CN111916322A - 一种具有偏转磁场的多级降压收集极 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有偏转磁场的多级降压收集极，属于真空电子技术领域。该收集极通过将整个收集极置于与入射电子方向垂直的偏转磁场中，使得大部分电子在偏转磁场的作用下均打在收集极同侧上，可有效提高收集极散热效率。此外，本发明还具有结构简单、易于加工、收集效率高以及无返流的优点。具有3级叶片的收集极用于收集220GHz带状注行波管互作用后的剩余电子，其收集效率高达98.86％，绝大部分电子都打在了收集极侧壁。

Description

一种具有偏转磁场的多级降压收集极
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种多级降压收集极，该降压收集极通过在偏转磁场的作用下进行电子剩余能量的收集。
背景技术
行波管作为一种末级功率放大器，广泛应用在雷达、电子战、卫星通信、精确制导等电子装备中。衡量行波管质量好坏的一个重要因素为行波管效率的高低。提高行波管效率一般有两种方法：一种是提升电子与慢波结构互作用的电子效率来提高行波管的整管效率；另一种是使用降压收集极来回收与慢波结构互作用后的剩余电子的能量，从而提高整管效率。其中，通过第一种方法来提高行波管效率比较困难，因此，利用降压收集极来提高行波管的整管效率是目前最有效、最易实现的途径。多级降压收集极将注波互作用后的剩余电子按能量进行分级，使其在不同电压的电极上被收集，将电子剩余能量返还给电源再次利用，从而提高行波管的整管效率。
由于利用降压收集极可以有效地提高行波管效率，科技工作者对收集极的关注也不断增加。到目前为止，也有多种收集极结构被提出和研究，但现有的多数多级降压收集极都是基于常规圆形电子注设计，由多个圆柱形腔体电极组成，且后一级圆柱形腔体电极一般要大于前一级圆柱形腔体电极，其通过各个电极之间的电势差来完成对不同能量电子的分类收集。这种结构决定了传统收集极尺寸往往会偏大，难以加工和装配，而且由于收集极内部的电子注通道平行于慢波结构的电子注通道，因此可能会导致电子注返流现象发生，从而降低整管性能。除此之外，在常规收集极结构中，在电子注收集的过程中电子会向四周逸散，因此在设计散热结构时，除了必要的散热底板以外，还需对收集极进行环绕降温设计，从而增加了对散热系统的要求。
发明内容
针对背景技术中现有降压收集极所存在的电子注返流和散热效率不高的问题，本发明的目的在于提供一种具有偏转磁场的多级降压收集极。该收集极通过将整个收集极置于与入射电子方向垂直的偏转磁场中，使得大部分电子在偏转磁场的作用下均打在收集极同侧上，可有效提高收集极散热效率，同时还具有结构简单、易于加工、收集效率高和无返流的优点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有偏转磁场的多级降压收集极，包括第一级降压的腔体电极，和设置于腔体电极上的电子注通道，其特征在于，所述腔体电极平行于电子注通道的一侧壁上固定设置有n个依次间隔排列的叶片电极，所述叶片电极的厚度与腔体电极侧壁厚度相同，所述叶片电极与腔体电极接触处间隔绝缘材料；所述多级降压收集极放置于与电子注传输方向垂直的偏转磁场中。
进一步地，所述腔体电极为长方体形、圆柱体形或椭球体形腔体电极，所述叶片电极截面形状与腔体电极形状相适应，为矩形、圆形或椭圆形。
进一步地，所述多级降压收集极还包括散热装置，所述散热装置与叶片电极同侧。
进一步地，n≥1，具体数目由互作用完的电子注能量分布决定；较优地，n为3或4。
进一步地，所述电子注通道与行波管慢波结构末端相连，且电子注通道的截面尺寸大于行波管慢波结构末端的电子注通道截面尺寸，以保证慢波结构末端的剩余电子顺利通过电子注通道。进一步地，所述收集极材料为高导无氧铜；所述绝缘材料为陶瓷。
进一步地，所述叶片电极为单独结构件，通过焊接方式固定到腔体电极上。
进一步地，所述电子注通道截面形状为矩形、圆形或椭圆形。
进一步地，所述偏转磁场的强度由洛伦兹公式给出，与电子速度和电子注偏转半径有关，所述偏转磁场由永磁材料产生。
本发明的工作原理如下：
