CN111048375A - 高效率低磁场双模工作相对论返波管 - Google Patents

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Abstract

为解决现有的低磁场双模工作相对论返波管因兼顾束波相互作用和模式控制而转换效率较低的技术问题，发明提供了一种高效率低磁场双模工作相对论返波管，包括环形阴极、磁场线圈、阴极反射环、依次设置在环形阴极后端的双预调制腔、双段非均匀慢波结构和输出波导；阴极反射环的内半径R0对TM01模截止，且满足R0＜0.382c/f，c为光速，f为微波频率；阴极反射环置于环形阴极内，且与环形阴极端部的距离L0满足λg1/2＜L0＜λg2，λg1和λg2分别为TM01模和TM02模的导波波长；双预调制腔包括两个半径不等的调制腔单元，调制腔单元的外半径分别为R1和R2，内半径分别为r1和r2，且满足1.25λ＜R2＜R1＜1.4λ，1.15λ≤r1,r2≤1.25λ，λ为微波波长；双段非均匀慢波结构由8‑10个慢波单元构成，慢波单元的外半径和内半径分别为Rsn和rsn(n＝1,2,...,N,N＝8,9或者10)，且满足：1.3λ≤Rsn≤1.4λ,1.15λ≤rsn≤1.3λ。

Description

高效率低磁场双模工作相对论返波管
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，特别是涉及一种高效率低磁场双模工作相对论返波管。
背景技术
相对论返波管具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率工作等特点，是当前最有潜力的高功率微波器件之一。针对高功率微波产生装置轻小型化的迫切需求，目前国内外正在大力开展低磁场(即外加磁场低于回旋共振磁场)相对论返波管研究。
现有的一种低磁场双模工作相对论返波管如附图1所示(Two-wave Cherenkovoscillator with moderately oversized slow-wave structure[J],V.V.Rostov,A.V.Gunin,R.V.Tsygankov,I.V.Romanchenko,M.I.Yalandin,IEEE Transactions onPlasma Science,vol.46,no.1,pp.33-42,January 2018)。它包括环形阴极101、空心阴极反射器102、匹配节103、双段均匀慢波结构104、输出波导105和磁场线圈106。环形阴极101位于结构前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；空心阴极反射器102置于环形阴极101内部；匹配节103、双段均匀慢波结构104和输出波导105依次置于环形阴极101后侧；磁场线圈106安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。
工作时，环形阴极101发射环形相对论电子束，在磁场线圈106产生的磁场引导下，经过匹配节103，获得一定的预调制，进一步与双段均匀慢波结构104中的TM01模和TM02模相互作用。TM01模被锁在双段均匀慢波结构104中，部分TM02模直接从输出波导105输出，部分TM02模经过匹配节103向环形阴极101传输，被空心阴极反射器102反射后，最终进入输出波导105输出。利用该技术，在磁场1T时，束波转换效率30％。
该技术采用了双模工作，TM02模输出方式。为了锁住TM01模，采用了双段均匀慢波结构104，两段慢波结构完全相同；为了将TM02模反射输出同时尽可能不反射TM01模，采用了匹配节103和空心阴极反射器102，同时部分TM01模式会被空心阴极反射器左端的微波吸波材料吸收(未在图中给出)。这种同时兼顾束波相互作用和模式控制的设计思想不利于提高束波转换效率。
发明内容
为了解决现有的低磁场双模工作相对论返波管因兼顾束波相互作用和模式控制而转换效率较低的技术问题，发明提供了一种高效率低磁场双模工作相对论返波管。
本发明的技术方案是：
高效率低磁场双模工作相对论返波管，包括环形阴极、输出波导和磁场线圈；
环形阴极用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；
磁场线圈用于为所述环形相对论电子束提供导引磁场；
其特殊之处在于：
还包括阴极反射环、双预调制腔、双段非均匀慢波结构；
阴极反射环的内半径R0对TM01模截止，且内半径R0满足R0＜0.382c/f，其中c为光速，f为微波频率；阴极反射环置于环形阴极内，阴极反射环与环形阴极端部的距离L0满足λg1/2＜L0＜λg2，λg1和λg2分别为TM01模和TM02模的导波波长；
双预调制腔、双段非均匀慢波结构和输出波导依次设置在环形阴极后侧；
双预调制腔包括两个半径不等的调制腔单元，所述调制腔单元的外半径分别为R1和R2，内半径分别为r1和r2，且满足条件1.25λ＜R2＜R1＜1.4λ，1.15λ≤r1,r2≤1.25λ，其中，λ为微波波长；
双段非均匀慢波结构由8-10个慢波单元构成，慢波单元的外半径和内半径分别为Rsn和rsn(n＝1,2,...,N,N＝8,9或者10)，且满足条件：
