CN104658838A - 一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，属于真空电子技术领域，涉及高功率微波、毫米波源技术。本发明针对阴极电流发射密度限制下，设计一种采用环行带状电子注的径向EIO，包括两个上、下对称设置的带控制阳极头和圆环形凹槽的圆盘体、阴极、绝缘圆环片及电子注通道。本发明通过增大电子发射面积及增加电子注通道面积，使得EIO在小电流密度下，能够获得更大功率，相比于其他结构的EIO更能满足高功率输出的要求；本发明还具有较好的散热能力，同时由于其特有的柱对称结构，使得加工简单且更能有效的减小装配误差；电子光学系统的阴极位于器件中心，结构紧凑，防震性能也较好。

Description

一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，涉及高功率微波、毫米波源技术。
背景技术
扩展互作用振荡器(Extended Interaction Oscillator,EIO)是一类重要的毫米波电真空器件，早期主要用作高功率微波辐射源,目前在毫米波乃至太赫兹波段已成为一种重要的高功率源器件。作为一种振荡器件,EIO慢波谐振电路要短于返波振荡器等其他类型振荡器件采用的高频系统,从而减轻了整体重量,降低器件对工艺的要求,加工精度也易于保证。EIO通常由多个耦合间隙的慢波结构构成腔体，既保证了功率、带宽和效率的提升,同时又实现了器件的小型化轻量化。扩展互作用器件的高可靠性使其不但在雷达应用上日益广泛,而且在空间任务方面也发挥了越来越重要的作用。
常见的EIO慢波结构有周期加载波导结构、折叠波导结构、矩形重入耦合腔结构等。但是随着工作频率的升高，将会遇到结构加工困难，输出功率大大降低的问题。电子枪的输出功率是影响整个EIO输出功率的主要因素，传统的EIO结构中耦合缝与电子注通道为两个独立的结构，电场通过耦合缝在整个腔体内耦合，考虑到电子注通道对腔体电场的截止作用，电子注通道的大小就受到工作频率的限制，进一步限制了EIO的输出功率。目前国内对于通过改进电子注形状来提升EIO输出功率的研究工作也已经展开。在“8mm带状注扩展互作用振荡器研究”(《电子科技大学学报》，2010年1月，第39卷，第1期，作者：吴振华，张开春，刘盛纲)一文中研究了一种采用矩形带状电子注的扩展互作 用振荡器结构。该种结构在传统的扩展互作用振荡器基础上，采用了宽高比值很大的薄矩形电子注。相比于传统的圆型电子注，带状电子注具有更大的有效耦合面积，提高了耦合效率。但是该种电子注纵向传播的EIO器件，工作效率在很大程度上仍受限电子注通道的大小。由于电子注通道面积受限，要加大工作电流，就只能从增加电流密度的角度出发。而电流密度的增加，受到新型电子枪结构、新型阴极材料研究的限制。同时，电流密度的增加会导致空间电荷效应的增强，在互作用过程中将产生一系列不利情况。因此研究通过增大电子注通道面积提高输出功率的新型结构EIO具有十分重大的价值和意义。
发明内容
本发明提出了一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，针对阴极电流发射密度限制下，设计一种采用环行带状电子注的径向EIO，通过增大电子发射面积及增加电子注通道面积，使得EIO在小电流密度下，能够获得更大功率。
本发明采用的技术方案是：一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，其特征在于，包括两个上、下对称设置的带控制阳极头和圆环形凹槽的圆盘体，阴极，绝缘圆环片及电子注通道。
所述两圆盘体的中心设置有电子腔体，电子腔体的外围为控制阳极头。
所述阴极设置于电子腔体的中轴线上，通过绝缘圆环片与两圆盘体固定连接。
所述圆环形凹槽的中轴线与圆盘体的中轴线重合，圆环形凹槽的数量为3-5个，且每个凹槽的横截面尺寸相同，相邻两凹槽之间的间距也相同。
本发明对径向EIO的高频结构、电子光学系统做出设计，并提出了一种配套的聚焦磁场系统使得本发明能正常工作。
所述高频结构包括互作用间隙部分和电子注通道部分。整个结构以轴向为 中心成柱对称结构，各个间隙与电子注通道分布都可以看作为同轴腔体。
所述电子光学系统包括阴极与控制阳极部分，其中阴极与阳极以绝缘圆环片隔开。以圆柱型阴极为例(电子光学系统的阴极与阳极的具体形状、参数需要根据高频结构模拟所需要的电子注参数进行调节，此处仅以圆柱型阴级为示例进行说明，这是在本领域公知的。)，电子发射面为圆柱结构的侧面。
所述聚焦磁场系统根据径向EIO工作特点，需要在电子注通道部分形成径向磁场。
