CN110970279A - 永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，目的是解决目前微波振荡器重量体积庞大，能耗高、成本高等问题。本发明由二极管、2个阳极永磁体组成；二极管由阴极基座，2个阴极磁体，阴极发射体，二极管阳极组成；阴极磁体的材料为永磁体；二极管阳极由二极管阳极圆筒、谐振腔左面板、收集极、输出波导壁、谐振腔右面板和带封闭面的二极管圆筒组成；谐振腔左面板和谐振腔右面板上均挖有群聚腔环形槽和提取腔环形槽；2个阳极永磁体外套于二极管阳极的圆筒外表面，沿轴向紧贴于二极管阳极的径向线传输线的左右两个端面。本发明能实现微波的高效输出，导引磁场小，重量体积小，能耗和成本大大降低。

Description

永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的一种永磁封装的径向强流电子束高功率微波振荡器。

背景技术

近年来，高功率微波(指频率范围为1GHz到300GHz，峰值功率高于100MW的微波)技术在科学研究、国防与民用领域等众多领域需求的驱动下得到快速发展，高功率微波振荡器是高功率微波系统的核心组件，其工作特性直接决定了系统总体性能，随着高功率振荡器在输出功率与工作效率两方面不断进行突破，轻小型高功率振荡器成为高功率微波技术领域重要的发展方向。传统的高功率微波振荡器一般要求较强的导引磁场来保证强流电子束(指电流在百千安培量级的电子束)高品质传输，常见的用于提供导引磁场的螺线管线圈本身以及附属的电源设备重量体积庞大，能耗成本高，导致高功率微波振荡器的总体效率仍然较低。

永磁体导引磁场系统利用永磁材料的剩磁特性提供器件所需要的导引磁场，无外加附属的电源设备，系统具备结构紧凑、简单稳定、能耗成本低等特点，能够有效解决螺线管线圈导引磁场重量体积庞大、能耗成本高等问题，进一步提高高功率微波源的总体效率。然而，传统环形束高功率微波振荡器导引磁场强度较高，所需的永磁体导引磁场系统重量体积庞大【胡祥刚,宋玮,李兰凯,et al.用于高功率微波器件的永磁体的设计和测试.强激光与粒子束,2016,28(03):84-87】，很大程度上限制了永磁封装高功率振荡器的实用化。

径向强流电子束复合型导引磁场系统【党方超,阳福香,贺军涛,et al.径向强流电子束复合型导引磁场系统.专利申请号201910463702.6】，如图1所示，由二极管、2个螺线管线圈5(即第一螺线管线圈5a和第二螺线管线圈5b)，2个阳极永磁体6(即第一永磁体6a和第二永磁体6b)构成；二极管由阴极基座1，2个阴极磁体2(即第一阴极磁体2a与第二阴极磁体2b)，阴极磁体2的材料为软磁体，阴极发射体3，二极管阳极4组成，能够一定程度上解决现有磁场系统体积重量庞大，能耗成本高，结构复杂等问题，但是由于复合型导引磁场系统中包含螺线管线圈，仍需要庞大的励磁设备来提供螺线管线圈所需的大电流，且结构较为复杂，很难进行进一步的紧凑小型化，且此系统只对导引磁场进行设计，不能输出高功率微波。为了提高高功率振荡器的总体效率，减小器件的重量和体积，降低器件的运行能耗和成本，从而促进器件进一步实用化发展，迫切需要对高功率振荡器的紧凑小型化设计进行深入的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有的传统环形束高功率微波振荡器重量体积庞大，能耗高、成本高等问题，提出一种永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器。

本发明的技术方案是：

本发明永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器由二极管、2个阳极永磁体(即第一阳极永磁体和第二阳极永磁体)构成；二极管由阴极基座，2个阴极磁体(即第一阴极磁体与第二阴极磁体)，阴极发射体，二极管阳极组成；本发明将图1所示的2个螺线管线圈(即第一螺线管线圈和第二螺线管线圈)与2个阳极永磁体(即第一阳极永磁体和第二阳极永磁体)替换成2个阳极永磁(即第一阳极永磁体和第二阳极永磁体)，阴极磁体的材料由软磁体替换成永磁体，同时对二极管阳极进行进一步设计，其余部分保持不变。定义阴极基座的中心轴为旋转对称轴OO’，定义靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧，定义径向强流电子束二极管与脉冲功率驱动源相连的一端为左端，远离脉冲功率驱动源的一端为右端。

