CN106098510A - 一种重频低磁场轴向c波段高功率微波器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，它包括阳极、阴极、引导磁场发生器、慢波结构和同轴内导体，所述的阳极内部设置有发射区和束波互作用区，所述的阴极设置在发射区内，所述的慢波结构和同轴内导体均设置在阳极的束波互作用区内，所述的阴极与同轴内导体同轴，慢波结构与阳极的内侧固定且设置在同轴内导体的外围，重频低磁场轴向C波段高功率微波器件内部抽真空形成一真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕。发射区与束波互作用区之间设置有挡板，挡板上设置有用于引导阴极产生的强流电子束进入束波互作用区的注入口，注入口为环形，环形的直径与阴极直径一致。本发明具有可重频产生C波段高功率微波，束波转换效率高的特点。

Description

一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件
技术领域
本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件。
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，C波段是频率从4.0～8.0GHz的一段频带。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。
高峰值功率、高束波转换效率以及重频发射等是当前高功率微波器件实用化所必须实现的功能。在现有高功率微波各类型的器件中，虚阴极振荡器及渡越时间振荡器是利用金属网来引导电子束进行传导，重频运行下金属网很容易被强流电子束击穿。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不设置金属网的、束波转换效率高的并且可重频产生C波段的重频低磁场轴向C波段高功率微波器件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，它包括阳极、阴极、引导磁场发生器、慢波结构和同轴内导体，所述的阳极内部设置有发射区和束波互作用区，所述的阴极设置在发射区内，所述的慢波结构和同轴内导体均设置在阳极的束波互作用区内，所述的阴极与同轴内导体同轴，慢波结构与阳极的内侧固定且设置在同轴内导体的外围，重频低磁场轴向C波段高功率微波器件内部抽真空形成一真空腔，所述真空腔的真空度不超过10毫帕。
作为优选方式，所述的重频低磁场轴向C波段高功率微波器件由产生脉冲电压700kV，功率10GW的驱动器驱动。
作为优选方式，所述的引导磁场发生器设置在发射区外。
作为优选方式，所述的引导磁场发生器为永磁体或者通电流的螺线管线圈，所述的形成发射区的阳极为圆筒状，引导磁场发生器环绕在圆筒状阳极的外围。采用永磁体技术，可直接抛掉磁场对能源的需求；采用通电的螺线管线圈便于调节磁场强度。
作为优选方式，所述的引导磁场的磁场强度不超过0.5T。更优选地，本发明的引导磁场为轴向磁场，其磁场的磁场强度为0.2T，阴极产生的强流电子束在轴向磁场的低磁场引导下进入束波互作用区（也称为“束波互作用腔”），在束波互作用区强流电子束依靠电子惯性及电磁力轴向传输，并产生高功率微波。低引导磁场可大幅度降低高功率微波源系统（器件）的体积、重量。
作为优选方式，所述的阴极端部设置有一圆环形凸部。
作为优选方式，所述的发射区与束波互作用区之间设置有挡板，所述的挡板的一端与阳极内侧相连，挡板的另一端固定在同轴内导体上；所述的挡板上设置有用于引导阴极产生的强流电子束进入束波互作用区的注入口，注入口为环形，环形的直径与阴极直径一致，环形孔（环形注入口）的宽度为8mm～20mm。在靠近阴极的阳极端面用一与阴极直径一致的环形孔（环形注入口）来引导强流电子束进入束波互作用区（束波互作用腔），该电子束传输通道的狭窄环形孔使得束波互作用形成一准谐振腔（因此，也可将“注入口”称为“谐振腔电子束注入口”），微波无法进入阴极区（即发射区）。
作为优选方式，所述的慢波结构数为5个，5个慢波结构等间距，且5个慢波结构设置在同轴内导体靠近阴极的一端外围。
