CN105470074B - 一种磁绝缘线振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁绝缘线振荡器，包括阳极外筒、阴极和收集极，所述阳极外筒内壁上设置有阳极叶片，所述收集极通过支撑杆固定在阳极外筒中，从振荡器的输入方向起在阳极叶片后方的阳极外筒上设置有提取腔；本发明中通过将阳极叶片的厚度逐步减小，减小了较短时间参与或者不参与束‑波互作用的电子束的比例，提高了束‑波互作用的转换效率，设置提取腔，加了束‑波互作用的能量转换过程，并提高了微波提取的效率，最高可达20%。

Description

一种磁绝缘线振荡器
技术领域
本发明属于微波电子学领域，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。
背景技术
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器件。其中，磁绝缘线振荡器（MILO）是GW量级的同轴正交场器件，与线性磁控管非常相似。MILO不需要外加磁场，其直流磁场是由管子内部电流提供，与其正交的直流电场一起决定了电子的漂移速度。MILO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。由于无需外加磁场，MILO容易做到小型化和实用化。
由于受到物理机制的限制，即一部分管子内部电流被消耗用于产生绝缘的直流磁场而不参与束-波能量转换，因此MILO的功率效率都不够高。名称为“阶梯阴极型L波段MILO的实验研究”的文章（强激光与粒子束，2007年第19卷第5期P），公开了一种MILO的实验功率转换效率约10%；名称为“高效率磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟”的文章（强激光与粒子束，2008年第20卷第5期P），公开了一种高效率MILO，其数值模拟功率效率达到了20%，但是该MILO结构较复杂，工程实现较困难。为此，在结构相对简单且工程易实现的条件下，提高磁绝缘振荡器的功率效率具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种磁绝缘线振荡器，用于提高磁绝缘振荡器（MILO）的功率效率，其功率效率可达20%左右。
实现本发明的技术方案是：
一种磁绝缘线振荡器，包括阳极外筒、阴极和收集极，所述阳极外筒内壁上设置有阳极叶片，所述收集极通过支撑杆固定在阳极外筒中，从振荡器的输入方向起在阳极叶片后方的阳极外筒上设置有提取腔。
在上述技术方案中，所述提取腔沿着阳极外筒内壁向外壁方向形成凹槽。
在上述技术方案中，所述提取腔与阳极外筒同轴心，均匀设置在阳极外筒内壁上。
在上述技术方案中，所述提取腔的宽度和高度可调。
在上述技术方案中，所述阳极叶片包括依次设置的1～3个截止片、3～6个主慢波叶片和1个提取叶片。
在上述技术方案中，所述每一个截止片的中心孔径相近，每一个主慢波叶片的中心孔径相近。
在上述技术方案中，所述截止片中心孔径小于主慢波叶片中心孔径，主慢波叶片中心孔径小于提取叶片中心孔径。
在上述技术方案中，所述截止片、主慢波叶片和提取叶片的叶片厚度依次逐渐变小。
在上述技术方案中，所述提取叶片的厚度为1mm～3mm。
本发明的磁绝缘线振荡器的工作原理是：在强电场的作用下，电子从阴极的侧面发射出来，其中一部分被收集极吸收，再经收集极与阳极之间的支撑杆流回阳极，这部分电子束流称为负载电流，其功能是产生一个围绕阴极的角向磁场,该磁场对慢波结构叶片下的电子束产生磁绝缘的作用。处于慢波结构叶片下的电子在阴阳极间的径向电场和角向磁场的共同作用下沿轴向漂移，当电子的漂移速度接近阳极慢波结构微波场的相速度时，电子束与场（束-波）相互作用，电子束的能量转换为场的能量，产生高功率微波，即电子束在向右的轴向运动过程中进行束-波能量转换；通过减小阳极叶片厚度尤其是提取叶片的厚度，则减小了提取叶片对应发射的电子束在总电流中的比例，该部分电子束距离收集极很近，其不参与束-波互作用或者参与时间非常短，然后就被收集极或者阳极所收集，因此提高了长时间参与束-波互作用的电子束的比例，可提高束-波转换效率；另外，通过增加合适的提取腔，既有利于束-波相互作用，又有利于微波功率的提取。