阴极基座和二极管阳极的材料为导体，一般为金属材料(如不锈钢、铜、钛合金等)，阴极发射体的材料为石墨，阴极磁体和阳极永磁体的材料为高剩磁的钕铁硼。

阴极基座左端连接脉冲功率驱动源阴极，阴极磁体沿轴向内嵌于阴极基座中，阴极发射体置于第一阴极磁体与第二阴极磁体轴向正中央；二极管阳极左端连接脉冲功率驱动源阳极，阴极基座，阴极磁体和阴极发射体同轴嵌套于二极管阳极内，二极管阳极、阴极基座、阴极磁体和阴极发射体的旋转对称轴均在OO’上；2个阳极永磁体外套于二极管阳极的圆筒外表面，并沿轴向紧贴于二极管阳极的径向线传输线的左右两个端面。

阴极基座由第一阴极底座和第二阴极底座组成，第一阴极底座为圆柱体，半径为R₁，长度为L₁，第一阴极底座左端连接脉冲功率驱动源的阴极，R₁等于实际装配的脉冲功率驱动源阴极的半径，L₁满足30mm≤L₁≤150mm；第二阴极底座为半球，半球的球半径为R₁。

阴极磁体夹于第一阴极底座和第二阴极底座之间，由第一阴极磁体与第二阴极磁体组成，第一阴极磁体与第二阴极磁体形状体积完全相同，第一阴极磁体是圆柱体，半径等于R₁，长度为L₂，L₂决定了电子束附近磁场强度，为了防止电子束发散，L₂一般满足30mm≤L₂≤L₁。第一阴极磁体的左侧与第一阴极底座的右侧采用螺纹相连，第二阴极磁体的右侧与第二阴极底座的左侧采用螺纹相连。

阴极发射体夹于第一阴极磁体与第二阴极磁体之间，阴极发射体是圆盘，半径为R₂，厚度为L₃，R₂＝R₁+h₁，h₁为阴极发射体3伸出长度，一般h₁取值范围为2～10mm，L₃决定了电子束的厚度，为了控制发射电子束的厚度，L₃一般满足L₃≤6mm。阴极发射体的左侧与第一阴极磁体的右侧采用螺纹相连，阴极发射体的右侧与第二阴极磁体的左侧采用螺纹相连。

二极管阳极由二极管阳极圆筒、谐振腔左面板、收集极、输出波导壁、谐振腔右面板和带封闭面的二极管圆筒组成。二极管阳极圆筒为圆环结构，内半径为R₃，外半径为R₄，满足R₄>R₃>R₂，长度为L₄，二极管阳极圆筒左端连接脉冲驱动源的阳极，R₃和阴极基座1的半径R₂共同决定了二极管的阻抗，R₃与R₂差值越小，二极管阻抗越低，一般R₃与R₂差值R₃-R₂满足20mm≤R₃-R₂≤60mm，R₄＝R₃+h₂,h₂为二极管阳极的壁厚，一般h₂取值范围为5～10mm，L₄可由径向器件的实际装配需求决定，L₄满足L₁/2≤L₄≤L₁；谐振腔左面板为圆环形面板，其内侧连接二极管阳极圆筒的外侧，谐振腔左面板的内半径为R₄，外半径为R₅，R₅满足100mm≤R₅≤400mm，长度为L₅，L₅满足L₅≤L₄/2，谐振腔左面板右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内向外分别为第一群聚腔环形槽和第一提取腔环形槽；定义第一群聚腔环形槽和第一提取腔环形槽靠近旋转对称轴OO’的环形槽为第一个槽，由内侧向外侧依次累加，第一群聚腔环形槽的个数一般为2～4个，每个槽的深度均为L₆，槽宽度均为H₁，槽间距均为H₂，L₆≤L₅，H₁≈λ/3(λ为径向强流电子束在二极管阳极振荡产生的微波的波长，λ≈c/f，其中c为微波的速度，f为微波的频率)，H₂≈H₁/2，第一群聚腔环形槽的第一个槽内半径为R₆，R₆满足R₄+3λ≤R₆；第一提取腔环形槽的个数一般也为2～4个，每个槽的深度均为L₇，槽宽度均为H₃，槽间距均为H₄，L₆≤L₇≤2L₆，H₃≤H₁，H₄≈H₂，第一提取腔环形槽第一个槽的内半径为R₇，R₇满足R₆+3H₁+3H₂+3λ≤R₇；收集极为圆环结构，其左端连接谐振腔左面板，右端连接输出波导壁，收集极外半径等于谐振腔左面板的外半径R₅，内半径为R₈，R₅＝R₈+h₂，长度为L₈，L₈≈λ/3；输出波导壁由封闭面与输出壁组成，封闭面为圆环结构，内半径为R₉，R₉＝R₇+2H₃+H₄，外半径等于R₅，长度等于h₃，h₃取值范围为5～10mm，封闭面左端连接收集极的右端，右端连接输出壁；输出壁为圆环结构，内半径等于R₈，外半径等于R₅，长度为L₉，L₉满足L₄/10≤L₉≤L₄；带封闭面(封闭面在二极管圆筒右侧)的二极管圆筒的圆筒内半径等于R₃，圆筒外半径等于R₄，长度等于L₉，封闭面的厚度等于h₂；谐振腔右面板为圆环形面板，其内侧连接带封闭面的二极管圆筒的外侧，谐振腔右面板由第二群聚腔环形槽、第二提取腔环形槽和圆环组成，定义第二群聚腔环形槽和第二提取腔环形槽靠近旋转对称轴OO’的环形槽为第一个槽，由内侧向外侧依次累加，第二群聚腔环形槽的个数等于第一群聚腔环形槽42a的个数，每个槽的深度等于L₆，槽宽度等于H₁，槽间距均等于H₂，第二群聚腔环形槽第一个槽的内半径为R₆；第二提取腔环形槽的个数等于第一提取腔环形槽42b的个数，除最外侧一个槽外每个槽的深度均等于L₇，槽宽度均等于H₃，槽间距均等于H₄，最外侧一个槽深度等于L₇，槽宽度为H₅，H₅＝R₁₀-R₇-H₃-H₄，第二提取腔环形槽第一个槽的内半径为R₇；圆环为圆环结构，其内半径为R₁₀，外半径为R₁₁，R₁₀＝R₇+H₃+H₄+H₅，R₁₁＝R₁₀+h₂，长度为L₁₀，满足L₅≤L₁₀≤L₉。二极管阳极圆筒、谐振腔左面板、收集极、输出波导壁、谐振腔右面板和带封闭面的二极管圆筒一般一体化加工。

