整体，也可以相互独立；当阴极基座与发射单元相互独立时，采用紧固装置将发射单元固定在阴极基座上。阴极基座采用中空不锈钢或无氧铜等金属材料筒，用于支撑及固定发射单元并与将高电压馈入到发射单元上；发射单元采用一系列金属材料圆环、沿半径方向的小金属柱等细小单元构成。发射单元的细小单元沿角向均匀分布，轴向按一定方式排布在阴极基底上，其排布方式、间隔、厚度、直径等参数可调；整个发射单元与阴极基座保持同轴，一般采用焊接的方式直接连接。

本发明的阳极由阳极外筒及阳极叶片构成，阳极叶片安装在阳极外筒内；阳极外筒采用中空不锈钢或无氧铜等金属材料筒，用于固定阳极叶片及收集极；阳极叶片采用一系列周期排布的中空金属圆盘，用于与阴极发射的强流电子束相互作用产生高功率微波；阳极叶片一般由扼流片、主慢波叶片及提取片构成；扼流片、主慢波叶片及提取片的尺寸、数量等参数均可调；扼流片用于将向器件高压馈入端传输的高功率微波反射回主慢波叶片区域以提高器件转换效率；主慢波叶片决定的高频电磁场分布与强流电子束作用产生高功率微波，为了避免阴极发射不均匀导致的模式不纯现象的发生，阳极叶片中的主慢波叶片上会开有一定角度的槽；开槽叶片数量及每片叶片开槽角度可调，叶片间开槽的相对位置可调。

本发明中收集极采用中空或部分长度中空不锈钢、无氧铜等金属材料筒或石墨材料筒，用于收集部分阴极发射出来的电子并与阳极提取叶片共同组成提取间隙提取微波；收集极与阳极外筒构成同轴输出结构。

本发明中支撑杆为不锈钢、无氧铜等金属材料，其截面形状为方形、圆形，或其它形状，每根支撑杆的两端分别与阳极外筒和收集极固定连接，用于提供收集极电子回流通道并支撑固定收集极；支撑杆数目大于三组，每组包含支撑杆数目大于三根；支撑杆沿圆周方向非均匀分布。

本发明的磁绝缘线振荡器的工作原理是：高压电脉冲由器件馈入端阴阳极所形成的同轴结构馈入到器件内，阴极发射段表面发射单元上的细小单元在高压脉冲作用下形成大于数百千伏/厘米的强电场；在如此强电场作用下发射单元尖端瞬间爆炸发射出强流电子束，细小单元沿角向的均匀排布保证在高压脉冲馈入到这些小结构时阴极表面能瞬间均匀大面积发射出强流电子束；一部分沿轴向运动电子产生的角向磁场与高压电脉冲产生的径向电场共同作用，使得电子束在阴阳极之间做E×B漂移运动；电子束在向阳极运动的过程中与阳极叶片的高频电磁场相互作用，将势能交给高频电磁场产生高功率微波；为了提高器件长时间工作稳定性，抑制高阶非对称模式与器件工作模式之间的模式竞争导致器件模式不纯等非正常工作现象，阳极叶片中的主慢波叶片中的几片或全部会沿角向开一定角度的槽，通过调整叶片间开槽的相对位置来抑制不同腔间非对称模式的耦合达到抑制高阶非对称模式起振的目的；微波能量在提取叶片与收集极之间的提取间隙提取到同轴输出结构之中，将高功率微波传输到下游系统之中。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的磁绝缘线振荡器采用全金属阴极，内部放气率低，同时又能长时间稳定工作产生吉瓦级的高功率微波输出，能很好地应用于静态真空运行或重复频率运行的高功率微波系统之中。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中阴极结构示意图；

图3是图1中阴极的另一种结构示意图；

图4是图1结构磁绝缘线振荡器阳极主慢波叶片截面示意图；

图5是图1结构磁绝缘线振荡器典型实验输出微波波形；

其中：1是阴极基座，2是发射单元，3是阳极外筒，4是扼流片,5是主慢波叶片，6是提取片，7是收集极，8是支撑杆，2.1、2.2是金属环。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1 所示，为本发明结构的剖面示意图，主要由阴极、阳极、收集极和支撑杆组成，所有结构均采用无磁不锈钢材料，其中阴极与阳极为同轴结构；收集极由支撑杆与阳极相连，且收集极与阳极外筒同轴；阳极叶片一般由扼流片、主慢波叶片及提取片构成；扼流片、主慢波叶片及提取片的尺寸、数量等参数均可调；扼流片用于将向器件高压溃入端（左端）传输的高功率微波反射回主慢波叶片区域以提高器件转换效率。