经过行波管慢波结构互作用后的剩余电子通过第一级腔体电极中的电子注通道减速进入矩形腔体中，在与入射电子方向垂直的偏转磁场的作用下受到洛仑兹力的作用发生偏转。通过调整磁场大小、电子注入口与腔体电极底壁的距离让电子注旋转一定角度后落入矩形腔体底壁，在电子落点位置嵌入叶片电极作为第二级收集极，其中一部分电子因其所携带的剩余能量大于或等于第一与第二级电极电势差被第二级叶片电极所收集，剩余电子在降落之前在电势差的影响下重新加速并在磁场洛仑兹力的作用下旋转一定角度重新落入腔体电极底部第二级叶片电极后方位置；同样，其中一部分电子被嵌入此处的第三级叶片电极收集，而另一部分电子再次通过类似的过程被下一级叶片电极所收集，最后剩余的电子被矩形腔体电极所收集。矩形腔体电极与叶片电极之间由陶瓷间隔相互绝缘，各级分别与不同电压的电源连接，将收集到的电流反馈给电源再次被利用。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明具有偏转磁场的多级降压收集极结构简单、易于加工、收集效率高、无返流，可以在显著提高行波管效率的同时不影响电子效率。具有3级叶片的该多级降压收集极在用于收集220GHz带状注行波管慢波结构互作用后的剩余电子时，其收集效率高达98.86％。
2.本发明多级降压收集极能很好地收集行波管慢波结构互作用后的剩余电子，绝大部分电子在磁场作用下打在收集极安装有散热板的侧壁，从而提高散热系统的效率。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图。
图2为收集极入口电子注分布图；
其中，(a)为位置分布图，(b)为电子注能量分布图。
图3为本发明多级降压收集极的三维结构图；
其中，(a)为整体结构示意图，(b)为剖面结构示意图。
图4为本发明沿入口电子注通道垂直方向的剖面尺寸标注图。
图5为本发明多级降压收集极的尺寸标注图；
其中，(a)为沿叶片电极所在壁方向俯视的尺寸标注图，(b)为慢波结构电子注通道截面尺寸示意图，(c)为收集极电子注通道截面尺寸示意图。
图6为本发明多级降压收集极工作时的电子轨迹模拟图。
图中：矩形腔体电极1；第二级叶片电极2；第三级叶片电极3；第四级叶片电极4；电子注通道5包括：慢波结构末端电子注通道51、收集极入口电子注通道52。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
图1为本发明沿与入口电子注通道方向垂直的剖面工作原理示意图。经过行波管慢波结构互作用后的剩余电子通过第一级腔体电极中的电子注通道减速进入矩形腔体中，在磁场的作用下，依次经过第二级叶片电极，第三级叶片电极和第四级叶片电极，各级分别与不同电压的电源连接，将收集到的电流反馈给电源再次利用。此外，由于磁场的作用，电子的运动方向与慢波结构的电子注通道方向不再平行，可以较大程度上地减少电子返流；并且三个叶片电极均位于同一侧，只需要在该侧设置散热装置，能够在更大程度上地提升散热效率。
图2(a)为收集极入口电子注位置分布图，图2(b)为收集极入口电子注能量分布图。其中，位置分布图决定了收集极矩形腔体电极上设置的矩形电子注通道的尺寸，而电子注能量分布图中可以得出实际应用中较优地可以采用几片叶片，如图2(b)所示，本发明收集装置用于220GHz带状注行波管互作用后的剩余电子的收集时，叶片数量设置为3。
图3为本发明多级降压收集极的三维结构图。一种具有偏转磁场的多级降压收集极，整体结构示意图如图3(a)所示，包括第一级降压的矩形腔体电极1，和设置于矩形腔体电极上的矩形电子注通道5；所述矩形腔体电极平行于电子注通道的一底壁上固定设置有三片依次排列的矩形叶片电极2、3、4，为了便于加工，矩形腔体电极表面开槽，槽中心与叶片电极等长且与腔体连通，矩形叶片电极通过焊接固定于槽中心位置，所述矩形叶片电极在z方向与腔体电极接触处间隔绝缘陶瓷材料；所述多级降压收集极放置于与电子注传输方向(z方向)垂直的均匀稳定偏转磁场中。
本发明提供的一种具有偏转磁场的多级降压收集极，第一级降压矩形腔体电极中的电子注通道与行波管慢波结构末端绝缘相连，且第一级降压矩形腔体电极中的电子注通道尺寸大于行波管慢波结构末端的电子注通道尺寸，以保证慢波结构末端的剩余电子顺利通过矩形电子注通道。5为矩形电子注通道，其宽边平行于y轴，窄边平行于x轴，其与行波管慢波结构末端绝缘相连。
图4给出了本发明沿入口电子注通道垂直于叶片电极方向的剖面尺寸标注图，电极1总长度为a1，宽度为b1，高度为c1，腔壁厚度与电子注通道52长均为p。第一级矩形腔电极1与叶片电极的左右间隙均为g；第二级叶片电极与第一级矩形腔体靠近慢波结构一端的间距为s1，第二级叶片电极与第三级叶片电极间距为s2，第三级叶片电极与第四级叶片电极间距为s3，叶片电极高度为p。其中，第二级叶片、第三级叶片和第四级叶片的尺寸可以不相同，可根据电子注能量的具体分布适当调整叶片尺寸。