阳极永磁体由第二阳极永磁体和第二阳极永磁体组成，第二阳极永磁体由第一环状永磁体和第二环状永磁体组成，第二阳极永磁体由第三环状永磁体和第四环状永磁体组成，第一环状永磁体与第三环状永磁体形状大小完全相同，第二环状永磁体与第四环状永磁体形状大小完全相同；第一环状永磁体内半径为R₅，外半径为R₁₂，满足R₅≤R₁₂≤R₇+3H₁+2H₂，长度为L₁₁，满足L₁₀/2≤L₁₁≤L₁₀；第二环状永磁体内半径为R₁₂，外半径为R₁₃，满足R₁₂≤R₁₃≤R₁₁，长度为L₁₂，满足L₁₂≈L₁₁；第一阳极永磁体与第二阳极永磁体间距为L₁₃，L₁₃＝2L₅+L₇。第二环状永磁体右侧紧贴于二极管阳极谐振腔左面板的左侧，同轴嵌套于二极管阳极圆筒外表面，第一环状永磁体也同轴嵌套于二极管阳极圆筒外表面，第一环状永磁体右侧紧贴第二环状永磁体左侧。第四环状永磁体左侧紧贴于二极管阳极谐振腔左面板的右侧，同轴嵌套于带封闭面的二极管圆筒的外侧，第三环状永磁体也同轴嵌套于带封闭面的二极管圆筒的外侧，第三环状永磁体左侧紧贴第四环状永磁体右侧。

本发明中器件工作过程如下：

脉冲功率驱动源产生高电压脉冲加载到阴极永磁体导引的径向强流电子束阴极基座和二极管阳极上，在阴极基座和二极管阳极间隙形成强电场，强电场激发阴极发射体发射径向强流电子束，径向强流电子束在阴极永磁体的磁场导引下向二极管阳极传输；进一步受到第一阳极永磁体和第一阳极永磁体产生的磁场的导引，进入谐振腔左面板与谐振腔右面板形成的群聚腔，与群聚腔内的本征模发生谐振进行速度调制，之后经过一段长度的漂移，速度调制转化成密度调制，电子束的调制深度加深；调制好的径向强流电子注入谐振腔左面板与谐振腔右面板形成的提取腔，与提取腔内的本征模式发生谐振，将部分能量转换成高功率微波能量，最后高功率微波能量通过输出壁与圆环辐射出去。

采用本发明可以达到以下的技术效果：

(1)本发明采用径向强流电子束与高功率微波振荡器产生的微波互作用，具有导引磁场小的特点，相对于传统环形束高功率微波振荡器，所需的永磁体导引磁场系统重量体积大大降低，更易实现器件的紧凑小型化；