本发明的优势在于具有较大的功率容量和较好的散热能力，同时由于其特有的柱对称结构，使得加工简单且更能有效的减小装配误差。电子光学系统的阴极位于器件中心，结构紧凑，防震性能也较好。同时由于其阴极发射面的面积较大，在相同电流密度的情况下能获得更大的工作电流，相比于其他结构的EIO更能满足高功率输出的要求。
附图说明
图1为本发明横截面结构示意图；
图2为本发明剖面图(图1中剖面A-A`)；
图3为图1中标号9的互作用过程分区示意图；
图4为图1中聚焦磁场采用双组对称线包的CST模拟示意图。
图中：1.圆盘体；2.电子腔体；3.电子注通道；4.绝缘圆环片；5.聚焦磁极；6.控制阳极头；7.互作用过程分区示意图表示的区域；8.阴极；9.互作用间隙；10.圆环型金属挡板(属于圆盘体)；11.电子注通道区域；12.互作用间隙中的电子注通道区域；13.互作用间隙区域。
具体实施方式
电子注由阴极发出，经过轴对称的聚焦磁场，以一定电流速度大小进入径 向EIO的高频区域。如图4所示分区，11、12区为电子注通道，12、13区为互作用间隙。12区为注波互作用区域，11区为漂移段区域，要求12区中存在径向电场，11区中无径向电场。因此，要求模式和对应区域的关系为11区——类同轴腔体模，且p＝0(注：m,n,p分别代表径向EIO中电子注通道区域的高频场角向，径向，轴向分布阶数)；13区——类同轴腔体TEM(z)模；12区为混合模式。
电子注在12区中，与径向电场互作用，并经过一定长度的漂移段进入下一个间隙，继续与径向电场互作用。电子注的调制交能与群聚在高频区域内交替进行。
由于11区对场不截止，各个互作用间隙中的场可以通过11区相互耦合。在整个径向EIO腔体中形成正反馈，加强了内部间隙的调制作用，使得电子注在较短的径向距离内可以获得较好的调制。
如图2所示，本实施例中，圆盘体的半径为R+4L2＝9.8mm，圆环形凹槽的宽度L1＝0.6mm，相邻两圆环形凹槽之间的间隔宽度L2-L1＝1.2mm，最内侧圆环形凹槽内半径R＝5mm，电子注通道轴向高度h1＝0.6mm，互作用间隙轴向高度h2＝4.25mm(在选定工作模式后，h1、h2根据工作频率进行调节，L1、L2根据工作电压进行调节)。根据要求，聚焦磁场应以轴向为中心成上下对称的柱对称结构。聚焦磁极可由1组或多组对称线包构成，也可以采用1组轴对称且同极相对的永磁铁构成。在本实例中，采用聚焦磁场线包进行模拟，根据高频结构与电子光学系统的要求，由于最内侧圆环形凹槽内半径较小，采用单组线包难以获得满足电子光学系统的磁场分布；采用2组线包进行调节，获得同时满足电子光学系统与高频结构的聚焦场分布。电压为3kV，电流为50A/cm2时，径向EIO工作频率为12.855GHz，功率达到1.75kW，电子注通道中场分布类似于同 轴腔体的TM010模。电压为5kV，电流为50A/cm2时，径向EIO工作频率为30GHz，功率达到2.6kW，电子注通道中场分布类似于同轴腔体的TM230模。2个实例证明径向EIO结构基模工作与高阶模式工作的可行性。对于本发明，可以通过增加阴极结构的径向长度与内间隙的径向长度更进一步的提高阴极电子发射面面积，以此获得更大的工作电流，同时这种增加电流的方式并不会引起电流密度的增加会导致空间电荷效应的增强。这是采用一维电子运动方向的圆柱型电子注通道EIO结构与带状电子注通道的EIO结构不能实现的。

Claims (4)

1.一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，其特征在于：包括两个上、下对称设置的带控制阳极头和圆环形凹槽的圆盘体、阴极、绝缘圆环片及电子注通道。
2.如权利要求1所述的一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，其特征在于：所述两圆盘体的中心设置有电子腔体，电子腔体的外围为控制阳极头。
3.如权利要求1所述的一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，其特征在于：所述阴极设置于电子腔体的中轴线上，通过绝缘圆环片与两圆盘体固定连接。
4.如权利要求1所述的一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器，其特征在于：所述圆环形凹槽的中轴线与圆盘体的中轴线重合，圆环形凹槽的数量为3-5个，且每个凹槽的横截面尺寸相同，相邻两凹槽之间的间距也相同。
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