CN104064421B - 矩形波导tm11模式微波高功率带状电子束收集极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极。目的是提供一种能够在高效传输矩形波导TM₁₁模式微波的情况下，高效地回收带状电子束并具有良好散热性能的电子束收集极。本发明由一个矩形波导，一个内导体，两个法兰组成。内导体是一块长方体金属块，固定于矩形波导窄边的中间位置，内部有用于散热的长方体通水槽；法兰固定于矩形波导窄边的外侧，与内导体内部的通水槽连通，用于收集极与外部水箱的连接。本发明可以在高效传输矩形波导TM₁₁模式微波的同时收集带状电子束并且具有良好的散热性能，结构简单，加工成本低，结构紧凑，传输效率高，通频带宽。

Description

矩形波导TM11模式微波高功率带状电子束收集极

技术领域

本发明属高功率微波技术领域，具体涉及一种矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极。

背景技术

本发明的应用背景是带状电子束高功率微波源。带状电子束通常指具有大横纵比横截面的电子束。带状电子束微波源，是指利用带状电子束与微波电路(如慢波结构)相互作用产生微波辐射的器件。相较于采用圆柱状或者空心柱状电子束的传统高功率微波源，带状电子束微波源具有电流密度低、束—波相互作用高、结构紧凑性好、输入阻抗和注入功率便于调节等优点，有望成为实现高功率微波源工程化应用的新途径。为了提高耦合阻抗，在带状电子束微波源的束—波作用区域采用双梳型慢波结构是一个重要的技术方案。在该方案中，双梳型慢波结构提取电子束的能量后输出微波的主模式为矩形波导TM₁₁模式。

目前常见的高功率微波源中，强流电子束在完成束—波相互作用交出部分能量给微波后，仍旧携带较高的能量。及时对完成束—波作用后的电子束进行收集，能够提高高功率微波源的束—波能量转换效率，同时避免强流电子束对下游器件带来不利影响。收集极即是承担收集电子束功能的装置。电子束轰击到收集极之后，除少部分被散射外，其大部分电荷将被收集极吸收，所携带的大部分能量将转化为收集极的热能，这将引起收集极温度的快速升高。而收集极温度的快速升高，将引起收集极表面吸附气体的解吸附，甚至导致收集极表面材料的蒸发和汽化，这将严重影响高功率微波源器件的工作稳定性和寿命。设计结构合理的电子束收集极高效回收强流电子束，并将电子束轰击带来的热能及时传递导出去，对提高高功率微波源的效率，实现高功率微波源的稳定运行并延长其使用寿命具有重要意义。

传统的高功率微波源通常采用圆柱状或者空心柱状电子束，可以利用磁场导引电子束或让其自行散焦轰击到波导壁上实现电子束的收集。但是，带状电子束微波源不是圆对称结构，其主要工作模式——矩形波导TM₁₁模式与传统高功率微波源的工作模式圆波导TM₀₁或圆波导TEM模式也显著不同，因此难以直接采用传统的电子束收集极，需要对其重新设计，在能够高效回收带状电子束的同时，保证高功率微波源的输出模式——矩形波导TM₁₁模式的高效通过。

美国的LosAlamos国家实验室的B.E.Carlsten等人给出了一种可以同时实现TM₁₁模式输出和带状电子束收集功能的带状电子束微波源输出结构(见“TechnologyDevelopmentforamm-waveSheet-BeamTraveling-waveTube”,B.E.Carlsten,et.al,IEEETrans.PlasmaSci.,vol33,No.1,P85～93.)，其采用了非过模的Y形分支波导结构，仅在7.5％的带宽内对TM₁₁模式微波实现了不到97％的功率输出效率，未能很好的同时解决TM₁₁模式高效通过与电子束收集两个问题。

本发明通过设计一种结构紧凑、方案简单的电子束收集极，在高效传输矩形波导TM₁₁模式微波的情况下，能够高效地回收带状电子束并具有良好散热性能，能够满足目前带状电子束微波系统研制对收集极的迫切需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种适用于带状电子束高功率微波源的电子束收集极，在高效传输矩形波导TM₁₁模式微波传输的前提下，及时有效地回收电子束，并且具有良好的散热性能。

本发明采用的技术方案是：一种矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，由矩形波导、内导体和两个法兰组成，为了叙述简便，下文将带状电子束收集极与上游器件(如带状电子束微波源)连接的一端定义为前端，微波输出的一端定义为后端，微波和电子束传输的方向定义为轴向，垂直于微波和电子束传输的方向定义为横向。