(2)本发明采用2个阴极磁体与2个阳极永磁体共同高功率微波振荡器需要的导引磁场，相对于较为常见的螺线管线圈导引磁场系统来说，无附属励磁设备，能耗和成本大大降低；

(3)本发明通过对二极管阳极中谐振腔左面板、收集极、输出波导壁、谐振腔右面板紧凑小型化设计，保证了径向强流电子束与高功率微波间较强的相互作用，能实现微波的高效输出。

附图说明

图1为背景技术所述径向强流电子束复合型导引磁场系统整体结构轴向半剖视图；

图2为本发明整体结构轴向半剖视图；

图3为本发明阴极基座1、阴极永磁体2和阴极发射体3的轴向半剖视图；

图4为本发明二极管阳极4轴向半剖视图：图4(a)为二极管阳极4轴向半剖视图，图4(b)为群聚腔环形槽42a轴向半剖视图，图4(c)为提取腔环形槽42b轴向半剖视图，图4(d)为群聚腔环形槽45a轴向半剖视图，图4(e)为提取腔环形槽45b轴向半剖视图；

图5为本发明阳极永磁体6轴向半剖视图；

图6为本发明阴极永磁体2与阳极永磁体6轴向半剖视的励磁方向图；

图7本发明磁场位形图；

图8本发明输出微波波形。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

图2为本发明整体结构轴向半剖视图。如图2所示，本发明由二极管、2个阳极永磁体6(即第一阳极永磁体6a和第二阳极永磁体6b)构成；二极管由阴极基座1，2个阴极磁体2(即第一阴极磁体2a与第二阴极磁体2b)，阴极发射体3，二极管阳极4组成；本发明将图1所示的2个螺线管线圈5(即第一螺线管线圈5a和第二螺线管线圈5b)与2个阳极永磁体6(即第一阳极永磁体6a和第二阳极永磁体6b)替换成2个阳极永磁体6(即第一阳极永磁体6a和第二阳极永磁体6b)，阴极磁体2的材料由软磁体替换成永磁体，同时对二极管阳极4进行进一步设计，其余部分保持不变。定义阴极基座1的中心轴为旋转对称轴OO’，定义靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧，定义径向强流电子束二极管与脉冲功率驱动源相连的一端为左端，远离脉冲功率驱动源的一端为右端。

阴极基座1和二极管阳极4的材料为导体，一般为金属材料(如不锈钢、铜、钛合金等)，阴极发射体3的材料为石墨，阴极磁体2和阳极永磁体6的材料为高剩磁的钕铁硼。

阴极基座1左端连接脉冲功率驱动源阴极，阴极磁体2沿轴向内嵌于阴极基座1中，阴极发射体3置于第一阴极磁体2a与第二阴极磁体2b轴向正中央；二极管阳极4左端连接脉冲功率驱动源阳极，阴极基座1，阴极磁体2和阴极发射体3同轴嵌套于二极管阳极4内，二极管阳极4、阴极基座1、阴极磁体2和阴极发射体3的旋转对称轴均在OO’上；2个阳极永磁体6外套于二极管阳极4的圆筒外表面，并沿轴向紧贴于二极管阳极4的径向线传输线4b的左右两个端面。

如图3所示，阴极基座1由第一阴极底座1a和第二阴极底座1b组成，第一阴极底座1a为圆柱体，半径为R₁＝20mm，长度为L₁＝60mm，第一阴极底座1a左端连接脉冲功率驱动源的阴极；第二阴极底座1b为半球，半球的球半径为R₁＝20mm。

阴极磁体2夹于第一阴极底座1a和第二阴极底座1b之间，由第一阴极磁体2a与第二阴极磁体2b组成，第一阴极磁体2a与第二阴极磁体2b形状体积完全相同，第一阴极磁体2a是圆柱体，半径等于R₁＝20mm，长度为L₂＝30mm。第一阴极磁体2a的左侧与第一阴极底座1a的右侧采用螺纹相连，第二阴极磁体2b的右侧与第二阴极底座1b的左侧采用螺纹相连。

阴极发射体3夹于第一阴极2a与第一阴极2b之间，阴极发射体3是圆盘，半径为R₂＝25mm，厚度为L₃＝2mm，R₂＝R₁+h₁，h₁＝5mm。阴极发射体3可采用螺纹的形式固定在阴极永磁体2上，即阴极发射体3的左侧与第一永磁体2a的右侧采用螺纹相连，阴极发射体3的右侧与第二永磁体2b的左侧采用螺纹相连。