提取输出的高功率微波再传输到同轴线和后端的辐射天线。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明中阳极叶片厚度逐渐变小，尤其是提取叶片厚度变小至最小（通常1～3mm），从而减小了较短时间参与或者不参与束-波互作用的电子束的比例，提高了束-波互作用的转换效率；第二个是：在提取叶片后的阳极外筒上增加1个微波提取腔，从而增加了束-波互作用的能量转换过程，并提高了微波提取的效率；其功率效率可达20%左右。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1是阴极，2是 阳极外筒，3、4、5是 截止叶片，6、7、8是主慢波叶片，9是提取叶片，10是提取腔，11是收集极，12是支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在图1中，本发明的一种高效率磁绝缘线振荡器，包括阴极、阳极外筒、阳极外筒内壁上设置的七个阳极叶片、提取腔、收集极和支撑杆，支撑杆由两个同心圆和沿圆周方向均匀分布的四个支撑组成。
本实施例中，七个阳极叶片的厚度分别为8mm、8mm、8mm、7mm、6mm、5mm、2mm，设置了一个提取腔。
其连接关系是，阳极外筒内壁上依次设置的阳极叶片为三个中心孔径相近的截止叶片、中段三个中心孔径相近的主慢波叶片、一个提取叶片和一个提取腔，其中截止叶片中心孔径小于中段主慢波叶片中心孔径，中段主慢波叶片中心孔径小于提取叶片中心孔径。
所述的阳极外筒内右端设置有收集极，收集极通过支撑杆固定在阳极外筒中，支撑杆的内圆与收集极连接，支撑杆的内圆直径与收集极外径匹配，支撑杆的外圆与阳极外筒连接，支撑杆的外圆的外径与阳极外筒的内径匹配。
阳极外筒的左端外接高压脉冲电源的外筒，阴极的左端与高压脉冲电源的内导体相连。
本实施例中，在阳极外筒中设置的支撑杆为两排。设置阳极叶片的腔体内径小于阳极外筒的内径。
本发明的磁绝缘振荡器的工作过程是，由高压脉冲电源输入一个高压电脉冲，在强电场的作用下，电子从阴极的侧面发射出来，在阴阳极间的径向电场和角向磁场的共同作用下沿轴向漂移,当电子的漂移速度与阳极慢波结构微波场的相速度相当时，电子束与场相互作用，电子束的能量转换为微波场的能量，产生高功率微波。在PIC模拟中，按照L波段设计，当输入电功率42.2 GW时器件电压635 kV，输出微波功率8.7 GW，功率效率达20.6%，输出微波频率为1.54GHz。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种磁绝缘线振荡器，包括阳极外筒、阴极和收集极，所述阳极外筒内壁上设置有阳极叶片，所述收集极通过支撑杆固定在阳极外筒中，其特征在于从振荡器的输入方向起在阳极叶片后方的阳极外筒上设置有提取腔；
所述提取腔沿着阳极外筒内壁向外壁方向形成凹槽；
所述阳极叶片包括依次设置的1～3个截止片、3～6个主慢波叶片和1个提取叶片。
2.根据权利要求1所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征在于所述提取腔与阳极外筒同轴心，均匀设置在阳极外筒内壁上。
3.根据权利要求2所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征在于所述提取腔的宽度和高度可调。
4.根据权利要求1所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征在于所述每一个截止片的中心孔径相近，每一个主慢波叶片的中心孔径相近。
5.根据权利要求4所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征在于所述截止片中心孔径小于主慢波叶片中心孔径，主慢波叶片中心孔径小于提取叶片中心孔径。
6.根据权利要求4～5所述的任一一种磁绝缘线振荡器，其特征在于所述截止片、主慢波叶片和提取叶片的叶片厚度依次逐渐变小。
7.根据权利要求6所述的一种磁绝缘线振荡器，其特征在于所述提取叶片的厚度为1mm～3mm。
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