CN106449337A - 一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源，提供一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、反射器、输出波导、螺线管磁场，在锥形波导之后设置厂字形收集极，在截止颈和慢波结构之间有阶梯型反射腔，在慢波结构末端和锥形波导之间还设置有双提取腔。本发明克服通常相对论返波振荡器难以兼顾输出微波脉宽长、功率转换效率高，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现脉宽大于100ns、效率大于40％、功率6GW的微波输出，且该高功率微波源结构紧凑、易于重复频率运行。

Description

一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器。
背景技术
目前，高功率微波(通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波)在定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等国防和工业领域得到广泛应用。
高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，其运行是基于电子束的相干辐射。相对论返波振荡器作为一种发展较为成熟的高功率微波源，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点，受到国际上广大科研人员的关注。提高相对论返波振荡器的单脉冲能量及平均功率水平是高功率微波领域发展的重要目标，通常可以通过提高器件峰值功率、重复频率和脉冲宽度三方面来实现。相关研究表明单一相对论返波振荡器的峰值功率水平很难大幅度提高，而重复频率运行频率要达到或超过kHz水平也非常困难。因此，延长输出微波的脉冲宽度成为相对论返波振荡器研究方向提高器件单脉冲能量和平均功率水平的重要手段。
研究长脉冲相对论返波振荡器具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【Jun Zhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-DeZhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,and Liu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With RepetitiveOperation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】(以下称为现有技术1)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、输出波导以及螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。为了叙述方便，下文中将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。其中慢波结构由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，第5个慢波叶片具有较大的最大外半径，5个慢波叶片的长度L1相同。输出波导为内半径为R7的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该器件结构简单，有利于高功率微波的稳定输出，并且器件采用较大半径的输出波导收集残余电子，降低了收集处电子的密度，减少了因电子轰击输出波导内壁而产生的二次电子的数量，进而削弱了等离子体对微波产生的影响，有利于实现长脉冲运行。实验结果表明，微波输出功率达到1GW，脉宽100ns，频率为3.6GHz。但是该器件功率转换效率较低，仅为20％，低于常规相对论返波振荡器的30％左右的功率转换效率。输出同样功率的微波，较低功率转换效率要求脉冲驱动源注入更高的电功率，故对脉冲驱动源的驱动能力提出较高要求，不利于其结构的紧凑化。因此，该技术方案不能实现长脉冲相对论返波振荡器的高效率运行，不 利于实现高功率微波系统的小型化和紧凑化。
提高相对论返波振荡器的功率转换效率有多种途径，例如采用非均匀慢波结构、加入谐振腔、采用等离子体加载等。【刘国治，陈昌华，张玉龙，同轴引出相对论返波管，强激光与粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】(以下称为现有技术2)中公布了一种同轴引出相对论返波振荡器的结构。该结构中慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，第9个慢波叶片具有较大的最大外半径，9个慢波叶片的长度L1相同。该同轴引出相对论返波管还包括一个圆柱形的同轴提取结构，在同轴提取结构左端面挖有环形凹槽，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构和输出波导的连接方式没有交代。粒子模拟结果得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45％。但是在对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件慢波结构采用9个慢波叶片，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，影响器件的工作。由于同轴提取结构位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于相对论返波振荡器长脉冲、重复频率工作。
