CN105914119A - 一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，包括阳极、阴极、绝缘体、阳极网、低引导磁场产生装置和微波辐射窗，阴极上设置有阴极发射区，阴极发射区发射电子材料一般为平绒，阴极与阳极通过绝缘体进行电隔离，微波辐射窗设置在阳极上，阴极和微波辐射窗之间设置有阳极网，阳极网与微波辐射窗之间设置有一微波传输腔，阳极、阴极、绝缘体与微波辐射窗构成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕。本发明可避免透射电子对虚阴极产生的高功率微波的干扰；虚阴极的反射电子可在引导磁场的作用下进行多次的虚阴极与真实阴极之间的振荡，有效提高虚阴极输出效率。虚阴极在低引导磁场作用下能稳定在某一位置，使得虚阴极振荡器输出频率能稳定、单一。

Description

一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器。
背景技术
高功率微波是指频率在1～300GHz范围和峰值功率在100MW以上的电磁波。随着脉冲功率技术和等离子体物理的发展，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源。虚阴极振荡器是高功率微波源重要的研究方向之一，在过去的二十多年时间里受到了国际上高度重视和广泛研究。
虚阴极振荡器完全不同于普通的微波源，因为它需要一个超过空间电荷限制流的电流。空间电荷限制流是指这样一个电流，当注入电流超过这个电流时，静电势能超过电子束的动能，因此，虚阴极将电子反射，反射电子在实阴极与虚阴极之间振荡，这称作反射机制。虚阴极振荡器产生的虚阴极是不稳定的，其位置和势值也振荡。这两种机制能产生频率近似相等的微波辐射。与其他微波源相比，虚阴极振荡器具有概念和结构简单等优点。它产生高功率微波，而且极易调谐，因为它取决于电荷密度而不依赖于任何谐振条件。
虚阴极振荡器是一种空间电荷器件，高电压下阴极发射的强流电子束透过阳极网注入到漂移管中，由于电子具有强空间电荷效应，只有低于空间电荷限制流强度的电子束才能够稳定的传输。当电子束流超过空间电荷限制电流的强度时，电子束在势阱中的势能将增大到足以抵消电子所具有的动能，造成束电子在阳极下游的某个位置大量群聚而形成虚阴极。虚阴极的形成一方面将阻止电子的继续传输，把入射电子的部分反射，反射电子通过阳极网后又受到真实阴极的作用重新返回，于是反射电子在实阴极与虚阴极之间形成反射机制振荡，产生微波辐射；另一方面电子的返回使虚阴极处势值减小，电子束又能传输，进而又引起势值增大，继续阻止电子的进一步传输，使虚阴极的自身位置和势值都发生振荡，产生电磁辐射。
常规轴向虚阴极的形成和发展是一个不稳定的动态非线性过程：一方面，它有一个与阴极对阳极大体相同的负电位，因此虚阴极区的电子要向阳极反射回去，这些反射电子穿过阳极到达阴极附近，又被阴极反推回来，来回发反射向外辐射微波，这就是人们所熟知的电子反射产生微波的机制；另一方面，电子被反射回去以后，虚阴极区的电子数密度小了，电势要发生变化，势阱的位置也要变化，与此同时，真实阴极发射的电子又不断给虚阴极补充电子，使得虚阴极区电子数密度增加爱，从而导致虚阴极的电位和位置都发生变化，从宏观上就表现为虚阴极随空间和时间形成震荡，从而激励微波辐射，这就是虚阴极自身振荡产生微波的机制。所以，虚阴极振荡器是由虚阴极本身的时空振荡以及电子在虚阴极和阴极之间的来回反射两种机制共同产生微波的。一般虚阴极束波转换效率为5%～10%，转换效率比较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使输出频率更加稳定并且可以有效提高束波转换效率的低引导磁场轴向虚阴极振荡器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，它包括阳极、阴极、绝缘体、阳极网、低引导磁场产生装置和微波辐射窗，阴极上设置有阴极发射区，阴极设置在阳极内并通过绝缘体隔开，微波辐射窗设置在阳极上，阴极和微波辐射窗之间设置有阳极网，阳极网与微波辐射窗之间设置有一微波传输腔，阳极、阴极、绝缘体与微波辐射窗构成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕。设置低引导磁场，虚阴极在低引导磁场作用下能稳定在某一位置，使得虚阴极振荡器输出频率能稳定、单一。虚阴极的透射电子可在引导磁场的作用下集中到阳极，快速形成电流回路，避免透射电子对虚阴极产生的高功率微波的干扰，有效提高虚阴极振荡器微波输出效率。