1.3λ≤Rsn≤1.4λ,1.15λ≤rsn≤1.3λ。
进一步地，还包括设置在双段非均匀慢波结构与输出波导之间的台阶模式变换结构；
台阶模式变换器的半径从R12变为R13，且R12对TM03模截止，R13对TM02模截止，即R13＜0.879c/f＜R12＜1.377c/f,台阶模式变换器的台阶面与双段非均匀慢波结构中最后一个慢波单元之间的距离L在一个拍波波长内可调，且满足2λ＜L＜2λ+λg1λg2/(λg2-λg1)。
进一步地，实验中通过优化距离L0可以提高转换效率，故阴极反射环(202)可在环形阴极(201)内轴向移动，以方便实验调试。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用双段非均匀慢波结构代替原有的双段均匀慢波结构，提高器件束波转换效率。
2、采用双预调制腔代替原有的匹配节，提供合适的束流预调制，提高器件束波转换效率。
3、采用阴极反射环代替原有的空心阴极反射器，简化阴极内部结构，同时将TM01和TM02模式的微波全部反射输出，提高器件束波转换效率。
4、采用台阶模式变换结构将产生的TM01模和TM02模混合模式转换成TM01模(TM01模是相对论返波管的通用输出模式)，相比较于现有技术中产生的TM02模，更有利于后续的模式转换和应用。
附图说明
图1是现有技术的低磁场双模工作相对论返波管的结构示意图。
图2是本发明的一个优选实施例的结构示意图。
图3是本发明中双预调制腔和双段非均匀慢波结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
如图2所示，本发明的高效率低磁场双模工作相对论返波管，包括环形阴极201、阴极反射环202、双预调制腔203、双段非均匀慢波结构204、输出波导205、磁场线圈206和台阶模式变换结构207。
环形阴极201位于结构前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；阴极反射环202置于环形阴极201内；双预调制腔203、双段非均匀慢波结构204、台阶模式变换结构207、输出波导205依次置于环形阴极201后侧；磁场线圈206安装在整个结构的外围，为环形相对论电子束提供导引磁场。双预调制腔203的左端和环形阴极201的左端通过绝缘支撑结构连接(图中未给出)。
阴极反射环202内半径对TM01模截止，其内半径R0满足R0＜0.382c/f，其中c为光速，f为微波频率；阴极反射环202与环形阴极201端部的距离为L0,满足条件λg1/2＜L0＜λg2，其中λg1和λg2分别为TM01模和TM02模的导波波长。
双预调制腔203外半径分别为R1和R2，内半径分别为r1和r2，各参数满足条件1.25λ＜R2＜R1＜1.4λ，1.15λ≤r1,r2≤1.25λ，其中，λ为微波波长。
双段非均匀慢波结构204由8-10个慢波单元构成，慢波单元的外半径和内半径分别为Rsn和rsn(n＝1,2,...,N,N＝8,9或者10)，且满足条件：
1.3λ≤Rsn≤1.4λ,1.15λ≤rsn≤1.3λ.
慢波单元的截面可以是梯形、矩形、正弦形或半圆形等，对形状没有特殊要求，只要慢波单元的外半径和内半径满足上述条件即可。
台阶模式变换器207的半径从R12变为R13，且R12对TM03模截止，R13对TM02模截止，即R13＜0.879c/f＜R12＜1.377c/f,台阶模式变换器207的台阶面与双段非均匀慢波结构204中最后一个慢波单元之间的距离为L，满足条件2λ＜L＜2λ+λg1λg2/(λg2-λg1)。通过调节台阶模式变换器207的台阶面与最后一个慢波单元之间的距离，可以改变TM01和TM02模之间的相对相位，有利于提高模式转换效率。
工作时，环形阴极201产生环形相对论电子束208，在磁场线圈206产生的磁场引导下，经过双预调制腔203，电子束获得合适的预调制，进入双段非均匀慢波结构204，与TM01模发生同步相互作用，与TM02模发生异步相互作用，向环形阴极201传输的TM01模和TM02模的混合模式经阴极反射环202反射后，重新进入双预调制腔203和双段非均匀慢波结构204，最终经台阶模式变换结构207转变为纯TM01模从输出波导205输出。
实施例：
本实施例工作在X波段，各主要结构参数如下：
R0＝9.0mm,L0＝26.5mm,R1＝41mm,r1＝35.5mm,R2＝39mm,r2＝35mm,Rs1＝39mm,rs1＝35mm,Rs2＝40.5mm,rs2＝35mm,Rs3＝39mm,rs3＝35mm,Rs4＝39mm,rs4＝35mm,Rs5＝39.5mm,rs5＝37mm,Rs6＝39.5mm,rs6＝35mm,Rs7＝39mm,rs7＝35mm,Rs8＝40.5mm,rs8＝35mm,Rs9＝40.5mm,rs9＝35.5mm,R12＝38mm,R13＝26.5mm,L＝159.5mm。
在外加磁场0.64T，二极管电压850kV，电流12kA时，产生微波功率4.2GW，频率9.96GHz，束波转换效率42％，输出模式为纯TM01模。与已有技术在磁场1T下，束波转换效率30％相比，本实施例在更低磁场下转换效率有了较大提高。