因此，尽管人们已经开始研究长脉冲或高效率相对论返波振荡器，但很少见到成熟且简单易行的方案，尤其是同时实现长脉冲、高效率相对论返波振荡器的技术方案尚未有公开报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器，克服通常相对论返波振荡器难以兼顾输出微波脉宽长、功率转换效率高，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现脉宽大于100ns、效率大于40％的微波输出，且该高功率微波源结构紧凑、易于重复频率运行。
本发明的技术方案是：
一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、阶梯型反射腔310、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308、第一提取腔311a、第二提取腔311b、厂字形收集极312、反射器313，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体；
阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，内半径R1等于电子束的半径，套在阴极座301右端；截止颈304呈圆盘状，内半径为R2，R2>R1，具体尺寸需要根据工作波长λ优化设计；阶梯型反射腔310左侧台阶的半径R11和宽度L5分别小于右侧台阶的半径R12和 宽度L6，L5一般取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，L6一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍；慢波结构305由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，其中，5个慢波叶片的内半径R4均相同，第1个慢波叶片的外半径R3最小，第2个慢波叶片的外半径R6＞R3，后3个慢波叶片的外半径R13＞R6，第1个慢波叶片的长度L1最大，第2个慢波叶片的长度L7＜L1，后3个慢波叶片的长度L8＜L7，L1一般取值为工作波长λ的0.5-0.6倍，L7一般取值为工作波长的0.45至0.55倍，L8一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍；在慢波结构305和锥形波导306之间设置有2个形状均为圆盘状的提取腔——第一提取腔311a和第二提取腔311b，第一提取腔311a的半径R14大于第二提取腔311b的半径R15，第一提取腔311a的宽度L9等于第二提取腔311b的宽度L10，L9、L10均为工作波长的0.1至0.2倍；锥形波导306的左侧半径为R16，右侧半径为R17，R16＜R17，长度为L2，L2一般取值为工作波长λ的1-1.1倍；锥形波导306之后接厂字形收集极312，厂字形收集极312的外半径等于锥形波导306的右侧半径R17，R17小于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R13，厂字形收集极312上端封闭处宽度L11为工作波长的0.85至0.95倍，下端敞口处的宽度L12为工作波长的0.6至0.7倍，厂字形收集极312右侧下端斜面的宽度L13为工作波长的0.4至0.5倍，厂字形收集极312右侧上端斜面的宽度L14为工作波长的0.8至0.9倍；厂字形收集极312与输出波导307之间设置反射器313，反射器313的内半径R20小于阴极302半径R1，反射器313下端的宽度L15是工作波长的1.2至1.3倍，反射器313右侧斜边的宽度L16是工作波长的0.85至0.95倍；输出波导307为内半径为R7的圆波导，R7>R17。输出波导307的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计仿真得到天线的具体结构，由于是通用方法，不存在技术秘密。
进一步地，所述阴极座301、阳极外筒303、截止颈304、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、厂字形收集极312、反射器313均采用无磁不锈钢或无氧铜或钛或钼等金属材料制成，阴极302采用石墨或无磁不锈钢材料或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板等材料制成，螺线管磁场308采用铜线或铝线绕制而成。
本发明的工作原理是：阴极产生的相对论电子束与由慢波结构决定的TM01模式的电磁波进行束波相互作用，产生高功率微波经由输出波导辐射出去。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
(1)采用厂字形收集极，主要作用如下：
(a)厂字形收集极利用下端敞口处引入电子束，利用上端封闭处的内壁收集残余电子束。经过束波相互作用，电子束因失去能量(交给微波场)速度降低，又加上收集极半径较大，故残余电子抵达收集极内壁时已经发散，轰击收集极内壁的电子密度明显降低。因此，可以 削弱因电子束轰击内壁产生的二次电子对输出微波脉宽的影响，抑制脉冲缩短现象，有利于实现长脉冲；