作为优选方式，所述的阴极设置在阳极的一端内，阳极的另一端设置微波辐射窗。
作为优选方式，所述的低引导磁场产生装置环绕在阳极外以产生轴向引导磁场。设置一轴向低引导磁场，由于轴向低引导磁场的存在，虚阴极的透射电子可在引导磁场的作用下集中到阳极，快速形成电流回路，避免透射电子对虚阴极产生的高功率微波的干扰；虚阴极的反射电子可在引导磁场的作用下进行多次的虚阴极与真实阴极之间的振荡，使电子束的能量更多的转换为微波，有效提高虚阴极输出效率。因此虚阴极在轴向低引导磁场作用下能稳定在某一位置，使得虚阴极振荡器输出频率能稳定、单一，采用低磁场轴向虚阴极技术可使虚阴极微波输出效率达到20%，极大提高了虚阴极振荡器的应用范围。
作为优选方式，所述的低引导磁场产生装置设置在靠近阳极网的位置。
作为优选方式，所述的低引导磁场产生装置为通电流的螺线管线圈。该螺线管线圈对虚阴极振荡器的整体尺寸及重量的影响很小，从而可保证轴向虚阴极振荡器结构紧凑、简单的特点。
作为优选方式，所述的轴向引导磁场的磁场强度不超过0.5T。施加在虚阴极上的轴向引导磁场强度不超过0.5T，该较低引导磁场可由通电流的体积较小的螺线管线圈产生。
作为优选方式，所述的阳极网电子束透过率大于90%。
作为优选方式，所述的阴极发射区与阳极网之间的轴向距离为25mm～35mm。
作为优选方式，所述的阳极和阴极之间的电压为600kV，电流为15kA，引导磁场强度为0.3T，阳极网与微波辐射窗之间的微波传输腔内并位于阳极网之后距离26mm～36mm的位置稳定形成虚阴极。由于虚阴极与真实阴极之间的距离较短，虚阴极的反射电子可在引导磁场的作用下进行多次的虚阴极与真实阴极之间的振荡，使电子束的能量更多的转换为微波，有效提高虚阴极输出效率。
作为优选方式，所述的微波辐射窗的材料为聚四氟乙烯。
本发明的有益效果是：本发明由于低引导磁场的存在，虚阴极的透射电子可在引导磁场的作用下集中到阳极，快速形成电流回路，避免透射电子对虚阴极产生的高功率微波的干扰；虚阴极的反射电子可在引导磁场的作用下进行多次的虚阴极与真实阴极之间的振荡，使电子束的能量更多的转换为微波，有效提高虚阴极输出效率。虚阴极在低引导磁场作用下能稳定在某一位置，使得虚阴极振荡器输出频率能稳定、单一。采用低引导磁场虚阴极技术可使虚阴极微波输出效率达到20%，极大提高了虚阴极振荡器的应用范围。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中，1-绝缘体，2-阴极，3-低引导磁场产生装置，4-阳极网，5-虚阴极，6-阳极，7-微波辐射窗，8-强流电子束，9-反射电子，10-透射电子，11-磁力线。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，它包括阳极6、阴极2、绝缘体1、阳极6网4、低引导磁场产生装置3和微波辐射窗7，阴极2上设置有阴极2发射区，其电子发射材料优选平绒，其作用是产生轴向强流电子束8，阴极2设置在阳极6内并通过绝缘体1隔开，绝缘体1的材料优选尼龙，绝缘体1的作用是对器件阴阳极6进行绝缘隔离，微波辐射窗7设置在阳极6上，阴极2和微波辐射窗7之间设置有阳极6网4，阳极6网4的作用是引导阴极2发射强流电子束8，阳极6网4与微波辐射窗7之间设置有一微波传输腔，阳极6、阴极2、绝缘体1与微波辐射窗7构成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕，真空度优选1～10毫帕。
优选地，所述的阴极2设置在阳极6的一端内，阳极6的另一端设置微波辐射窗7。
优选地，所述的低引导磁场产生装置3环绕在阳极6外以产生轴向引导磁场。