如图4(a)所示，二极管阳极4由二极管阳极圆筒41、谐振腔左面板42、收集极43、输出波导壁44、谐振腔右面板45和带封闭面的二极管圆筒46组成。二极管阳极圆筒41为圆环结构，内半径为R₃＝70mm，外半径为R₄＝72mm，长度为L₄＝80mm，二极管阳极圆筒41左端连接脉冲驱动源的阳极，R₃和阴极基座1的半径R₂共同决定了二极管的阻抗，R₄与R₂差值越小，二极管阻抗越低，R₄＝R₃+h₂,h₂＝2mm；谐振腔左面板42为圆环形面板，其内侧连接二极管阳极圆筒41的外侧，谐振腔左面板42的内半径为R₄＝72mm，外半径为R₅＝160mm，长度为L₅＝14mm，谐振腔左面板42右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内向外分别为第一群聚腔环形槽42a和第一提取腔环形槽42b；定义第一群聚腔环形槽42a和第一提取腔环形槽42b靠近旋转对称轴OO’的环形槽为第一个槽，由内侧向外侧依次累加，第一群聚腔环形槽42a的个数为3个，如图4(b)所示，每个槽的深度均为L₆＝2.5mm，槽宽度均为H₁＝7mm，槽间距均为H₂＝3mm，群聚腔环形槽42a的第一个槽内半径为R₆＝80mm；第一提取腔环形槽42b的个数为2个，如图4(c)所示，每个槽的深度均为L₇＝3mm，槽宽度均为H₃＝5mm，槽间距均为H₄＝3mm，第一提取腔环形槽42b第一个槽的内半径为R₇＝113mm；收集极43为圆环结构，其左端连接谐振腔左面板42，右端连接输出波导壁44，收集极43外半径等于谐振腔左面板42的外半径R₅＝180mm，内半径为R₈＝158mm，长度为L₈＝7mm；输出波导壁44由封闭面44a与输出壁44b组成，封闭面44a为圆环结构，内半径为R₉＝126mm，外半径等于R₅＝200mm，长度等于h₃＝5mm，封闭面44a左端连接收集极43的右端，右端连接输出壁44b；输出壁44b为圆环结构，内半径等于R₈＝158mm，外半径等于R₅＝160mm，长度等于L₉＝53mm；带封闭面(封闭面在二极管圆筒46右侧)的二极管圆筒46的圆筒内半径等于R₃，圆筒外半径等于R₄＝72mm，长度等于L₉＝53mm，封闭面的厚度等于h₂＝2mm；谐振腔右面板45为圆环形面板，其内侧连接带封闭面的二极管圆筒46的外侧，谐振腔右面板45由第二群聚腔环形槽45a、第二提取腔环形槽45b和圆环45c组成，定义第二群聚腔环形槽45a和第二提取腔环形槽45b靠近旋转对称轴OO’的环形槽为第一个槽，由内侧向外侧依次累加，第二群聚腔环形槽45a的个数为3个，如图4(d)所示，每个槽的深度均为L₆＝2.5mm，槽宽度均为H₁＝7mm，槽间距均为H₂＝3mm，第二群聚腔环形槽45a第一个槽的内半径为R₆＝80mm；第二提取腔环形槽45b的个数也为2个，如图4(e)所示，除最外侧一个槽外，其余每个槽的深度均等于L₇＝3mm，槽宽度均等于H₃＝5mm，槽间距均等于H₄＝3mm，最外侧一个槽深度等于L₇＝3mm，槽宽度为H₅＝10mm，，提取腔环形槽45b第一个槽的内半径为R₇＝113mm；圆环45c为圆环结构，其内半径为R₁₀＝131mm，外半径为R₁₁＝136mm，长度为L₁₀＝25mm。二极管阳极圆筒41、谐振腔左面板42、收集极43、输出波导壁44、谐振腔右面板45和带封闭面的二极管圆筒46一般一体化加工。

