CN105140087B - 一种c波段低压超辐射产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种C波段低压超辐射产生装置，包括：磁体，其为两端设置有封盖的圆柱体空腔；返波管，其设置在所述磁体内与所述磁体形成同轴结构；阴极，其设置在磁体内，且与返波管的另一端相对设置以向返波管发射电子束；天线，其与磁体密封连接；真空泵，其与所述装置的内部连通；其中，返波管内沿阴极的电子发射端依次设置有反射腔、漂移段、慢波结构和阻抗变换。本发明利用BWO(返波管)的超辐射机制可以产生C波段窄脉冲的宽谱微波辐射，这样的微波辐射可以同时满足在电磁干扰方面的频谱覆盖和远距离辐射两方面的要求，而且体积比较小，利于装置的小型化；同时，采用低压即可实现阴极电子束的产生。
Description
技术领域
本发明属于微波电子学领域，具体涉及一种利用低压超辐射返波管产生C波段微波辐射的装置。
背景技术
介于传统的、常规雷达电子对抗技术及其武器装备经过几十年的发展，相对比较成熟，攻防双方在一定条件下都有各自的对抗办法和措施。传统雷达对抗技术特点：干扰机的功率、干扰样式、干扰效率相对较高，但雷达发射波形容易被侦测截获。在电子侦测技术基础上，雷达工作频率、发射功率、工作模式、极化方式等可能被对方获取。高重频电磁脉冲辐射用于对雷达干扰可以降低干扰信号被截获的概率，大大地提高了干扰机的反对抗能力。在电磁干扰方面，由于频谱覆盖因素，超宽带技术一直在HPM领域受到重视，国外包括俄罗斯、美国、德国专家围绕超宽带高压窄电子束源从五十年代到九十年代做了大量的工作。特别是俄罗斯从基础科学研究到应用科学研究作了大量的工作。从他们的文献报道上看：窄脉冲输出幅度高达几千伏、几十千伏到上百千伏，重复频率从几十Hz到上百、千Hz，脉冲前沿上升时间达几十到几百ps，俄罗斯科学院的高功率电离快速恢复二极管上升时间达50ps。美国LOS Alamos国家实验室、Lawrence Livermore国际实验室、Sandia实验室、Phillips实验室对宽带高压窄电子束源及其宽带天线也做了大量的研究工作。然而在超宽带辐射研究中，尽管脉冲前沿达到了ps水平，由于其大部分频谱成分仍然是直流到低频的成分，使得超宽带很难实现远距离辐射，极大地限制了超宽带在电磁干扰方面的应用。高重频宽谱电磁脉冲干扰机作为一种新的发射超宽谱信号装置，目前其信号频谱宽度已达到P、L波段。目前存在的问题是：1)作用距离近，不能形成有效的保护；2)频率不能覆盖微波频段。然而RBWO(相对论返波管)超辐射要求的脉冲功率电压比较高(大于500kV)、同时还需要一套庞大的驱动磁场(大于3T)来约束相对论电子束同BWO器件相互作用，因此体积庞大的脉冲功率装置和驱动磁场限制了RBWO超辐射技术的应用。
发明内容
作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现，利用BWO(返波管)的超辐射机制可以产生C波段窄脉冲的宽谱微波辐射，这样的微波辐射可以同时满足在电磁干扰方面的频谱覆盖和远距离辐射两方面的要求，而且体积比较小，利于装置的小型化。基于这种发现，完成了本发明。
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种C波段低压超辐射产生装置，包括：
磁体，其为两端设置有封盖的圆柱体空腔；
返波管，其设置在所述磁体内，所述返波管的一端与所述磁体右端封盖的内侧连接使所述返波管与所述磁体形成同轴结构；
阴极，其设置所述磁体的左端封盖的内侧；且与所述返波管的另一端相对设置以向返波管发射电子束；所述阴极分别通过引线与外部高压电源和加热电源连接；
天线，其与所述磁体右端封盖的外侧密封连接，且与所述返波管连通以发射辐射信号；所述天线的外侧密封设置；
真空泵，其与所述装置的内部连通以使装置腔内抽真空形成形成一定的真空度；