(b)通过调节厂字形收集极上端、下端的宽度以及右侧两段斜面的宽度，可以改变高功率微波源末端的不连续性调节相位，增强电子束与电磁波之间的相互作用。从图5～8中可见，调节厂字形收集极上端、下端的宽度以及右侧两段斜面的宽度，能对束波作用产生具有最优效果的峰值。
(2)采用1个阶梯状反射腔，主要作用如下：
(a)经优化设计后的阶梯状反射腔对向二极管区方向传输的微波的反射系数为1，即可实现全反射。从图9中可见，阶梯状反射腔对中心频率为3.8GHz的反射系数为1。
(b)经优化设计，电子束距离谐振腔的径向距离经优化可以更大，既能避免电子束刮擦或轰击前置谐振腔，又能削弱腔体表面的射频场强度，因而可以有效削弱由于阴极等离子体的径向膨胀而造成的微波脉宽缩短，有利于实现长脉冲微波输出。从图10可见，实验后，输出微波脉宽超过120ns，基本无脉冲缩短。
(c)可以对电子束进行较为充分的预调制，有利于随后的束波相互作用，提高器件功率转换效率。与采用多个反射腔相比，利用1个阶梯状谐振腔带来的固有振荡模式较少，不容易产生模式竞争，且有利于器件小型化。
(3)采用2个提取腔，主要作用如下：
(a)群聚良好的电子束靠近提取腔时，电子束的势能迅速降低，电子束动能迅速增大，即被加速，这意味着电子束可以进一步把能量交给微波场，有利于提高功率转换效率；
(b)优化后的提取腔内表面具有较强的轴向电场，可以与电子束发生相互作用，使电子束把能量交给微波场，提高功率转换效率。从图11～12中可见，调节提取腔的宽度，能对束波作用产生具有最优效果的峰值。
(c)优化后的提取腔有利于提高腔体的品质因素，在谐振条件下能提高束波作用效率，可在慢波叶片个数较少的情况下实现高效的微波激励，确保实现小型化和高效率。
(4)采用反射器，通过调节反射器下端的宽度和斜面的宽度，可以改变高功率微波源末端的不连续性调节相位，增强电子束与电磁波之间的相互作用。从图13～14中可见，调节反射器下端的宽度和斜面的宽度，能对束波作用产生具有最优效果的峰值。
(5)采用非均匀慢波结构，通过增大波纹深度和减少慢波叶片长度降低结构波的相速度，使其与因把能量交给微波场而被减速的电子的速度继续保持同步，使电子持续交出能量，进而提高束波作用效率；在前2个慢波叶片处，器件工作在π模附近的返波状态，有利于束波相互作用；在后3个慢波叶片处，器件工作在π模附近的行波状态，便于将器件内部激励的微波提取出来。
附图说明
图1为背景介绍中现有技术1公开的相对论返波振荡器的结构示意图；
图2为背景介绍中现有技术2公开的相对论返波振荡器的结构示意图；
图3为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的剖面图；
图4为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的立体剖面图；
图5为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的厂字形收集极上端封闭处的宽度L11对输出微波效率的影响结果示意图；
图6为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的厂字形收集极下端敞口处的宽度L12对输出微波效率的影响结果示意图；
图7为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的厂字形收集极右侧下端斜面的宽度L13对输出微波效率的影响结果示意图；
图8为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的厂字形收集极右侧上端斜面的宽度L14对输出微波效率的影响结果示意图；
图9为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的工作模式TM01模式的反射特性分析；
图10为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的实验波形；
图11为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的第一个提取腔的宽度L9对输出微波效率的影响结果示意图；
图12为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的第二个提取腔的宽度L10对输出微波效率的影响结果示意图；
图13为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的反射器下端的宽度L15对输出微波效率的影响结果示意图；
图14为本发明提供的具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的反射器斜面的宽度L16对输出微波效率的影响结果示意图；
具体实施方式
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有技术1中公布的长脉冲相对论返波振荡器的结构示意图。该结构由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、截止颈104、慢波结构105、锥形波导106、输出波导107、螺线管磁场108组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构5由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，最大外半径为R3，最小内半径为R4；第5个慢波叶片最大外半径为R3，最小内半径为R5，平均半径为R6，满足R3>R6>R5>R4，5个慢波叶片的长度L1相同。输出波导107为内半径为R7的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该方案结构简单，实验中实现了脉宽为100ns的长脉冲高功率微波输出，这对于研制长脉冲相对论返波振荡器有重要借鉴意义。但是该器件功率转换效率较低，仅为20％，低于通常相对论返波振荡器的30％的功率转换效率，不能实现长脉冲相对论返波振荡器的高效率运行，不利于高功率微波系统的小型化和紧凑化，影响其应用范围的拓展。