Claims (3)

1.高效率低磁场双模工作相对论返波管，包括环形阴极(201)、输出波导(205)和磁场线圈(206)；
环形阴极(201)用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；
磁场线圈(206)用于为所述环形相对论电子束提供导引磁场；
其特征在于：
还包括阴极反射环(202)、双预调制腔(203)、双段非均匀慢波结构(204)；
阴极反射环(202)的内半径R0对TM01模截止，且内半径R0满足R0＜0.382c/f，其中c为光速，f为微波频率；阴极反射环(202)置于环形阴极(201)内，阴极反射环(202)与环形阴极(201)端部的距离L0满足λg1/2＜L0＜λg2，λg1和λg2分别为TM01模和TM02模的导波波长；
双预调制腔(203)、双段非均匀慢波结构(204)和输出波导(205)依次设置在环形阴极(201)后侧；
双预调制腔(203)包括两个半径不等的调制腔单元，所述调制腔单元的外半径分别为R1和R2，内半径分别为r1和r2，且满足条件1.25λ＜R2＜R1＜1.4λ，1.15λ≤r1,r2≤1.25λ，其中，λ为微波波长；
双段非均匀慢波结构(204)由8-10个慢波单元构成，慢波单元的外半径和内半径分别为Rsn和rsn(n＝1,2,...,N,N＝8,9或者10)，且满足条件：
1.3λ≤Rsn≤1.4λ,1.15λ≤rsn≤1.3λ。
2.根据权利要求1所述的高效率低磁场双模工作相对论返波管，其特征在于：还包括设置在双段非均匀慢波结构(204)与输出波导(205)之间的台阶模式变换结构(207)；
台阶模式变换器(207)的半径从R12变为R13，且R12对TM03模截止，R13对TM02模截止，即R13＜0.879c/f＜R12＜1.377c/f,台阶模式变换器(207)的台阶面与双段非均匀慢波结构(204)中最后一个慢波单元之间的距离L在一个拍波波长内可调，且满足2λ＜L＜2λ+λg1λg2/(λg2-λg1)。
3.根据权利要求1或2所述的高效率低磁场双模工作相对论返波管，其特征在于：阴极反射环(202)可在环形阴极(201)内轴向移动。
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