其中，所述返波管内沿所述阴极的电子发射端依次设置有反射腔、漂移段、慢波结构和阻抗变换；所述反射腔的长度为22mm，半径为35mm；漂移段的长度为36mm，半径为30mm；慢波结构的平均半径为30mm，波纹幅值为5.5mm，长度为300～400mm；阻抗变换的长度为16mm，最小直径为30mm，最大直径为34mm。
优选的是，所述装置还包括：
电流环，其设置在所述磁体的左端封盖的外侧以检测阴极的电流；
真空规，其与所述装置内部连通以测量磁体空腔内的真空度；
绝缘子，其设置在所述引线进入装置空腔内的一端并与装置空腔内密封连接。
优选的是，所述阴极为LaB6热阴极，采用钨丝间接加热，加热电源为1.5kW(30V，50A)时，阴极温度达到1900度；所述阴极的发射面为环形，中心直径φ54mm，宽度2mm，即外径φ58mm，发射面积为3.4cm2，发射电流密度达到23.6A/cm2。
优选的是，所述返波管为扩展了束波互作用空间范围的BWO器件，采用均匀波纹波导作为慢波结构束波互作用区，共36个结构周期，每个周期长度为10mm。
本发明至少包括以下有益效果：本发明利用BWO(返波管)的超辐射机制可以产生C波段窄脉冲的宽谱微波辐射，这样的微波辐射可以同时满足在电磁干扰方面的频谱覆盖和远距离辐射两方面的要求，而且体积比较小，利于装置的小型化；同时，本发明所述的器件在使用时，阴极采用低压(20kV～30kV)即可产生电子束。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明所述C波段低压超辐射产生装置的剖面结构示意图；
图2为本发明所述返波管的剖面结构示意图；
图3为本发明所述阴极的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本发明的一种C波段低压超辐射产生装置，包括：磁体1，其为两端设置有封盖的圆柱体空腔；
返波管2，其设置在所述磁体1内，所述返波管2的一端与所述磁体右端封盖的内侧连接使所述返波管2与所述磁体1形成同轴结构；
阴极3，其设置所述磁体1的左端封盖的内侧；且与所述返波管2的另一端相对设置以向返波管2发射电子束；所述阴极3分别通过引线4与外部高压电源和加热电源连接；
天线5，其与所述磁体1的右端封盖的外侧密封连接，且与所述返波管2内连通以发射辐射信号；所述天线5的外侧密封设置；
真空泵(未示出)，其与所述装置的内部通过管路6连通以使装置腔内抽真空形成形成一定的真空度；
其中，如图2，所述返波管2内沿所述阴极3的电子发射端依次设置有反射腔7、漂移段8、慢波结构9和阻抗变换10；所述反射腔7的长度为22mm，半径为35mm；漂移段8的长度为36mm，半径为30mm；慢波结构9的平均半径为30mm，波纹幅值为5.5mm，长度为300～400mm；阻抗变换10的长度为16mm，最小直径为30mm，最大直径为34mm。
在上述技术方案中，各个部件之间(磁体与其封盖、磁体与天线、真空泵与天线)的连接均采用密封连接，保证了装置工作时的真空度，当本发明所述装置工作时，首先使用真空泵对整个装置进行抽真空，然后采用加热电源加热阴极，并施加电压到阴极，使阴极产生电子束，产生的电子束依次通过反射腔和漂移段进行预调制，然后进入慢波结构，慢波结构采用了过模结构，整个慢波结构用加长型的慢波结构扩展束波互作用空间，使短群聚电子束不同部分在整个束波互作用空间内发生耦合，电子束自群聚和波相对于电子脉冲的滑移在整个电子群聚体积内产生强相干辐射，接辐射天线进行空间辐射，即形成所谓的超辐射效应。
在上述技术方案中，所述磁体为永磁体，该永磁体由阶梯式径向充磁永磁环组合成的永磁磁体。该磁体共12个磁环，呈对称分布结构。该磁体采用高性能的磁性材料N42制造，磁环最小内直径86mm，最大外直径300mm，永磁环厚度均为30mm。
在另一种实施例中，如图1所示，所述C波段低压超辐射产生装置还包括：
电流环11，其设置在所述磁体1的左端封盖的外侧以通过感应检测阴极3的电流；
真空规12，其与所述装置内部连通以测量磁体空腔内的真空度；
绝缘子13，其设置在所述引线进入装置空腔内的一端并与装置空腔内密封连接，绝缘子的作用是实现高压绝缘和真空密封。