图2为现有技术2中公布的高效率相对论返波振荡器的结构示意图。虽然该论文公布了该结构的组成，但该结构只是初步建立的数值仿真模型，没有具体技术方案。该结构由阴极座201、阴极202、阳极外筒203、截止颈204、慢波结构205、锥形波导206、输出波导207、螺线管磁场208、同轴提取结构209组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构205由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，最大外半径为R3，最小内半径为R4；第9个慢波叶片最大外半径为R3，最小内半径为R5，平均半径为R6，满足R3>R6>R5>R4。9个慢波叶片的长度L1相同。输出波导为内半径为R7的圆波导。同轴提取结构9为外半径为R8的圆柱，在同轴提取结构209左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径R9和外半径R10满足R10>R1>R9，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构209和输出波导207的连接方式没有交代。利用该方案建立仿真模型，通过模拟得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45％(高于通常相对论返波振荡器的30％的功率转换效率)，这对于研制高效率相对论返波振荡器有重要借鉴意义。但是，对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件采用9个慢波结构205，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构209左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导207内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，进而影响器件内部束波作用过程，引起脉冲缩短。由于同轴提取结构209位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于相对论返波振荡器长脉冲、重复频率工作。
图3为本发明具有厂字型收集极的高功率微波源优选实施例的A-A剖视结构示意图，图4为本实施方式的A-A剖视立体示意图。本发明由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、阶梯型反射腔310、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308、第一提取腔311a、第二提取腔311b、厂字形收集极312、反射器313组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。
阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体。 阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，在本实施例中取值为0.1mm，内半径R1等于电子束的半径，套在阴极座301右端。截止颈304呈圆盘状，内半径为R2，R2>R1，具体尺寸需要根据工作波长λ优化设计。
阶梯型反射腔310左侧台阶的半径R11和宽度L5分别小于右侧台阶的半径R12和宽度L6；L5一般取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，在本实施例中L5为工作波长λ的四分之一；L6一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍，在本实施例中L6为工作波长λ的二分之一。
慢波结构305由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构。其中，5个慢波叶片的内半径R4均相同；第1个慢波叶片的外半径R3最小，第1个慢波叶片的外半径R6＞R3，后3个慢波叶片的外半径R13＞R6；第1个慢波叶片的长度L1最大，第2个慢波叶片的长度L7＜L1，后3个慢波叶片的长度L8＜L7。L1一般取值为工作波长λ的0.5-0.6倍，L7一般取值为工作波长的0.45至0.55倍，L8一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍。在本实施例中，L1为工作波长λ的0.54倍，L7为工作波长λ的0.49倍，L8为工作波长λ的0.46倍。相邻慢波叶片之间可以通过台阶座连接或螺纹连接实现紧密配合。
在所述慢波结构305和锥形波导306之间还设置有2个形状为圆盘状的提取腔——第一提取腔311a和第二提取腔311b，第一提取腔311a的半径R14大于第二提取腔311b的半径R15，第一提取腔311a的宽度L9等于第二提取腔311b的宽度L10，L9、L10均为工作波长的0.1至0.2倍；。在本实施例中，L9、L10均为工作波长λ的0.13倍。
