CN111799141B - 一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管 - Google Patents

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Abstract

为了提高低磁场相对论返波管的束波转换效率，本发明提供一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管。包括返波管管体、环形阴极、阳极、管头、谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔、输出波导和磁场线圈；阳极从前往后依次包括阳极漂移段、阳极腔前漂移段及阳极腔；管头为矩形管头；阳极腔前漂移段为沿返波管管体内壁周向设置的矩形截面环形凸起；阳极腔为沿返波管管体内壁周向开设的矩形截面环形腔体，位于矩形管头前侧，环形阴极后侧。本发明采用矩形管头结构代替原有的斜面管头结构，以在高电压脉冲注入时增强管头附近的局部径向电场；在管头前增加阳极腔，增强对低磁场束流包络的抑制，进而促进束流在射频场中的调制和群聚，有利于实现效率的提高。

Description

一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，特别是涉及一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管。
背景技术
相对论返波管是当前最有潜力的高功率微波(high power microwave，以下简称HPM)器件之一，其具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率脉冲工作等特点，是国内外HPM器件研究的重点。针对高功率微波产生装置轻量小型化的迫切需求，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。
肖仁珍等人于2009年发明了速调型返波管，其基本构型如附图1所示(R.Z.Xiao,C.H.Chen,X.W.Zhang,and J.Sun,J.Appl.Phys.105,053306(2009).)。它包括环形阴极1、阳极8、斜面管头2、谐振反射器3、慢波结构4、提取腔5、输出波导6和磁场线圈7。环形阴极1被阳极8和斜面管头2所环绕，位于结构前端，环形阴极1在高压脉冲作用下向管内发射环形相对论电子束；谐振反射器3、慢波结构4、提取腔5和输出波导6依次置于环形阴极1后侧；磁场线圈7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，由环形阴极1发射环形相对论电子束，在磁场线圈7产生的磁场引导下，经过谐振反射器3，获得一定的预调制。随即进入非均匀慢波结构4中，与电磁波产生初步相互作用，调制逐渐加深。接下来，电子束进入提取腔5，电子束的能量充分转化为微波能量，作用后的电子束被收集在空心圆波导6上。产生的部分微波向环形阴极1方向传输，被谐振反射器3反射，重新经过慢波结构4和提取腔5后由输出波导6输出。
利用已有的速调型返波管技术，在0.32T磁场引导下，在二极管电压880kV，电流13.9kA时，可产生3.7GW的微波功率，微波频率为4.35GHz，束波转换效率为28％。H.D.Wang,R.Z.Xiao,C.H.Chen,Y.C.Shi,and G.S.Zhang.Preliminary investigation of amagneticallyinsulated relativistic backward waveoscillator operating in theC-band with lowmagnetic field,Phys.Plasmas 27,043101(2020)。
发明内容
本发明的目的是提供一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管，以进一步提高低磁场相对论返波管的束波转换效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管，包括返波管管体、环形阴极、阳极、管头、谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔、输出波导和磁场线圈；
环形阴极位于返波管管体前侧，在高压脉冲作用下向返波管管体内发射环形相对论电子束；阳极、管头、谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔和输出波导依次设置，且管头、谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔和输出波导依次位于环形阴极后侧；磁场线圈安装在阳极、管头、谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔和输出波导整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场；
其特征在于：
所述阳极从前往后依次包括阳极漂移段、阳极腔前漂移段及阳极腔；
所述管头为矩形管头；
所述阳极腔前漂移段为沿返波管管体内壁周向设置的矩形截面环形凸起；
