CN105489460B - 一种k波段同轴相对论返波振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种K波段同轴相对论返波振荡器，包括：阳极，其为包含有慢波结构的圆柱波导腔；阴极，其设置在所述圆柱波导腔内并通过绝缘子连接在所述阳极的一个端面上；电子束引导栅网，其设置在所述圆柱波导腔内并位于所述阴极的电子发射端的下游；同轴内导体，其为圆柱体结构；所述同轴内导体的一端设置在所述圆柱波导腔内，另一端通过金属支架连接在所述阳极的另一个端面上；且所述同轴内导体与所述阴极、所述圆柱波导腔形成同轴结构。本发明采用电子束透过率大于90％的电子束引导栅网引导电子束进入束波互作用区，降低了所需的外部磁场强度，使得器件需要的引导磁场降低至0.5T，减小了器件外部庞大的引导磁场系统的尺寸以及对能源提供的需求。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种K波段同轴相对论返波振荡器。
背景技术
随着高功率微波研究发展，对高功率微波源的系统总效率提出了越来越高的要求。在现有高功率微波源中，高阻抗器件的束波转换效率较高，但一般需要较强的引导磁场，特别是当微波源运行在重复频率状态时，需要一个体积庞大的、高耗能的螺线管磁体系统或使用麻烦的超导磁体系统；而低阻抗器件需要输出功率较高的脉冲功率源，器件束波转换效率受到限制。因此，如何设计出较低引导磁场、高效率、高功率的微波源，一直是人们追求的目标之一。
相对论返波管振荡器产生的高功率微波来源于环行电子束与慢波结构中的结构波相互作用形成的相干辐射。慢波结构是相对论返波管振荡器的核心结构，它一般为一段波纹圆波导，其结构参数一般包括平均半径、波纹深度、轴向周期和总长度。一般依据线性理论的分析结果来确定慢波结构的参数，然后借助数值模拟和实验等手段对慢波结构各参数进行细致的调整。
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，采用电子束透过率大于90％的金属栅网引导电子束进入束波互作用区，降低了所需的外部磁场强度，使得器件需要的引导磁场降低至0.5T，减小了器件外部庞大的引导磁场系统的尺寸以及对能源提供的需求。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K波段同轴相对论返波振荡器，包括：
阳极，其为包含有谐振反射腔、漂移腔及慢波结构区的圆柱波导腔；
阴极，其设置在所述圆柱波导腔内并通过绝缘子连接在所述阳极的一个端面上；
电子束引导栅网，其设置在所述圆柱波导腔内并位于所述阴极的电子发射端的下游；
同轴内导体，其为圆柱体结构；所述同轴内导体的一端设置在所述圆柱波导腔内，另一端通过金属支架连接在所述阳极的另一个端面上；且所述同轴内导体与所述阴极、所述圆柱波导腔形成同轴结构；
其中，所述圆柱波导腔的内直径为24mm，所述圆柱波导腔的内壁上设置距离阴极37mm的第一环形凹槽，第一环形凹槽的深度为6mm，长度为12mm，所述第一环形凹槽与其相对应的圆柱波导腔构成谐振反射腔，即所述谐振反射腔的直径为36mm、长度为12mm；所述圆柱波导腔内距离阴极49-70mm之间为漂移腔，所述漂移腔的直径为24mm、长度为21mm；所述圆柱波导腔内距离阴极70-126mm之间为慢波结构区，所述慢波结构区的结构为在所述圆柱波导腔的内壁上开设间隔为2mm第二环形凹槽，所述第二环形凹槽有14个；所述第二环形凹槽的深度为2mm，高度为2mm，即所述慢波结构区的内直径为24mm，外直径为28mm；所述同轴内导体的直径为12mm，且其位于所述圆柱波导腔内的一端距离阴极发射端面为60mm；
其中，所述K波段同轴相对论返波振荡器在引导磁场0.5T，所述阴极、阳极间电压800kV，电子束束流强度5kA下，可产生频率为21GHz，功率为300MW的高功率微波。
优选的是，所述电子束引导栅网为金属栅网，其直径为24mm，厚度为1mm，电子透过率大于90％。
优选的是，所述阴极为石墨阴极，其由石墨制备而成。
优选的是，所述阳极为无磁不锈钢阳极，其由无磁不锈钢制备而成。
优选的是，所述同轴内导体为无磁不锈钢同轴内导体，其由无磁不锈钢制备而成。
优选的是，所述阴极发射产生内外直径分别为18mm，20mm的环形空心电子束。
本发明至少包括以下有益效果：本发明同轴相对论返波振荡器采用电子束透过率大于90％的金属栅网引导电子束进入束波互作用区，束波互作用区由谐振反射腔、漂移腔及均匀慢波结构区构成返波管振荡器。由于金属栅网的引导，使得器件需要的引导磁场降低至0.5T。慢波结构前的谐振腔对工作模式的电磁波具有较高的反射系数而对其它模式的电磁波反射系数较低，提高了工作模式的Q值，同时谐振腔内建立的微波场能对电子束流进行预调制，降低工作模式的起振电流，这样就可以实现器件的模式选择，实现杂模抑制；另一方面为了进一步增大器件的Q值，使器件易于起振，减小引导磁场的影响。同样为提高微波输出效率，在器件内部增加同轴内导体，增强束波互作用，提高微波输出功率。
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K波段同轴相对论返波振荡器的剖面结构示意图；