锥形波导306的左侧半径为R16，右侧半径为R17，R16＜R17，长度为L2，L2一般取值为工作波长λ的1-1.1倍，在本实施例中L2为工作波长λ的1.05倍。
锥形波导306之后接厂字形收集极312，厂字形收集极312的外半径等于锥形波导306的右侧半径R17，R17小于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R13。所述厂字形收集极312上端封闭处宽度L11为工作波长的0.85至0.95倍，在本实施例中L11等于工作波长λ的0.9倍；下端的敞口处宽度L12为工作波长的0.6至0.7倍，在本实施例中L12等于工作波长λ的0.65倍；所述厂字形收集极312右侧下端斜面的宽度L13为工作波长的0.4至0.5倍，在本实施例中L13等于工作波长λ的0.47倍；所述厂字形收集极312右侧上端斜面的宽度L14为工作波长的0.8至0.9倍，在本实施例中L14等于工作波长λ的0.87倍。
厂字形收集极312与输出波导307之间设置反射器313，反射器313的内半径R20小于阴极302半径R1。所述反射器313下端的宽度L15范围是工作波长的1.2至1.3倍，在本实施例中L15等于工作波长λ的1.27倍；所述反射器313右侧斜边的宽度L16是工作波长的0.85至0.95倍，在本实施例中L16等于工作波长λ的0.89倍。
输出波导307为内半径为R7的圆波导，R7>R17。
截止颈304、阶梯型反射腔310、慢波结构305、双提取腔311、厂字形收集极312、锥形波导306、反射器313与输出波导307之间通过螺纹连接或台阶座连接固定后，从阳极外筒303的右侧、沿轴向、紧贴阳极外筒303的内壁，嵌入阳极外筒303并固定。截止颈304左端面的外侧与阳极外筒303紧密接触提供第一支撑点，厂字形收集极312外侧通过法兰与阳极外筒303连接提供第二支撑点并起到沿轴向定位的作用。输出波导307的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计仿真得到天线的具体结构，，由于是通用方法，不存在技术秘密。本发明运行时，阴极302产生的相对论电子束与由慢波结构305决定的TM01模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波经由输出波导307辐射出去。
进一步地，所述阴极座301、阳极外筒303、截止颈304、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、厂字形收集极312、反射器313采用无磁不锈钢或无氧铜或钛或钼等金属材料制成，阴极302采用石墨或无磁不锈钢或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板制成，螺线管磁场308采用铜线或铝线绕制而成。
本实施例实现了中心频率为3.8GHz(对应微波波长λ＝7.9cm)的具有厂字型收集极的高功率微波源(相应的尺寸设计为：R1＝40mm，R2＝51mm，R3＝52mm，R4＝47mm，R6＝54mm，R7＝64mm，R11＝63mm，R12＝69mm，R13＝59mm，R14＝70mm，R15＝65mm，R16＝45mm，R17＝57mm，R18＝47mm，R19＝43mm，L1＝43mm，L5＝20mm，L6＝39mm，L7＝39mm，L8＝36mm，L9＝10mm，L10＝10mm，L11＝72mm，L12＝51mm，L13＝37mm，L14＝69mm，L15＝100mm，L16＝70mm)。粒子模拟中，在二极管电压860kV、电流16.3kA、导引磁场1.9T的条件下，输出微波功率6GW，功率转换效率42.8％，脉宽132ns(电脉宽155ns)。由上述结果可知，本发明克服了通常相对论返波振荡器只能单一追求高效率或长脉冲的缺点，能同时兼顾100ns以上长脉冲和40％以上高效率高功率微波输出，并且实现了结构的小型化，对于设计该类型器件具有重要的借鉴意义。
参见图5，可知厂字形收集极上端封闭处的宽度L11对输出微波效率存在影响，随着L11增大能使输出微波效率先增大后减小，当L11＝72mm时达到最高输出效率。
参见图6，可知厂字形收集极下端敞口处的宽度L12对输出微波效率存在影响，随着L12增大能使输出微波效率先增大后减小，当L12＝51mm时达到最高输出效率。
参见图7，可知厂字形收集极右侧下端斜面的宽度L13对输出微波效率存在影响，随着L13增大能使输出微波效率先增大后减小，当L13＝37mm时达到最高输出效率。
参见图8，可知厂字形收集极右侧上端斜面的宽度L14对输出微波效率存在影响，随着L14增大能使输出微波效率先增大后减小，当L14＝69mm时达到最高输出效率。
参见图9，可知经优化设计后的阶梯状反射腔对向二极管区方向传输的中心频率为3.8GHz微波的反射系数为1，即可实现全反射。
参见图10，可知合理优化设计阶梯型反射腔，既能避免电子束刮擦或轰击前置谐振腔，又能削弱腔体表面的射频场强度，有利于实现长脉冲微波输出，实验得到输出微波脉宽超过120ns，基本无脉冲缩短。
参见图11，可知具有厂字型收集极的高功率微波源第1个提取腔的宽度L9对输出微波效率存在影响，随着L9增大能使输出微波效率先增大后减小，当L9＝10mm时达到最高输出效率。
参见图12，可知具有厂字型收集极的高功率微波源第2个提取腔的宽度L10对输出微波效率存在影响，随着L10增大能使输出微波效率先增大后减小，当L10＝10mm时达到最高输出效率。