如图2所示，阴极基座由三段金属筒构成，其中第一段金属筒外半径22mm，与阳极外筒组成的同轴输入结构将高压电脉冲溃入到阴极发射单元；第二段金属外筒为半径渐变的锥台结构，用于实现半径的渐变过度，其最大一端外半径与发射单元最大外半径相同，为41mm；第三段金属外筒长度与发射单元总长度相同，外半径为37mm，用于支撑阴极发射单元并与发射单元保持电连接；发射单元由外半径为39mm、高度4mm及外半径为41mm、高度1mm的金属环周期排布而成，共38个周期；阳极叶片中共包含两片扼流片（内半径为53mm），四片主慢波叶片（内半径为59mm），一片提取叶片（内半径为70mm）。

如图4所示，四片主慢波叶片均沿角向开有10度的槽，且为了抑制高阶模式起振，第一片主慢波叶片与第三片主慢波叶片开槽位置角向重合；第四片与第二片主慢波叶片开槽位置角向重合，且相邻两片叶片之间开槽位置错开90度。收集极由100mm长空心圆筒及150mm长实心圆筒构成，其中空心圆筒外半径68mm，内半径60mm，实心圆筒外半径与空心部分外半径相同；两排间距为47mm的支撑杆将收集极与阳极外筒相连，保证收集极与阳极外筒构成同轴输出结构。

如图3所示，本发明中的另一种阴极结构，该阴极基座的第三段金属筒的表面设置有大量呈周期性排布的小金属柱，小金属柱之间高低不一的凹面形成了阴极上的发射单元，实现和图2同样的功能。

图5是图1结构磁绝缘线振荡器的典型实验波形，三个通道射频信号分别对应辐射场三个不同角度测得的微波波形；该发实验中，在输入电压580kV、输入电流59kA的条件下，输出微波功率达到GW量级，中心频率为1.57GHz。输出微波频谱单一，说明器件正常工作在其基模上；由于整个器件所有材料均采用无磁不锈钢，器件内部放气率低，可用于长时间静态真空工作或重频运行高功率微波系统之中。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种磁绝缘线振荡器，振荡器外形为圆筒形，内部由阴极、阳极、收集极和支撑杆组成，所述阳极由阳极叶片与阳极外筒组成，阳极叶片呈环状，阳极叶片的外边缘与阳极外筒连接在一起，阴极穿过阳极叶片与收集极相邻，所述收集极通过支撑杆与阳极外筒连接；其特征为：

所述阴极由基座和发射单元构成，所述基座为圆柱形且分为前、中、后三段，中段表面为锥形面，从前段往后段方向直径逐渐变大，后段圆柱的直径小于中段锥柱的最大直径；所述发射单元为多个直径不同的金属圆环，不同直径的金属圆环间隔紧密套在基座后段圆柱上，最大直径的金属圆环的外边缘与基座中段锥柱的最大直径齐平；

所述阳极叶片从输入方向到输出方向依次由两片扼流片、四片主慢波叶片和一片提取片组成；所述四片主慢波叶片每一片上开槽，相邻主慢波叶片上的槽之间呈90度夹角，第一片与第三片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合，第二片与第四片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合。

2.根据权利要求1所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征为所述发射单元为两种直径不同的金属环，两种金属环交叉套在基座后段圆柱上。

3.一种磁绝缘线振荡器，振荡器外形为圆筒形，内部由阴极、阳极、收集极和支撑杆组成，所述阳极由阳极叶片与阳极外筒组成，阳极叶片呈环状，阳极叶片的外边缘与阳极外筒连接在一起，阴极穿过阳极叶片与收集极相邻，所述收集极通过支撑杆与阳极外筒连接；其特征为：

所述阴极由基座和发射单元构成，所述基座为圆柱形且分为前、中、后三段，中段表面为锥形面，从前段往后段方向直径逐渐变大，后段圆柱的直径与中段锥柱的最大直径相同；后段圆柱表面设置有金属柱，金属柱构成发射单元；

所述阳极叶片从输入方向到输出方向依次由两片扼流片、四片主慢波叶片和一片提取片组成；所述四片主慢波叶片每一片上开槽，相邻主慢波叶片上的槽之间呈90度夹角，第一片与第三片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合，第二片与第四片主慢波叶片上槽的位置在水平线上重合。

4.根据权利要求3所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征为所述阴极基座后段圆柱表面沿阴极轴向、沿角向均匀分布有金属柱。

5.根据权利要求4所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征为所述金属柱的参数可调，参数包括排布方式、间隔和直径，且每一个金属柱垂直于阴极基座的轴线，且阴极基座表面排布的金属柱形成的发射单元与阴极基座保持同轴。

6.根据权利要求3所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征为所述金属柱通过焊接的方式与基座固定连接。