图2为本发明所述K波段同轴相对论返波振荡器的内部结构的尺寸示意图。
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和图2是示出了本发明所述的K波段同轴相对论返波振荡器，包括：
阳极2，其为包含有谐振反射腔4、漂移腔5及慢波结构区6的圆柱波导腔8；圆柱波导腔8为圆柱腔体；阴极1，其设置在所述圆柱波导腔8内并通过绝缘子连接在所述阳极2的一个端面上；
电子束引导栅网3，其设置在所述圆柱波导腔8内并位于所述阴极1的电子发射端的下游；
同轴内导体7，其为圆柱体结构；所述同轴内导体7的一端设置在所述圆柱波导腔8内，另一端通过金属支架连接在所述阳极2的另一个端面上；且所述同轴内导体7与所述阴极1、所述圆柱波导腔8形成同轴结构；
其中，所述圆柱波导腔8的内直径为24mm，所述圆柱波导腔的内壁上设置距离阴极37mm的第一环形凹槽，第一环形凹槽的深度为6mm，长度为12mm，所述第一环形凹槽与其相对应的圆柱波导腔构成谐振反射腔4，即所述谐振反射腔的直径为36mm、长度为12mm；所述圆柱波导腔8内距离阴极49-70mm之间为漂移腔5，所述漂移腔5的直径为24mm、长度为21mm；所述圆柱波导腔8内距离阴极70-126mm之间为慢波结构区6，所述慢波结构区6的结构为在所述圆柱波导腔8的内壁上开设间隔为2mm第二环形凹槽，所述第二环形凹槽有14个；所述第二环形凹槽的深度为2mm，高度为2mm，即所述慢波结构区8的内直径为24mm，外直径为28mm；所述同轴内导体7的直径为12mm，且其位于所述圆柱波导腔8内的一端距离阴极发射端面为60mm；
用真空获得装置将K波段同轴相对论返波振荡器内真空度处理到毫帕量级，在阴阳极之间施加高电压800kV，阴极1发射产生内外直径分别为18mm，20mm，束流强度为5kA的环形空心电子束。强流电子束在电子束引导栅网3及0.5T轴向磁场引导下传输进入束波互作用区，束波互作用区由谐振反射腔4、漂移腔5及均匀慢波结构区6构成，强流电子束经谐振腔反射及预调制，通过漂移腔，在加载同轴内导体的慢波结构区完成束波互作用，电子束将能量转交给微波场，产生频率为21GHz，功率为300MW的高功率微波。
在上述技术方案中，所述电子束引导栅网为金属栅网，其直径为24mm，厚度为1mm，电子透过率大于90％。
在上述技术方案中，所述阴极为石墨阴极，其由石墨制备而成。
在上述技术方案中，所述阳极为无磁不锈钢阳极，其由无磁不锈钢制备而成。
在上述技术方案中，所述同轴内导体为无磁不锈钢同轴内导体，其由无磁不锈钢制备而成。
在上述技术方案中，所述阴极发射产生内外直径分别为18mm，20mm的环形空心电子束。
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 (4)
1.一种K波段同轴相对论返波振荡器，其特征在于，包括：
阳极，其为包含有谐振反射腔、漂移腔及慢波结构区的圆柱波导腔；
阴极，其设置在所述圆柱波导腔内并通过绝缘子连接在所述阳极的一个端面上；所述阴极发射产生内外直径分别为18mm，20mm的环形空心电子束；
电子束引导栅网，其设置在所述圆柱波导腔内并位于所述阴极的电子发射端的下游；所述电子束引导栅网为金属栅网，其直径为24mm，厚度为1mm，电子透过率大于90％；
同轴内导体，其为圆柱体结构；所述同轴内导体的一端设置在所述圆柱波导腔内，另一端通过金属支架连接在所述阳极的另一个端面上；且所述同轴内导体与所述阴极、所述圆柱波导腔形成同轴结构；
其中，所述圆柱波导腔的内直径为24mm，所述圆柱波导腔的内壁上设置距离阴极37mm的第一环形凹槽，第一环形凹槽的深度为6mm，长度为12mm，所述第一环形凹槽与其相对应的圆柱波导腔构成谐振反射腔，即所述谐振反射腔的直径为36mm、长度为12mm；所述圆柱波导腔内距离阴极49-70mm之间为漂移腔，所述漂移腔的直径为24mm、长度为21mm；所述圆柱波导腔内距离阴极70-126mm之间为慢波结构区，所述慢波结构区的结构为在所述圆柱波导腔的内壁上开设间隔为2mm第二环形凹槽，所述第二环形凹槽有14个；所述第二环形凹槽的深度为2mm，高度为2mm，即所述慢波结构区的内直径为24mm，外直径为28mm；所述同轴内导体的直径为12mm，且其位于所述圆柱波导腔内的一端距离阴极发射端面为60mm；
其中，所述K波段同轴相对论返波振荡器在引导磁场0.5T，所述阴极、阳极间电压800kV，电子束束流强度5kA下，可产生频率为21GHz，功率为300MW的高功率微波。
2.如权利要求1所述的K波段同轴相对论返波振荡器，其特征在于，所述阴极为石墨阴极，其由石墨制备而成。
3.如权利要求1所述的K波段同轴相对论返波振荡器，其特征在于，所述阳极为无磁不锈钢阳极，其由无磁不锈钢制备而成。
4.如权利要求1所述的K波段同轴相对论返波振荡器，其特征在于，所述同轴内导体为无磁不锈钢同轴内导体，其由无磁不锈钢制备而成。
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Granted publication date: 20170711 |