图5(a)为本发明沿叶片电极所在壁方向俯视的尺寸标注图。第二级叶片电极2长度为a2，宽度为b2。第三级叶片电极3长度为a3，宽度为b3。第四级叶片电极4长度为a4，宽度为b4，其中，a2＝a3＝a4<b1-p，且所有叶片电极与第一级电极四周间隔均为g，用绝缘陶瓷填充。图5(b)为慢波结构末端电子注通道截面图，与图3中51对应，慢波结构的电子注通道宽边与y轴平行，窄边与x轴平行，宽边尺寸为w1，窄边尺寸为h1；图5(c)为第一级电极中的矩形电子注通道截面，与图3中52对应，比图5(b)略大，并与图5(b)对准，其宽边平行于y轴，窄边与x轴平行，宽边尺寸为w2，窄边尺寸为h2。
以220GHz带状注行波管具有偏转磁场的四级降压收集极为例，电子注位置分布与能量分布如图2所示。慢波结构的电子注通道宽边为w1＝0.78mm，窄边为h1＝0.14mm(如图5(b)所示)。收集极第一级中的矩形电子注通道宽边w2＝1mm，窄边h2＝0.4mm(如图5(c)所示)，通道长p＝1.5mm(如图4所示)。收集极第一级总长度a1＝52mm，宽b1＝12mm，高c1＝18mm。第二级叶片电极与第一级矩形腔体靠近慢波结构一端的间距s1＝3.3mm，第二级叶片电极与第三级叶片电极间距为s2＝8.7mm，第三级叶片电极与第四级叶片电极间距s3＝8mm，第一级矩形腔体电极与各叶片电极的间隙均为g＝0.1mm(如图4所示)。第二级叶片电极长a2＝8.8mm，宽b2＝4.8mm，第三级叶片电极长a3＝8.8mm，宽b3＝6.8mm，第四级叶片电极长a4＝8.8mm，宽b4＝5.8mm(如图5(a)所示)。加载在收集极上的磁场方向为
Figure BDA0002654551490000051
磁感应强度大小由洛仑兹公式(By＝mv/qr)给出，本例中取By＝500G。
用上述具有偏转磁场的多级降压收集极来收集220GHz带状注行波管互作用后的剩余电子，工作时，收集极内的电子轨迹模拟图如图6所示。在收集极一到四级分别施加-10kV、-23.3kV、-22.5kV和-17kV的电压，利用仿真软件CST Particle Studio 2016对上述具体实施方案的收集极进行模拟计算，得到收集极效率为98.86％，且绝大部分电子都打在收集极侧壁，从而有利于散热效率的提升。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种具有偏转磁场的多级降压收集极，包括第一级降压的腔体电极，和设置于腔体电极上的电子注通道，其特征在于，所述腔体电极平行于电子注通道的一侧壁上固定设置有n个依次间隔排列的叶片电极，所述叶片电极的厚度与腔体电极侧壁厚度相同，所述叶片电极与腔体电极接触处设置绝缘材料；所述多级降压收集极放置于与电子注传输方向垂直的偏转磁场中。
2.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述腔体电极为长方体形、圆柱体形或椭球体形腔体电极，所述叶片电极截面形状为矩形、圆形或椭圆形。
3.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述多级降压收集极还包括散热装置，所述散热装置与叶片电极处于同一侧。
4.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，n≥1，具体数目由完成互作用的电子注能量分布所决定。
5.如权利要求4所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，n为3或4。
6.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述腔体电极上的电子注通道与行波管慢波结构末端相连，且腔体电极上的电子注通道的截面尺寸大于行波管慢波结构末端的电子注通道截面尺寸。
7.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述收集极材料为高导无氧铜；所述绝缘材料为陶瓷。
8.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述叶片电极为单独结构件，通过焊接固定在腔体电极上。
9.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述电子注通道截面形状为矩形、圆形或椭圆形。
10.如权利要求1所述具有偏转磁场的多级降压收集极，其特征在于，所述偏转磁场的强度由洛伦兹公式给出，与电子速度和电子注偏转半径有关。
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