在矩形波导窄边的中部，平行于矩形波导的宽边插入一段形状为长方体的内导体，该内导体将矩形波导等分为上下两个小矩形波导，在矩形波导内传输的TM₁₁模式微波在到达内导体前端面时转变为相位相反的两个TE₁₀模式微波，进入上下两个小矩形波导内继续传播，在到达内导体后端面时相位相反的两个TE₁₀模式微波再合成为一个TM₁₁模式微波继续沿矩形波导向前传播并从矩形波导的后端口输出；与TM₁₁模式微波一同传播的高功率带状电子束轰击到内导体的前端面后，除少部分被内导体散射外，大部分被内导体收集，其所携带的电子束能量大部分转化为内导体的热能；内导体内部开有N个横截面为矩形，平行于内导体，并与矩形波导两侧法兰上通水槽贯通的通水槽；法兰外侧端面的四个角上开有四个固定螺孔，同时在其外侧端面上设置有密封圈槽。

矩形波导是组成带状电子束收集极的主体部件，其内截面的宽度为a、高度为b、轴向长度为L1，其中内截面的宽度a等于与其相连的上游器件输出口的内截面宽度，高度b等于与其相连的上游器件输出口的内截面高度，轴向长度L1大于内导体201的轴向长度L2；

内导体为一材质为金属的长方体，其横向宽度等于矩形波导的内截面宽度a，轴向长度为L2，内导体的高度t1满足下式：

$t1=b-\frac{2b}{\mathrm{\π}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2b}\right)}^2}\·\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2},$

式中λ为输入TM₁₁模式微波的波长；

内导体的轴向长度L2满足下式：

$L2=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\λ}}_g\right)}_{10}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2}},$

式中(λ_g)₁₀为TE₁₀模式微波的波长；

通水槽为在内导体及法兰内部挖出的N个间距相等、用于流通高速冷却液的长方体通道，与内导体平行，设置于靠近内导体前端面的位置，通水槽的宽度为L3，厚度为t2，其前端面与内导体前端面距离为d1，通水槽之间及其与内导体上下两个壁面之间的间距为d2，d1和d2可根据需要设定，为保证通水槽对冷却液压力的耐受能力，d1≥1.5mm，d2≥1.5mm；

通水槽的个数N应满足下式：

$N=\frac{t1-d2}{t2+d2};$

法兰是用于连接带状电子束收集极与外部水箱的部件，其轴向长度为L4，厚度为t3，高度为b，被通水槽贯通。

本发明具有的有益效果是：

1.结构简单，紧凑性好。在矩形波导中插入一段内导体即可实现带状电子束的有效收集，结构简单，加工成本低，并且不用改变矩形波导的横截面尺寸和外形，内导体的轴向长度仅为TE10模式微波波导波长的一半，整个装置结构紧凑。

2.TM₁₁模式的通过效率对收集极结构参数不敏感，加工与调试成本低。

3.TM₁₁模式的通过效率高，通频带宽。在10％通频带宽内，插入内导体对矩形波导内TM₁₁模式微波传输造成的插入损耗可小于0.01dB。若降低带宽要求，模式转换效率还可进一步提高，满足大多数带状电子束高功率微波源对收集极的要求。

4.功率容量高，可将其用于10GW甚至更高功率电子束的收集。

5.采用强迫液冷方案，在该收集极内导体和法兰的内部设置N个横截面为矩形的通水槽，通水槽内通以高速流动的冷却液，将电子束轰击收集极产生的热量迅速带走，以保证收集极在重频脉冲带状电子束的轰击下始终处在额定工作温度以内，可有效抑制气体的解吸附及收集极表面材料的蒸发和汽化问题对高功率微波源工作的影响，大大提高了高功率微波源器件的工作稳定性和寿命。

