CN108807111A - 一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，包括阳极外筒、设置在阳极外筒内且与阳极外筒共轴的同轴内导体，所述阳极外筒与同轴内导体形成一封闭谐振腔，所述阳极外筒的一端设置有引导强流电子束进入谐振腔内的环形孔，谐振腔内的电子束进行轴向传输时，在径向电场力和束流自身形成的磁场箍缩力共同作用下电子束直径出现周期性振荡变化，产生自激振荡高功率微波辐射，器件产生高功率微波的过程不需要外加引导磁场对电子束进行调控。本发明利用强流环形电子束在特定结构参数同轴谐振腔内的传播特性，实现了在无引导磁场情况下，强流环形电子束的径向自激振荡并产生高功率微波辐射，该高功率微波器件不需要外加引导磁场。

Description

一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件
技术领域
本发明属于高功率微波器件技术领域，具体涉及一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件。
背景技术
高功率微波(HPM)一般是指峰值功率在100MW以上、工作频率为 1～300GHz 范围内的电磁波。高功率微波技术和微波器件的研究与发展已有30多年的历史，近几年来，随着脉冲功率技术和等离子体物理的不断发展，高功率微波技术发展迅速，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展。到目前为止，其功率水平相比普通微波源已提高了几个量级，在多个科学领域得到广泛的应用，从而也使高功率微波成为一门新技术，它借助于现代强相对论电子束技术的巨大功率和能量储备能力正向着更短波长和超高功率的方向发展。
到目前为止，高功率微波的发展已经走过了单一功率追求的单纯性新概念探索的阶段，研究重点已经转移到与高功率微波实际应用有关的更为细致的技术上。其中，提高高功率微波源系统产生效率和单脉冲能量、系统小型化、集成化设计以及发展智能型高功率微波装置是目前高功率微波源技术的主要研究内容。高功率微波器件的进一步实用化是小型化。因此摆脱高功率微波器件的引导磁场系统是高功率微波器件应用发展的主要方向。
发明内容
本发明公开了一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，利用强流环形电子束在特定结构参数同轴谐振腔内的传播特性，实现了在无引导磁场情况下，强流环形电子束的径向自激振荡并产生高功率微波辐射。
本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：
一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于包括阳极外筒、设置在阳极外筒内且与阳极外筒共轴的同轴内导体，所述阳极外筒与同轴内导体形成一封闭谐振腔，所述阳极外筒的一端设置有引导强流电子束进入谐振腔内的环形孔，谐振腔内的电子束进行轴向传输时，在径向电场力和束流自身形成的磁场箍缩力共同作用下电子束直径出现周期性振荡变化，产生自激振荡高功率微波辐射，器件产生高功率微波的过程不需要外加引导磁场对电子束进行调控。
在上述技术方案中，所述谐振腔包括预调制谐振腔，所述预调制谐振腔在电子束进行自激振荡前进行预调制，并提高微波输出效率。
在上述技术方案中，预调制谐振腔包括用于引导电子束轴向传输的金属薄片，所述金属薄片垂直设置在阳极外筒内壁和同轴内导体上。
在上述技术方案中，电子束的往复自激振荡在磁场箍缩力和电场力平衡的状态下发生。
在上述技术方案中，所述谐振腔端面设置有环形孔，电子束经环形孔并通过阴阳极之间的电场力传输至谐振腔内，所述环形孔能使电子束重频进入谐振腔内并产生重频高功率微波。。
在上述技术方案中，所述同轴内导体设置有用于增强电子束箍缩效应的凸起结构，所述凸起结构能使电子束在该位置实现稳定的径向振荡，实现频率稳定的高功率微波产生。
在上述技术方案中，所述谐振腔内设置有强流电子束吸收体，所述强流电子束吸收体与同轴内导体相互垂直连接，并且强流电子吸收体与同轴内导体等电位。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明中的电子束径向振荡周期与电子束参数以及谐振腔结构参数密切相关，可以通过调整谐振腔结构改变强流电子束自激振荡周期，从而调整输出高功率微波频率。
本发明中的同轴谐振腔可以采用谐振腔链的结构形式，以延伸强流电子束的轴向传输路径，提高微波的输出效率。
发明的器件不需要外加引导磁场，强流电子束依靠阴阳极之间的电场力传输进入同轴谐振腔内，同轴谐振腔内的环形强流电子束通过自激振荡机制辐射微波。
附图说明
图1为无磁场电子束自激辐射高功率微波器件的正面剖视图。
图2为带有谐振腔链的电子束无磁场电子束自激辐射高功率微波器件的正面剖视图。
其中：1、阳极外筒，2、环形孔，3、自激振荡的电子束，4、同轴内导体，5、强流电子束吸收体，6、金属薄片，7、凸起结构。
具体实施方式
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。
如图1所示的无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，包括阳极外筒、设置在阳极外筒内且与阳极外筒共轴的同轴内导体，阳极外筒与同轴内导体共同形成一封闭的谐振腔。