如图5所示，阳极永磁体6由第二阳极永磁体6a和第二阳极永磁体6b组成，第二阳极永磁体6a由第一环状永磁体6a1和第二环状永磁体6a2组成，第二阳极永磁体6b由第三环状永磁体6b1和第四环状永磁体6b2组成，第一环状永磁体6a1与第三环状永磁体6b1形状大小完全相同，第二环状永磁体6a2与第四环状永磁体6b2形状大小完全相同；第一环状永磁体6a1内半径为R₅＝72mm，外半径为R₁₂＝100mm，长度为L₁₁＝20mm；第二环状永磁体6a2内半径为R₁₂＝100mm，外半径为R₁₃＝130mm，长度为L₁₂，满足L₁₂＝20mm；第一阳极永磁体6a与第二阳极永磁体6b间距为L₁₃＝35mm。第二环状永磁体6a2右侧紧贴于二极管阳极谐振腔左面板42的左侧，同轴嵌套于二极管阳极圆筒41外表面，第一环状永磁体6a1也同轴嵌套于二极管阳极圆筒41外表面，第一环状永磁体6a1右侧紧贴第二环状永磁体6a2左侧。第四环状永磁体6b2左侧紧贴于二极管阳极谐振腔左面板45的右侧，同轴嵌套于带封闭面的二极管圆筒46的外侧，第三环状永磁体6b1也同轴嵌套于带封闭面的二极管圆筒46的外侧，第三环状永磁体6b1左侧紧贴第四环状永磁体6b2右侧。

如图6所示，第一阴极磁体2a与第二阴极磁体2b的励磁方向与旋转对称轴OO’平行，第一阴极磁体2a励磁方向向右，第二阴极磁体2b励磁方向向左；第一环状永磁体6a1、第二环状永磁体6a2、第三环状永磁体6b1和第四环状永磁体6b2的励磁方向相同，励磁方向与旋转对称轴OO’垂直，由外侧指向内侧。

图7为本发明的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器的磁场位形图。图7横轴为观测点到旋转对称轴OO’的径向距离，纵轴为磁场径向分量大小，从图可以看出，在15mm～40mm区间内，径向磁场逐渐增大；40mm～135mm为电子束与高频结构相互作用区域的径向尺寸范围，在此区间内磁场径向分量先增大，后减小，继而出现一定的波动，但是幅值一直大于0.38T，可以有效约束电子束的径向运动；在135mm～160mm范围内，磁场逐渐降低，不能够实现电子束的径向稳定传输。本实施例所示的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器能够在径向距离15mm～135mm的区间内能够实现径向强流电子束稳定传输。

图8为本发明设计的Ku波段永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器输出微波波形，图8横轴为时间，纵轴为输出功率，在无箔二极管电压400kV，电流10kA，磁场0.38T的激励下，输出微波平均功率1.4GW，效率达35％，频率为14.25GHz。

Claims (14)

1.一种永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，由二极管、2个阳极永磁体(6)即第一永磁体(6a)和第二永磁体(6b)组成；二极管由阴极基座(1)，2个阴极磁体(2)即第一阴极磁体(2a)与第二阴极磁体(2b)，阴极发射体(3)，二极管阳极(4)组成；定义阴极基座(1)的中心轴为旋转对称轴OO’，定义靠近旋转对称轴OO’的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO’的一侧为外侧，定义径向强流电子束二极管与脉冲功率驱动源相连的一端为左端，远离脉冲功率驱动源的一端为右端；阴极基座(1)左端连接脉冲功率驱动源阴极，阴极磁体(2)沿轴向内嵌于阴极基座(1)中，阴极发射体(3)置于第一阴极磁体(2a)与第二阴极磁体(2b)轴向正中央；二极管阳极(4)左端连接脉冲功率驱动源阳极，阴极基座(1)，阴极磁体(2)和阴极发射体(3)同轴嵌套于二极管阳极(4)内，二极管阳极(4)、阴极基座(1)、阴极磁体(2)和阴极发射体(3)的旋转对称轴均在OO’上；阴极基座(1)由第一阴极底座(1a)和第二阴极底座(1b)组成，第一阴极底座(1a)为圆柱体，半径为R₁，长度为L₁，第一阴极底座(1a)左端连接脉冲功率驱动源的阴极；第二阴极底座(1b)为半球，半球的球半径为R₁；阴极磁体(2)夹于第一阴极底座(1a)和第二阴极底座1b之间，由第一阴极磁体(2a)与第二阴极磁体(2b)组成，第一阴极磁体(2a)与第二阴极磁体(2b)形状体积完全相同，第一阴极磁体(2a)是圆柱体，半径等于R₁，长度为L₂；第一阴极磁体(2a)的左侧与第一阴极底座(1a)的右侧采用螺纹相连，第二阴极磁体(2b)的右侧与第二阴极底座1b的左侧采用螺纹相连；阴极发射体(3)夹于第一阴极磁体(2a)与第二阴极磁体(2b)之间，阴极发射体(3)是圆盘，半径为R₂，厚度为L₃，R₂＝R₁+h₁，h₁为阴极发射体(3)伸出长度；阴极发射体(3)的左侧与第一永磁体(2a)的右侧采用螺纹相连，阴极发射体(3)的右侧与第二永磁体(2b)的左侧采用螺纹相连；其特征在于：