作为优选方式，所述的5个慢波结构分别为第一慢波结构、第二慢波结构、第三慢波结构、第四慢波结构和第五慢波结构，其中第一慢波结构、第二慢波结构和第三慢波结构构成前三个慢波结构；每个慢波结构之间相距15.7mm（即慢波结构周期长度为15.7mm），其中前三个慢波结构的外径均为200mm，前三个慢波结构的内径均为171mm，第四慢波结构的外径为200mm，内径为174mm，第五慢波结构的外径为200mm，内径为178mm；所述的阳极束波互作用区的内径为200mm，所述的阳极发射区外径为220mm～250mm。
作为优选方式，所述的慢波结构为带有中心孔的盘荷波导。
本发明的有益效果是：本发明具有可重频产生C波段，束波转换效率高的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中，1-阴极，2-引导磁场发生器，3-注入口，4-前三个慢波结构，5-第四慢波结构，6-第五慢波结构，7-同轴内导体。
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，一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，它包括阳极、阴极1、引导磁场发生器2、慢波结构和同轴内导体7，所述的阳极内部设置有发射区和束波互作用区，束波互作用区为一同轴结构，并且微波为同轴波导输出。所述的阴极1设置在发射区内，所述的慢波结构和同轴内导体7均设置在阳极的束波互作用区内，束波互作用区内的同轴内导体7的作用是增加束波转换效率，使得产生微波模式可控，利于微波输出。所述的阴极1与同轴内导体7同轴，慢波结构与阳极的内侧固定且设置在同轴内导体7的外围，重频低磁场轴向C波段高功率微波器件内部抽真空形成一真空腔，所述真空腔的真空度不超过10毫帕。
优选地，所述的重频低磁场轴向C波段高功率微波器件由产生脉冲电压700kV或580kV，功率10GW的驱动器驱动，可重频产生C波段高功率微波。
优选地，所述的引导磁场发生器2设置在发射区外。
优选地，所述的引导磁场发生器2为永磁体或者通电流的螺线管线圈，所述的形成发射区的阳极为圆筒状，引导磁场发生器2环绕在圆筒状阳极的外围。
优选地，所述的引导磁场的磁场强度不超过0.5T。低引导磁场技术可大幅度降低高功率微波源系统（器件）的体积和重量。进一步优选地，引导磁场的磁场强度为0.2T，引导磁场的作用是引导重频强流电子束约束传输至环形孔（即注入口3）。
优选地，所述的阴极1端部设置有一圆环形凸部。圆环形凸部在高电压驱动下产生强流电子束，圆环形凸部的内径和外径分别为150mm和166mm。
优选地，所述的发射区与束波互作用区之间设置有挡板，所述的挡板的一端与阳极内侧相连，挡板的另一端固定在同轴内导体7上；所述的挡板上设置有用于引导阴极1产生的强流电子束进入束波互作用区的注入口3（又可以成为“谐振腔电子束注入口3”），注入口3为环形，环形的直径与阴极1直径一致。注入口3的作用是引导重频强流电子束进入束波互作用区，注入口3的内外径尺寸与环形发射阴极1（即阴极1上设置的圆环形凸部）内外径尺寸一致，在此尺寸下可以对强流电子束进行一定的箍缩作用。
优选地，所述的慢波结构数为5个，5个慢波结构等间距，且5个慢波结构设置在同轴内导体7靠近阴极1的一端外围。
优选地，所述的5个慢波结构分别为第一慢波结构、第二慢波结构、第三慢波结构、第四慢波结构5和第五慢波结构6，其中第一慢波结构、第二慢波结构和第三慢波结构构成前三个慢波结构4；每个慢波结构之间相距15.7mm（即慢波结构周期长度为15.7mm），其中前三个慢波结构4的外径均为200mm，前三个慢波结构4的内径均为171mm，第四慢波结构5的外径为200mm，内径为174mm，第五慢波结构6的外径为200mm，内径为178mm；所述的阳极束波互作用区的内径为200mm，所述的阳极发射区外径为220mm～250mm。优选地，所述的慢波结构为带有中心孔的盘荷波导。在束波互作用区设置前三个慢波结构4、第四慢波结构5和第五慢波结构6，由于束波互作用区无引导磁场，因此强流电子束不可能轴向传输距离太长，前三个慢波结构4的尺寸可以使电压700kV或者580kV，功率10GW的电子束快速起振，并完成束波能量转换；第四慢波结构5的作用是使束波互作用区中能量转换区（前三个慢波结构4所在的区域）与微波提取区（第五慢波结构6所在的区域）的转换，确保微波高效提取的平稳过渡；第五慢波结构6的作用是对微波能量进行高效提取。