附图说明

图1是本发明所述收集极的前视图；

图2是本发明所述收集极的左视图；

图3是本发明所述收集极的俯视图；

图4是图2中I部分的局部放大图，放大比例为2:1；

图5是本发明所述收集极的3D视图，图中加粗箭头所示方向为微波与高功率电子束传播方向。

图中：101.矩形波导，102.上部小波导,103.下部小波导，201.内导体，202.通水槽，301.法兰，302.固定螺孔，303.密封圈槽

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构以及工作原理作具体的说明：

本发明所述的传输矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极由矩形波导101、内导体201和两个法兰301组成，内导体201及法兰301内部开有N个通水槽202，本实施例中N＝3，法兰301外侧端面的四个角上开有四个固定螺孔302，同时在其外侧端面上设置有密封圈槽303；内导体201固定于矩形波导101的轴向中部，其横向中心线与矩形波导101上下两个内壁以及前后两个端口的距离相等，并将矩形波导101等分为上部小波导102和下部小波导103；两个法兰301分别固定于矩形波导101窄边外侧并使其内部开的通水槽202与内导体201上开的通水槽202贯通。

上游器件(如带状电子束高功率微波源)产生的矩形波导TM₁₁模式微波和带状高功率电子束从矩形波导101前端口注入矩形波导101后，带状电子束轰击在内导体201的前端面上并由内导体201回收，矩形波导TM₁₁模式微波则在内导体201前端面和后端面处分别进行TM₁₁-TE₁₀和TE₁₀-TM₁₁两次模式变换，最终以矩形波导TM₁₁模式传播并从矩形波导101后端口输出。

矩形波导101是组成本发明所述带状电子束收集极的主体部件，其轴向长度为L1，内截面的宽度为a、高度为b，其中内截面的宽度a等于与其相连的上游器件(如带状电子束微波源)输出口的内截面宽度，高度b等于与其相连的上游器件(如带状电子束微波源)输出口的内截面高度，轴向长度L1大于内导体201的轴向长度L2。

内导体201为一材质为黄铜的长方体，其横向宽度等于矩形波导101的内截面宽度a，轴向长度为L2，固定于矩形波导101的内部，其横向中心线与矩形波导101前后两个端口的距离相等，上下两个面平行于矩形波导101上下两个壁面且距离矩形波导101上下两个壁面的距离相等，从而将矩形波导101等分为上部小波导102和下部小波导103，内导体201的高度t1满足下式：

$t1=b-\frac{2b}{\mathrm{\π}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2b}\right)}^2}\·\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2},$

式中λ为输入TM₁₁模式微波的波长。

内导体201的轴向长度L2为TE₁₀模式波导波长(λ_g)₁₀一半的正整数倍时，TM₁₁模式微波的通过率最高，并且L2越大，内导体201的热容量越大，在内导体201上开的内导体通水槽202的尺寸就可以更大，从而使收集极的整体抗热性变好，但同时整个收集极整体的结构紧凑性就会越差。在实际中通常取L2的尺寸为TE₁₀模式波导波长(λ_g)₁₀的一半时，就可以满足设计要求，即有：

$L2=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\λ}}_g\right)}_{10}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2}}$

为了提高收集极的功率容量，减小微波的反射，在内导体201前后端面与上下端面的交界处进行倒圆角处理，倒角半径r取值太小时，改善效果不明显且不易加工，倒角半径r取值太大则会减少前端面受电子束轰击的有效面积，影响电子束的收集。在实际中倒角半径r通常取1mm即可满足设计要求。

通水槽202是贯通内导体201及法兰301的N个用于流通高速冷却液(如水、乙二醇或两者的混合物)的长方体通道，与内导体201平行，本实施例中N＝3。通水槽202厚度为t2，宽度为L3，为保证通水槽202的密封性，L3应小于内导体201的轴向长度L2。因为电子束从矩形波导101的前端口进入矩形波导101后轰击在内导体201的前端面，由此产生的热量由内导体201的前端面流入，导致高温区域主要集中在内导体201的前部，设计时应当将通水槽202设置在靠近内导体201前端面的位置，通水槽202前端面与内导体201前端面距离为d1，d1越小热量传递的效果越好，但是考虑到实际工作时在通水槽202内高速流动的冷却液对通水槽202的壁面产生的压强，d1应有一定的厚度，建议d1≥1.5mm。通水槽202之间及其与内导体201上下两个壁面之间的间距为d2，同样考虑到实际工作时在通水槽3内高速流动的冷却液对通水槽3壁面产生的压强，d2也应有一定的厚度，建议d2≥1.5mm。

通水槽202的个数N越多散热的效果会越好，但是受到通水槽202之间及其与内导体201上下两个壁面之间的间距d2以及内导体201自身厚度t1的限制，N应满足如下关系：