阴极磁体(2)的材料为永磁体，阴极基座(1)和二极管阳极(4)的材料为导体，阴极发射体(3)的材料为石墨；

2个阳极永磁体(6)外套于二极管阳极(4)的圆筒外表面，并沿轴向紧贴于二极管阳极(4)的径向线传输线(4b)的左右两个端面；

二极管阳极(4)由二极管阳极圆筒(41)、谐振腔左面板(42)、收集极(43)、输出波导壁(44)、谐振腔右面板(45)和带封闭面的二极管圆筒(46)组成；二极管阳极圆筒(41)为圆环结构，内半径为R₃，外半径为R₄，满足R₄>R₃>R₂，长度为L₄，二极管阳极圆筒(41)左端连接脉冲驱动源的阳极，R₄＝R₃+h₂,h₂为二极管阳极(4)的壁厚；谐振腔左面板(42)为圆环形面板，其内侧连接二极管阳极圆筒(41)的外侧，谐振腔左面板(42)的内半径为R₄，外半径为R₅，长度为L₅，谐振腔左面板(42)右侧端面上挖有两组圆环形凹槽，沿径向由内向外分别为第一群聚腔环形槽(42a)和第一提取腔环形槽(42b)；定义第一群聚腔环形槽(42a)和第一提取腔环形槽(42b)靠近旋转对称轴OO’的环形槽为第一个槽，由内侧向外侧依次累加，第一群聚腔环形槽(42a)的个数为2～4个，每个槽的深度均为L₆，槽宽度均为H₁，槽间距均为H₂，第一群聚腔环形槽(42a)的第一个槽内半径为R₆；第一提取腔环形槽(42b)的个数为2～4个，每个槽的深度均为L₇，槽宽度均为H₃，槽间距均为H₄，第一提取腔环形槽(42b)第一个槽的内半径为R₇；收集极(43)为圆环结构，左端连接谐振腔左面板(42)，右端连接输出波导壁(44)，收集极(43)外半径等于谐振腔左面板(42)的外半径R₅，内半径为R₈，R₅＝R₈+h₂，长度为L₈；输出波导壁(44)由封闭面(44a)与输出壁(44b)组成，封闭面(44a)为圆环结构，内半径为R₉，外半径等于R₅，长度等于h₃，封闭面(44a)左端连接收集极(43)的右端，右端连接输出壁(44b)；输出壁(44b)为圆环结构，内半径等于R₈，外半径等于R₅，长度为L₉；带封闭面的二极管圆筒(46)的圆筒内半径等于R₃，圆筒外半径等于R₄，长度等于L₉，封闭面的厚度等于h₂；谐振腔右面板(45)为圆环形面板，其内侧连接带封闭面的二极管圆筒(46)的外侧，谐振腔右面板(45)由第二群聚腔环形槽(45a)、第二提取腔环形槽(45b)和圆环(45c)组成，定义第二群聚腔环形槽(45a)和第二提取腔环形槽(45b)靠近旋转对称轴OO’的环形槽为第一个槽，由内侧向外侧依次累加，第二群聚腔环形槽(45a)的个数等于第一群聚腔环形槽(42a)的个数，每个槽的深度等于L₆，槽宽度等于H₁，槽间距均等于H₂，第二群聚腔环形槽(45a)第一个槽的内半径为R₆；第二提取腔环形槽(45b)的个数等于第一提取腔环形槽(42b)的个数，除最外侧一个槽外每个槽的深度均等于L₇，槽宽度均等于H₃，槽间距均等于H₄，最外侧一个槽深度等于L₇，槽宽度为H₅，第二提取腔环形槽(45b)第一个槽的内半径为R₇；圆环(45c)为圆环结构，其内半径为R₁₀，外半径为R₁₁，R₁₁＝R₁₀+h₂，长度为L₁₀；