参见图13，可知具有厂字型收集极的高功率微波源的反射器下端的宽度L15对输出微波效率存在影响，随着L15增大能使输出微波效率先增大后减小，当L15＝100mm时达到最高输出效率。
参见图14，可知具有厂字型收集极的高功率微波源的反射器斜面的宽度L16对输出微波效率存在影响，随着L16增大能使输出微波效率先增大后减小，当L16＝70mm时达到最高输出效率。
当然，在本优选实施例中，截止颈304、阶梯型反射腔310、慢波结构305、双提取腔311、厂字形收集极312、锥形波导306、反射器313与输出波导307之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (3)

1.一种具有厂字型收集极的相对论返波振荡器，其特征在于：所述振荡器包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、阶梯型反射腔(310)、慢波结构(305)、锥形波导(306)、输出波导(307)、螺线管磁场(308)、第一提取腔(311a)、第二提取腔(311b)、厂字形收集极(312)、反射器(313)，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座(301)左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体；
阴极(302)是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，内半径R1等于电子束的半径，套在阴极座(301)右端；截止颈(304)呈圆盘状，内半径为R2，R2>R1；阶梯型反射腔(310)左侧台阶的半径R11和宽度L5分别小于右侧台阶的半径R12和宽度L6，L5一般取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，L6一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍；慢波结构(305)由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，其中，5个慢波叶片的内半径R4均相同，第1个慢波叶片的外半径R3最小，第2个慢波叶片的外半径R6＞R3，后3个慢波叶片的外半径R13＞R6，第1个慢波叶片的长度L1最大，第2个慢波叶片的长度L7＜L1，后3个慢波叶片的长度L8＜L7，L1一般取值为工作波长λ的0.5-0.6倍，L7一般取值为工作波长的0.45至0.55倍，L8一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍；在慢波结构(305)和锥形波导(306)之间设置有2个形状均为圆盘状的提取腔——第一提取腔(311a)和第二提取腔(311b)，第一提取腔(311a)的半径R14大于第二提取腔(311b)的半径R15，第一提取腔(311a)的宽度L9等于第二提取腔(311b)的宽度L10，L9、L10均为工作波长的0.1至0.2倍；锥形波导(306)的左侧半径为R16，右侧半径为R17，R16＜R17，长度为L2，L2一般取值为工作波长λ的1-1.1倍；锥形波导(306)之后接厂字形收集极(312)，厂字形收集极(312)的外半径等于锥形波导(306)的右侧半径R17，R17小于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R13，厂字形收集极(312)上端封闭处宽度L11为工作波长的0.85至0.95倍，下端敞口处的宽度L12为工作波长的0.6至0.7倍，厂字形收集极(312)右侧下端斜面的宽度L13为工作波长的0.4至0.5倍，厂字形收集极(312)右侧上端斜面的宽度L14为工作波长的0.8至0.9倍；厂字形收集极(312)与输出波导(307)之间设置反射器(313)，反射器(313)的内半径R20小于阴极(302)半径R1，反射器(313)下端的宽度L15是工作波长的1.2至1.3倍，反射器(313)右侧斜边的宽度L16是工作波长的0.85至0.95倍；输出波导(307)为内半径为R7的圆波导，R7>R17。
2.根据权利要求1所述具有厂字型收集极的相对论返波振荡器，其特征在于：所述阴极座(301)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、慢波结构(305)、锥形波导(306)、输出波导(307)、厂字形收集极(312)、反射器(313)均采用无磁不锈钢或无氧铜或钛或钼制成，阴极(302)采用石墨或无磁不锈钢材料或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板制成，螺线管磁场(308)采用铜线或铝线绕制而成。
3.根据权利要求1或2所述具有厂字型收集极的相对论返波振荡器，其特征在于：所述振荡器的参数如下，工作波长λ＝7.9cm，R1＝40mm，R2＝51mm，R3＝52mm，R4＝47mm，R6＝54mm，R7＝64mm，R11＝63mm，R12＝69mm，R13＝59mm，R14＝70mm，R15＝65mm，R16＝45mm，R17＝57mm，R18＝47mm，R19＝43mm，L1＝43mm，L5＝20mm，L6＝39mm，L7＝39mm，L8＝36mm，L9＝10mm，L10＝10mm，L11＝72mm，L12＝51mm，L13＝37mm，L14＝69mm，L15＝100mm，L16＝70mm。
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