$N=\frac{t1-d2}{t2+d2}$

法兰301是用于连接收集极与外部水箱的部件，其轴向长度为L4，厚度为t3，高度为b，法兰301上同样开有N个通水槽202，该通水槽与内导体201内部的通水槽202连通，法兰301外侧端面的四个角上开有四个固定螺孔302，同时在此端面上设置有密封圈槽303，法兰301的轴向长度L4要大于内导体通水槽202的轴向长度L3，并为固定螺孔302留下足够的位置，其厚度t3要大于固定螺孔302的深度。法兰301外侧端面上设置有密封圈槽303，确保法兰301与外部水箱之间得到良好的密封，其尺寸由工作冷却液的压强以及法兰301的实际尺寸参考国家标准确定。

当然，在本发明中，将流通冷却液的管道命名为通水槽，并不意味着流通在通水槽中的冷却液只有水，实际上任何具有冷却功能的流体，如乙二醇或者水与乙二醇的混合液均可用作本发明的冷却液，内导体的材料也不限于实施例中的黄铜，任何具有电子束吸收功能并且具有良好导热性能的其它金属材料例如不锈钢均可作为内导体的材料。

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设计方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：所述带状电子束收集极由矩形波导(101)、内导体(201)和两个法兰(301)组成，内导体(201)固定于矩形波导(101)窄边的中部，其横向中心线与矩形波导(101)前后两个端口的距离相等，上下两个面平行于矩形波导(101)上下两个壁面且距离矩形波导(101)上下两个壁面的距离相等，将矩形波导(101)分为上下两个小矩形波导(102,103)，内导体(201)内部开有N个横截面为矩形的通水槽(202)，两个法兰(301)分别固定于矩形波导(101)窄边外侧并使其内部开的通水槽(202)与内导体(201)上开的通水槽(202)连通，法兰(301)外侧端面的四个角上开有四个固定螺孔(302)，同时在其外侧端面上设置有密封圈槽(303)；

矩形波导(101)是组成带状电子束收集极的主体部件，其内截面的宽度为a、高度为b、轴向长度为L1，其中内截面的宽度a等于与其相连的上游器件输出口的内截面宽度，高度b等于与其相连的上游器件输出口的内截面高度，轴向长度L1大于内导体(201)的轴向长度L2；

内导体(201)为一材质为金属、导热性能良好的长方体，其横向宽度等于矩形波导(101)的内截面宽度a，轴向长度为L2，内导体(201)的高度t1满足下式：

$t1=b-\frac{2b}{\mathrm{\π}}\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2b}\right)}^2}\·\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2},$

式中λ为输入TM₁₁模式微波的波长；

内导体(201)的轴向长度L2满足下式：

$L2=\frac{1}{2}{\left({\mathrm{\λ}}_g\right)}_{10}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2a}\right)}^2}},$

式中(λ_g)₁₀为TE₁₀模式微波的波长；

通水槽(202)为在内导体(201)及法兰(301)内部挖出的N个间距相等、用于流通高速冷却液的长方体通道，与内导体(201)四个壁面平行，设置于靠近内导体(201)前端面的位置，通水槽(202)的宽度为L3，通水槽(202)宽度L3小于内导体(201)的轴向长度L2，厚度为t2，其前端面与内导体(201)前端面距离为d1，通水槽(202)之间及其与内导体(201)上下两个壁面之间的间距为d2，考虑到通水槽(202)对冷却液压力的耐受能力，d1≥1.5mm，d2≥1.5mm；

通水槽(202)的个数N应满足下式：

$N=\frac{t1-d2}{t2+d2};$

法兰(301)是用于连接带状电子束收集极与外部水箱的部件，其轴向长度为L4，厚度为t3，高度为b，法兰(301)的轴向长度L4大于内导体通水槽(202)的宽度L3，厚度t3大于固定螺孔(302)的深度。

2.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：在内导体(201)前后壁面与上下壁面的交界处进行倒圆角处理，倒角半径r＝1mm。

3.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：内导体(201)的材质为黄铜。

4.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：内导体(201)的材质为不锈钢。

5.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：通水槽(202)中流通的冷却液为水。

6.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：通水槽(202)中流通的冷却液为乙二醇。

7.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：通水槽(202)中流通的冷却液为水和乙二醇两者的混合物。

8.一种如权利要求1所述的矩形波导TM₁₁模式微波高功率带状电子束收集极，其特征在于：通水槽(202)的个数N＝3。