阳极永磁体(6)由第二阳极永磁体(6a)和第二阳极永磁体(6b)组成，第二阳极永磁体(6a)由第一环状永磁体(6a1)和第二环状永磁体(6a2)组成，第二阳极永磁体(6)b由第三环状永磁体(6b1)和第四环状永磁体(6b2)组成，第一环状永磁体(6a1)与第三环状永磁体(6b1)形状大小相同，第二环状永磁体(6a2)与第四环状永磁体(6b2)形状大小相同；第一环状永磁体(6a1)内半径为R₅，外半径为R₁₂，长度为L₁₁；第二环状永磁体(6a2)内半径为R₁₂，外半径为R₁₃，长度为L₁₂；第一阳极永磁体(6a)与第二阳极永磁体(6b)间距为L₁₃；第二环状永磁体(6a2)右侧紧贴于二极管阳极谐振腔左面板(42)的左侧，同轴嵌套于二极管阳极圆筒(41)外表面，第一环状永磁体(6a1)同轴嵌套于二极管阳极圆筒(41)外表面，第一环状永磁体(6a1)右侧紧贴第二环状永磁体(6a2)左侧；第四环状永磁体(6b2)左侧紧贴于二极管阳极谐振腔左面板(45)的右侧，同轴嵌套于带封闭面的二极管圆筒(46)的外侧，第三环状永磁体(6b1)同轴嵌套于带封闭面的二极管圆筒(46)的外侧，第三环状永磁体(6b1)左侧紧贴第四环状永磁体(6b2)右侧。

2.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述第一阴极底座(1a)的半径R₁等于脉冲功率驱动源阴极的半径，长度L₁满足30mm≤L₁≤150mm。

3.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述第一阴极磁体(2a)长度L₂，满足30mm≤L₂≤L₁。

4.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述阴极发射体(3)伸出长度h₁取值范围为2～10mm，阴极发射体(3)的厚度L₃满足L₃≤6mm。

5.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述阴极基座(1)和二极管阳极(4)的材料为金属材料，阴极磁体(2)和阳极永磁体(6)的材料为高剩磁的钕铁硼。

6.如权利要求5所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述阴极基座(1)和二极管阳极(4)的材料为不锈钢、铜、钛合金。

7.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述二极管阳极圆筒(41)的内半径R₃与阴极发射体(3)的半径R₂的差值R₃-R₂满足20mm≤R₃-R₂≤60mm，二极管阳极(4)的壁厚h₂取值范围为5～10mm，二极管阳极圆筒(41)长度L₄满足L₁/2≤L₄≤L₁。

8.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述谐振腔左面板(42)的外半径R₅满足100mm≤R₅≤400mm，长度L₅满足L₅≤L₄/2。

9.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述第一群聚腔环形槽(42a)的深度L₆满足L₆≤L₅，第一群聚腔环形槽(42a)的宽度H₁≈λ/3，λ为径向强流电子束在二极管阳极振荡产生的微波的波长，λ≈c/f，其中c为微波的速度，f为微波的频率，第一群聚腔环形槽(42a)的槽间距H₂≈H₁/2，第一群聚腔环形槽(42a)的第一个槽内半径R₆满足R₄+3λ≤R₆；第一提取腔环形槽(42b)的深度L₇满足L₆≤L₇≤2L₆，第一提取腔环形槽(42b)的槽宽度H₃满足H₃≤H₁，第一提取腔环形槽(42b)的槽间距H₄≈H₂，第一提取腔环形槽(42b)第一个槽的内半径R₇满足R₆+3H₁+3H₂+3λ≤R₇。

10.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述收集极(43)的长度L₈≈λ/3，λ为径向强流电子束在二极管阳极振荡产生的微波的波长，λ≈c/f，其中c为微波的速度，f为微波的频率。

11.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述输出波导壁(44)的封闭面(44a)内半径R₉＝R₇+2H₃+H₄，长度h₃取值范围为5～10mm，波导壁44的输出壁(44b)的长度L₉满足L₄/10≤L₉≤L₄。

12.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述第二提取腔环形槽(45b)的最外侧一个槽的宽度H₅＝R₁₀-R₇-H₃-H₄，圆环(45c)的内半径R₁₀满足R₁₀＝R₇+H₃+H₄+H₅，长度L₁₀满足L₅≤L₁₀≤L₉。

13.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述二极管阳极圆筒(41)、谐振腔左面板(42)、收集极(43)、输出波导壁(44)、谐振腔右面板(45)和带封闭面的二极管圆筒(46)一体化加工。

14.如权利要求1所述的永磁封装径向强流电子束高功率微波振荡器，其特征在于所述第一环状永磁体(6a1)内半径R₅和外半径为R₁₂满足R₅≤R₁₂≤R₇+3H₁+2H₂，长度L₁₁满足L₁₀/2≤L₁₁≤L₁₀；第二环状永磁体(6a2)内半径R₁₂和外半径R₁₃满足R₁₂≤R₁₃≤R₁₁，长度L₁₂≈L₁₁；第一阳极永磁体(6a)与第二阳极永磁体(6b)间距L₁₃＝2L₅+L₇。

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