阳极外筒的一端设置有环形孔，环形孔在谐振腔的端面，该环形孔用于将阴极发射的强流电子束引导进入谐振腔内，在谐振腔内以环形的方式进行传输，并且屏蔽、吸收发散的电子。环形结构的孔还能够使得电子束重频进入谐振腔内并产生重频高功率微波。
强流环形电子束经过阳极环形孔在同轴谐振腔内进行轴向传输时，电子束在封闭谐振腔内受到径向电场的静电排斥力和束流自身形成的磁场箍缩力共同作用下，电子束直径产生周期性振荡变化，电子束在谐振腔内的自激振荡路径从图1中可以看出。刚开始时，强流电子束依靠阴阳极之间的电场力传输进入同轴谐振腔内，不需要外加引导磁场。电子束进入谐振腔后，电子束的自磁场及谐振腔内的同轴内导体诱导引起电子束的箍缩聚焦（即磁场箍缩力由电子束自磁场和同轴内导体诱导产生），导致环形电子束一进入谐振腔便开始向中心箍缩。随着电子不断地向中心漂移，电子受到的电场静电排斥力不断增大。当电场静电排斥力大于磁场箍缩力时，电子向内速度开始减小；当电子向内速度减速为零时，电子开始往外作加速运动。当运动到磁场箍缩力大于电场静电排斥力时，电子向外速度开始减小；当电子向外速度减速为零时，电子开始往内作加速运动。这样，电子在平衡位置（即在电场静电排斥力和磁场箍缩力相等的地方）附近不断的进行周期性往复自激振荡，从而产生自激振荡高功率微波辐射。
谐振腔内还设置有强流电子束吸收体，用于吸收电子束。强流电子束吸收体与同轴内导体相垂直连接，并且二者等电位。强流电子束吸收体与阳极外筒交错排列，强流电子束吸收体的边缘与阳极外筒的内壁靠近但不接触，这样二者就形成一近似封闭的谐振腔，电子束自激振荡产生的高功率微波从强流电子束吸收体与阳极外筒之间的缝隙耦合进入同轴波导内进行微波传输提取。
同轴内导体的表面设置连接有凸起结构，用于增强电子束的箍缩效应，使电子束可以在凸起结构位置附近实现稳定的径向振荡，从而实现频率稳定的高功率微波产生。
谐振腔可采用谐振腔链的结构形式，用于延伸强流电子束的轴向传输路径，并提高微波输出效率。如图2所示的带有谐振腔链的电子束自激辐射高功率微波器件，包括多个预调制谐振腔，预调制谐振腔的数量以及结构参数与器件整体参数、电子束参数以及输出高功率微波参数密切相关。预调制谐振腔在电子束进行自激振荡时提前施加一个预调制，每个预调制腔包括垂直设置在阳极外筒内壁和同轴内导体上垂直设置的金属薄片，金属薄片在电子束轴向传输路径上设置，用于引导电子束的轴向传输。图2中的器件带有一个预调制谐振腔，预调制谐振腔的具体数量可以根据实际情况进行设置.
实施例一
如图1所示，器件阳极外筒及同轴内导体均为无磁不锈钢，电子束注入环形孔内半径为3.2cm，外半径3.8cm，谐振腔轴向长度为8.0cm，同轴内导体直径为1.8cm，同轴内导体诱导电子束凸起结构的直径为4.8cm。电压为750kV，电流强度为25kA环形强流电子束在谐振腔内可产生频率为1.69GHz的高功率微波。
实施例二
在实施例一的基础上通过增加谐振腔链来提高微波输出效率的器件结构。带有谐振腔链的电子束自激辐射高功率微波器件中的谐振腔链长度为3.6cm，金属薄片构成的电子束传输通道内径为2.2cm。通过在电子束传输路径上增加谐振腔，可以在图1器件结构基础上提高微波输出效率约5%。
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.种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于包括阳极外筒、设置在阳极外筒内且与阳极外筒共轴的同轴内导体，所述阳极外筒与同轴内导体形成一封闭谐振腔，所述阳极外筒的一端设置有引导强流电子束进入谐振腔内的环形孔，谐振腔内的电子束进行轴向传输时，在径向电场力和束流自身形成的磁场箍缩力共同作用下电子束直径出现周期性振荡变化，产生自激振荡高功率微波辐射，器件产生高功率微波的过程不需要外加引导磁场对电子束进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于所述谐振腔包括预调制谐振腔，所述预调制谐振腔在电子束进行自激振荡前进行预调制，并提高微波输出效率。
3.根据权利要求2所述的一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于预调制谐振腔包括用于引导电子束轴向传输的金属薄片，所述金属薄片垂直设置在阳极外筒内壁和同轴内导体上。
4.根据权利要求1所述的一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于电子束的往复自激振荡在磁场箍缩力和电场力平衡的状态下发生。
5.根据权利要求1所述的一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于所述谐振腔端面设置有环形孔，电子束经环形孔并通过阴阳极之间的电场力传输至谐振腔内，所述环形孔能使电子束重频进入谐振腔内并产生重频高功率微波。
6.根据权利要求1所述的一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于所述同轴内导体设置有用于增强电子束箍缩效应的凸起结构，所述凸起结构能使电子束在该位置实现稳定的径向振荡，实现频率稳定的高功率微波产生。
7.根据权利要求1所述的一种无磁场电子束自激辐射高功率微波器件，其特征在于所述谐振腔内设置有强流电子束吸收体，所述强流电子束吸收体与同轴内导体相互垂直连接，并且强流电子吸收体与同轴内导体等电位。
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