本发明利用低至0.2T的引导磁场将强流电子束从阴极1发射区引导至束波互作用区端面，在束波互作用区无引导磁场。在靠近阴极1的束波互作用区端面用一与阴极1直径一致的环形孔来引导强流电子束进入束波互作用区（也称“束波互作用腔”），该电子束传输通道的狭窄环形孔使得束波互作用形成一准谐振腔，微波无法进入阴极1区。强流电子束依靠惯性及电磁场力在束波互作用腔内轴向传输，在同轴慢波结构内传输的过程中将电子束能量转换为微波能量，束波转换效率达到50%。通过本发明，实现了轴向高功率微波器件高峰值功率、高束波转换效率、低磁场和重频产生的功能。
本发明的优选实施过程是：用真空获得装置将高效重频低磁场轴向C波段高功率微波器件内的真空度处理到毫帕量级。阴阳极之间施加电压700kV或者10GW的高电压，阴极1发射强流电子束在轴向磁场强度0.5T或者0.2T的引导下到达谐振腔电子束注入口3。电子束在惯性及电磁场力作用下在束波互作用区轴向传输，强流电子束在束波互作用区前三个慢波结构4作用下，电子束能量高效转换为微波能量。高功率微波在提取区（或称提取腔或第五慢波结构6所在的区域）及同轴内导体7的作用下，同轴传输出去。
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 (10)

1.一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：它包括阳极、阴极、引导磁场发生器、慢波结构和同轴内导体，所述的阳极内部设置有发射区和束波互作用区，所述的阴极设置在发射区内，所述的慢波结构和同轴内导体均设置在阳极的束波互作用区内，所述的阴极与同轴内导体同轴，慢波结构与阳极的内侧固定且设置在同轴内导体的外围，重频低磁场轴向C波段高功率微波器件内部抽真空形成一真空腔，所述真空腔的真空度不超过10毫帕。
2.根据权利要求1所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的重频低磁场轴向C波段高功率微波器件由产生脉冲电压700kV，功率10GW的驱动器驱动。
3.根据权利要求2所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的引导磁场发生器设置在发射区外。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的引导磁场发生器为永磁体或者通电流的螺线管线圈，所述的形成发射区的阳极为圆筒状，引导磁场发生器环绕在圆筒状阳极的外围。
5.根据权利要求4所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的引导磁场的磁场强度不超过0.5T。
6.根据权利要求1所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的阴极端部设置有一圆环形凸部。
7.根据权利要求1或6所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的发射区与束波互作用区之间设置有挡板，所述的挡板的一端与阳极内侧相连，挡板的另一端固定在同轴内导体上；所述的挡板上设置有用于引导阴极产生的强流电子束进入束波互作用区的注入口，注入口为环形，环形的直径与阴极直径一致。
8.根据权利要求1所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的慢波结构数为5个，5个慢波结构等间距，且5个慢波结构设置在同轴内导体靠近阴极的一端外围。
9.根据权利要求8所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的5个慢波结构分别为第一慢波结构、第二慢波结构、第三慢波结构、第四慢波结构和第五慢波结构，其中第一慢波结构、第二慢波结构和第三慢波结构构成前三个慢波结构；每个慢波结构之间相距15.7mm，其中前三个慢波结构的外径均为200mm，前三个慢波结构的内径均为171mm，第四慢波结构的外径为200mm，内径为174mm，第五慢波结构的外径为200mm，内径为178mm；所述的阳极束波互作用区的内径为200mm，所述的阳极发射区外径为220mm～250mm。
10.根据权利要求8或9所述的一种重频低磁场轴向C波段高功率微波器件，其特征在于：所述的慢波结构为带有中心孔的盘荷波导。
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