优选地，所述的低引导磁场产生装置3设置在靠近阳极6网4的位置。
优选地，所述的低引导磁场产生装置3为通电流的螺线管线圈。
优选地，所述的轴向引导磁场的磁场强度不超过0.5T。
优选地，所述的阳极6网4电子束透过率要求大于90%。
优选地，所述的阴极2发射区与阳极6网4之间的轴向距离为25mm～35mm。
优选地，所述的阳极6和阴极2之间的电压为600kV，电流为15kA，引导磁场强度为0.3T，阳极6网4与微波辐射窗7之间的微波传输腔内并位于阳极6网4之后距离26mm～36mm的位置稳定形成虚阴极5。该虚阴极5由空间电荷流（或强流电子束8）形成的。
优选地，所述的微波辐射窗7的材料为聚四氟乙烯。
附图标记的进一步说明：附图标记8为阴极2发射的强流电子束8，其在轴向磁场及阳极6网4的引导下，穿过阳极6网4进入束波转换区，并形成虚阴极5振荡，产生高功率微波；附图标记9为虚阴极5的反射电子9；附图10为虚阴极5的透射电子10；11为螺线管线圈产生的轴向引导磁场的磁力线11。
本发明的优选实施过程：用真空获得装置将虚阴极5振荡器内真空度处理到毫帕量级。阴阳极6之间施加高电压至600kV，当电压强度达到阴极2材料的电子发射阈值时，平绒阴极2发射产生轴向强流电子束8，束流强度为15kA，引导磁场强度为0.3T。阳极6网4电子束透过率大于90%，阴极2发射区与阳极6网4之间的轴向距离为29mm，强流电子束8在阳极6网4及轴向引导磁场的引导下轴向传输透过阳极6网4，并形成虚阴极5振荡，电子束将能量交给微波场，产生高功率微波。由于低引导磁场的引导作用，虚阴极5在阳极6网4之后距离约30mm的位置稳定形成，输出单频微波，微波频率为1.55GHz，束波转换效率大于20%。高功率微波经天线（微波辐射窗7）辐射出去。
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，应当指出的是，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)

1.一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：它包括阳极、阴极、绝缘体、阳极网、低引导磁场产生装置和微波辐射窗，阴极上设置有阴极发射区，阴极设置在阳极内并通过绝缘体隔开，微波辐射窗设置在阳极上，阴极和微波辐射窗之间设置有阳极网，阳极网与微波辐射窗之间设置有一微波传输腔，阳极、阴极、绝缘体与微波辐射窗构成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕。
2.根据权利要求1所述的一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阴极设置在阳极的一端内，阳极的另一端设置微波辐射窗。
3.根据权利要求1或2所述的一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的低引导磁场产生装置环绕在阳极外以产生轴向引导磁场。
4.根据权利要求3所述的一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的轴向引导磁场的磁场强度不超过0.5T。
5.根据权利要求1所述的一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阳极网电子束透过率大于90%。
6.根据权利要求5所述的一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阴极发射区与阳极网之间的轴向距离为25mm～35mm。
7.根据权利要求6所述的一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阳极和阴极之间的电压为600kV，电流为15kA，引导磁场强度为0.3T，阳极网与微波辐射窗之间的微波传输腔内并位于阳极网之后距离26mm～36mm的位置稳定形成虚阴极。
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