所述阳极腔为沿返波管管体内壁周向开设的矩形截面环形腔体，位于矩形管头前侧，环形阴极后侧；所述谐振反射器、非均匀慢波结构、提取腔、输出波导依次置于矩形管头后侧。
进一步地，所述阳极漂移段的轴向长度da，环形阴极的轴向长度dc，阳极腔前漂移段的轴向长度d1，阳极腔的轴向长度d2需满足条件：da＜dc，da+d1＞dc；阳极漂移段的半径ra，阳极腔前漂移段的半径r1，阳极腔的半径r2，矩形管头的半径r3，环形阴极1的内外半径rc1,rc2需满足条件ra＞r2＞r1＞r3＞rc2＞rc1。
本发明束流群聚增强的低磁场相对论返波管与已有技术相比，具有以下优点：
1、本发明采用矩形管头结构代替原有的斜面管头结构，以在高电压脉冲注入时增强管头附近的局部径向电场；
2、在管头前增加阳极腔，增强管头附近局部径向电场的梯度，增强对低磁场束流包络的抑制，进而促进束流在射频场中的调制和群聚，有利于实现效率的提高。
附图说明
图1为现有技术的低磁场相对论返波管结构示意图；
图中附图标记为：1-环形阴极，2-斜面管头，3-谐振反射器，4-慢波结构，5-提取腔，6-输出波导，7-磁场线圈，8-阳极；
图2为本发明的一个优选实施例结构示意图；
图中附图标记为：1-环形阴极，2-阳极，21-阳极漂移段，22-阳极腔前漂移段，23-阳极腔，3-管头，4-谐振反射器，5-非均匀慢波结构，6-提取腔，7-输出波导，8-磁场线圈；
图3为本发明的阳极腔与矩形管头结构示意图。
图4为高电压脉冲注入时使用本发明相对论返波管中的径向电场分布，以及使用传统相对论返波管径向电场分布对比。其中(a)为传统相对论返波管中径向电场分布；(b)为本发明相对论返波管中的径向电场分布；
图5为使用本发明的阳极腔与矩形管头时相对论返波管中基频电流的分布情况，以及使用传统管头时的基频电流分布的对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明束流群聚增强的低磁场相对论返波管做详细描述。
图2给出了本发明的一个实施例示意图。它包括环形阴极1、阳极2、管头3、谐振反射器4、非均匀慢波结构5、提取腔6、输出波导7和磁场线圈8。
阳极2从前往后依次包括阳极漂移段21、阳极腔前漂移段22及阳极腔23；阳极腔前漂移段22为沿返波管管体内壁周向设置的矩形截面环形凸起，阳极腔23为沿返波管管体内壁周向开设的矩形截面环形腔体；此处截面指的是沿返波管管体轴向的截面。管头3为矩形管头。
环形阴极1位于返波管管体前侧，被阳极2和管头3所包围，在高压脉冲作用下向返波管管体内发射环形相对论电子束；阳极腔23位于矩形管头前端，位于环形阴极1端面后侧；谐振反射器4、非均匀慢波结构5、提取腔6、输出波导7依次置于矩形管头后侧；磁场线圈8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1产生环形相对论电子束，由于磁场线圈8所提供的磁场约束较弱，在阴极局部电场和磁场力的共同作用下会产生沿径向的周期性振荡。当相对论电子束包络经过矩形管头附近时，管头3局部的径向增强电场可以有效的抑制环形电子束沿径向的振荡幅度，提高电子束的均匀性。
随后被在径向上包络被压缩后的电子束在磁场引导下，经过谐振反射器4，电子束获得合适的预调制，进入非均匀慢波结构5，与TM01模发生同步相互作用。向环形阴极1传输的TM01模微波经谐振反射器4反射后，重新进入谐振反射器4、非均匀慢波结构5和提取腔6中，随后从输出波导7输出。
对于采用新型管头的返波管结构，如图3所示，阳极漂移段21的轴向长度da，环形阴极1的轴向长度dc，阳极腔前漂移段22的轴向长度d1，阳极腔23的轴向长度d2需满足条件da＜dc，da+d1＞dc，阳极漂移段21的半径ra，阳极腔前漂移段22的半径r1，阳极腔23的半径r2，管头3的半径r3，环形阴极1的半径rc需满足条件ra＞r2＞r1＞r3＞rc。阳极腔前的漂移段半径r1小于ra，主要用于降低二极管阻抗，使得在相同注入功率下时器件可以工作在更低的电压下，而阳极腔2改变了管头局部的电场分布，用于进一步增强管头局部的径向电场。
在一个具体实施例中，上述相对论返波管工作频率为4.35GHz，各主要结构参数如下：dc＝50mm，rc1＝41mm，rc2＝43mm，da＝40mm，ra＝80mm，r1＝70mm，r2＝75mm，r3＝52mm，d1＝29mm，d2＝11mm。在外加磁场0.32T，二极管电压880kV，电流13kA时，产生微波功率4.3GW，频率4.35GHz，束波转换效率35％，输出模式为TM01模。与已有技术在磁场0.32T下，束波转换效率28％相比，本实施例在低磁场下转换效率有了较大提高。
图4展示了高电压脉冲注入时，使用本发明相对论返波管中的径向电场分布与现有技术相对论返波管中径向电场分布的对比，在管头附近的径向电场得到了明显的增强。
图5展示了相对论返波管工作时，使用本发明的相对论返波管中电子束基频电流的分布，此时基频电流在提取腔附近最强，峰值超过20kA，束流群聚较强；而使用传统低磁场返波管时，器件内部基频电流仅为15kA，束流群聚较弱。这说明提高管头附近的径向电场，使其在与电子束径向振荡相位相匹配时，电子束振荡可以得到较好的抑制，从而在谐振反射器以及慢波结构中得到更好的调制以及群聚，有利于低磁场下束波互作用效率的提升。