在另一种实施例中，如图3所示为阴极结构图，本发明所述阴极为LaB6热阴极，设计要求阴极发射面为环形，中心直径54mm，宽度2mm，即外径58mm，发射面积约3.4cm2，发射电流密度要求达到23.6A/cm2。采用钨丝间接加热，加热电源为1.5kW(30V 50A)时，阴极温度可以达到1900度。根据理查孙公式J＝AT2e-eφ/kT(A＝60A.cm-2.K-2，k＝8.617*10-5eV.K-1)，LaB6的功函数2.7eV，则当阴极温度为1900度，阴极发射的电流密度可以达到40A/cm2，可以满足器件的需要。
在另一种实施例中，所述返波管为扩展了束波互作用空间范围的BWO器件，采用均匀波纹波导作为慢波结构束波互作用区，共36个结构周期，每个周期有两个大小不同的无磁不锈钢圆环组成，两个圆环的平均半径为30mm，每个周期长度为10mm，总长度为360mm。根据电子同慢波结构之间的同步要求，慢波分3段组成，采用加长型波纹渐变的慢波结构和耦合阻抗随z向线性增大的非均匀耦合系统。通过较长的慢波结构扩展互作用空间，延长了束波互作用时间，减小起振电流，使空间内形成足够多的群聚束团，电子脉冲上升前沿快，保证了能迅速产生满足同步作用的高能电子，缩短了微波的起振时间；通过慢波结构波纹振幅逐渐增大，束波耦合强度逐渐增强，耦合的谐波电场逐渐增大，压缩电子群聚，调制电流增大，使脉冲群速减小。由于非均匀耦合效应，电子束与微波脉冲都受到压缩，产生能量汇聚效应。这种能量汇聚效应达到一定程度，可以使最后获得的微波功率比传统的返波管中准稳态机制下得到的微波功率高几倍，甚至高1个量级，使微波峰值功率超过驱动电子束的功率。慢波结构的前段波纹深度逐渐增大，束波耦合阻抗线性增大，对电子束起到预群聚调制作用；中间段均匀周期结构为高耦合阻抗区域，群聚电子束相对于高频场的相位为减速相位，电子束大部分能量转换成高频场能；末段波纹深度逐渐减小，与输出波导平滑连接，配合磁场位形，同时也减小了微波功率的损耗。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (3)
1.一种C波段低压超辐射产生装置，其特征在于，包括：
磁体，其为两端设置有封盖的圆柱体空腔；
返波管，其设置在所述磁体内，所述返波管的一端与所述磁体右端封盖的内侧连接使所述返波管与所述磁体形成同轴结构；
阴极，其设置所述磁体的左端封盖的内侧；且与所述返波管的另一端相对设置以向返波管发射电子束；所述阴极分别通过引线与加热电源和外部20～30kV低压电源连接；
天线，其与所述磁体右端封盖的外侧密封连接，且与所述返波管连通以发射辐射信号；所述天线的外侧密封设置；
真空泵，其与所述装置的内部连通以使装置腔体内抽真空形成一定的真空度；
其中，所述返波管内沿所述阴极的电子发射端依次设置有反射腔、漂移段、慢波结构和阻抗变换；所述反射腔的长度为22mm，半径为35mm；漂移段的长度为36mm，半径为30mm；慢波结构的平均半径为30mm，波纹幅值为5.5mm，长度为300～400mm；阻抗变换的长度为16mm，最小直径为30mm，最大直径为34mm；
电流环，其设置在所述磁体的左端封盖的外侧以检测阴极的电流；
真空规，其与所述装置内部连通以测量磁体空腔内的真空度；
绝缘子，其设置在所述引线进入装置空腔内的一端并与装置空腔内密封连接。
2.如权利要求1所述的C波段低压超辐射产生装置，其特征在于，所述阴极为LaB6热阴极，采用钨丝间接加热，加热电源为1.5kW、30V、50A时，阴极温度达到1900度；所述阴极的发射面为环形，中心直径φ54mm，宽度2mm，即外径φ58mm，发射面积为3.4cm2，发射电流密度达到23.6A/cm2。
3.如权利要求1所述的C波段低压超辐射产生装置，其特征在于，所述返波管为扩展了束波互作用空间范围的返波管器件，采用均匀波纹波导作为慢波结构束波互作用区，共36个结构周期，每个周期长度为10mm。
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