Claims (2)

1.一种束流群聚增强的低磁场相对论返波管，包括返波管管体、环形阴极(1)、阳极(2)、管头(3)、谐振反射器(4)、非均匀慢波结构(5)、提取腔(6)、输出波导(7)和磁场线圈(8)；
环形阴极(1)位于返波管管体前侧，在高压脉冲作用下向返波管管体内发射环形相对论电子束；阳极(2)、管头(3)、谐振反射器(4)、非均匀慢波结构(5)、提取腔(6)和输出波导(7)依次设置，且管头(3)、谐振反射器(4)、非均匀慢波结构(5)、提取腔(6)和输出波导(7)依次位于环形阴极(1)后侧；磁场线圈(8)安装在阳极(2)、管头(3)、谐振反射器(4)、非均匀慢波结构(5)、提取腔(6)和输出波导(7)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；
其特征在于：
所述阳极(2)从前往后依次包括阳极漂移段(21)、阳极腔前漂移段(22)及阳极腔(23)；
所述管头(3)为矩形管头；
所述阳极腔前漂移段(22)为沿返波管管体内壁周向设置的矩形截面环形凸起；
所述阳极腔(23)为沿返波管管体内壁周向开设的矩形截面环形腔体，位于矩形管头前侧，环形阴极(1)后侧；所述谐振反射器(4)、非均匀慢波结构(5)、提取腔(6)、输出波导(7)依次置于矩形管头后侧；所述阳极漂移段(21)的轴向长度da，环形阴极(1)的轴向长度dc，阳极腔前漂移段(22)的轴向长度d1，阳极腔(23)的轴向长度d2需满足条件：da＜dc，da+d1＞dc；阳极漂移段(21)的半径ra，阳极腔前漂移段(22)的半径r1，阳极腔(23)的半径r2，矩形管头的半径r3，环形阴极(1)的内外半径rc1,rc2需满足条件ra＞r2＞r1＞r3＞rc2＞rc1。
2.根据权利要求1所述的束流群聚增强的低磁场相对论返波管，其特征在于：其中dc＝50mm，rc1＝41mm，rc2＝43mm，da＝40mm，ra＝80mm，r1＝70mm，r2＝75mm，r3＝52mm，d1＝29mm，d2＝11mm。
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