CN112563094B - 一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法 - Google Patents

一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高功率微波技术领域，公开了一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法，该方法在无箔二极管中应用斜面阴极，并将其完全浸没在均匀轴向磁场中；斜面阴极为与二极管同轴的回转体结构，斜面阴极的平顶段、直段与二极管轴线平行，前斜面与二极管轴线之间的夹角为θ1，后斜面与二极管轴线之间的夹角为θ2，平顶段与直段之间的垂直距离为斜面阴极半径最大增加量R，在保证阴极引杆上电场强度小于400kV/cm的条件下，通过增大斜面阴极半径最大增加量R实现电子束回流抑制。本发明通过在无箔二极管中应用斜面阴极，斜面阴极完全浸没在均匀引导磁场中，回流电子束会受到斜面阴极附近较强负电势的抑制作用以及斜面阴极的阻挡吸收作用，从而抑制电子束回流。

Description

一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，涉及一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法。
背景技术
无箔二极管具有产生长脉冲和重复频率强流相对论电子束的能力，能够将脉冲驱动源提供的高压脉冲功率转换为电子束功率，是高功率微波源的关键部件。高品质的强流电子束是实现高效率的波束互作用的重要保障，进而产生高功率微波。O型高功率微波器件一般采用阴极磁沉浸同轴无箔二极管，即将阴极浸没在均匀的轴向磁场中，控制电子束的传输和扩张以提高束流品质。由于外加轴向磁场和阴阳极间的径向电场的作用，阴极和阴极杆发射的电子极易形成回流，降低了漂移管中参与波束互作用的环形电子束功率，进而严重限制高功率微波源产生微波效率。另外，回流电子束有可能轰击绝缘结构，造成绝缘子表面闪络，缩短二极管寿命。因此，探索抑制无箔二极管中电子束回流的有效方法显得尤为重要和迫切。
目前，国内外研究人员对真空二极管中电子束回流问题进行了大量的研究，研究结果详细的阐述了二极管中电子束回流的产生原因及影响因素，可为改进无箔二极管磁绝缘提供技术指导。主流观点认为引起电子束径向振荡的主要原因是无箔二极管中的静电场和静磁场分布，由于无阳极箔，阴阳极间距存在较强的径向电场分量，使电子束获得较大横向动量，在外加引导磁场的约束下极易形成电子束回流。如中国工程物理研究院向飞等人的研究认为无箔二极管中电磁场与电子运动互作用是导致电子束回流的重要因素(向飞,谭杰,罗敏等.电子回流对高功率无箔二极管效率的影响[C].第五届全国脉冲功率会议,CPPC-2017-A25.)；国防科技大学刘列等人研究了不同的引导磁场强度下电子束回流特性(刘列,刘永贵,张亚洲.无箔二极管中引导磁场对电子回流的影响[J].国防科技大学学报,2002,24:2.)，进一步发现二极管阴极附近的区域较大的径向电场Er和径向磁场Br致使电子束回流，增大引导磁场Bz可有效抑制电子回流。国防科技大学林惠祖通过对真空高压二极管中电子回流研究认为引入屏蔽环的径向绝缘结构能使电场的分布较均匀，可减弱二极管的电子回流，并提高绝缘子的耐压能力(林惠祖.真空高压二极管中电子回流的研究[J].电工材料,2007,1)。2010年，西北核技术研究所的肖仁珍等人在阴极附近设计了不锈钢回流阻挡环来减小电子束回流(R.Z.Xiao,J.Sun,S.F.Huo,et al.Plasma expansion andimpedance collapse in a foil-less diode for a klystronlike relativisticbackward wave oscillator[J].Phys.Plasma,17,123107,2010.)，然而实验结果显示电子束回流更加严重了。
在低磁场和高电压条件下，自磁绝缘区域的屏蔽环只能部分的阻挡电子束回流，不锈钢回流阻挡环上存在明显的电场增强，阻挡环产生明显的侧发射导致电子束回流加重。上述技术难以有效抑制低磁场条件下无箔二极管电子束回流问题，致使低引导磁场条件下高功率微波源的效率仍然较低。
发明内容
本发明的目的在于为无箔二极管提供一种抑制电子束回流的方法，从而大幅减小无箔二极管的束流损失，提高其将电脉冲功率转换为漂移管中电子束功率的效率，为提高低磁场高功率微波源的效率提供技术支持。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法，在无箔二极管中应用斜面阴极，并将其完全浸没在均匀轴向磁场中；所述斜面阴极为与二极管同轴的回转体结构，斜面阴极的平顶段、直段与二极管轴线平行，前斜面与二极管轴线之间的夹角为θ1，后斜面与二极管轴线之间的夹角为θ2，平顶段与直段之间的垂直距离为斜面阴极半径最大增加量R，在保证阴极引杆上电场强度小于400kV/cm的条件下，通过增大斜面阴极半径最大增加量R实现电子束回流抑制。
进一步的，斜面阴极的倾角取值范围满足0.8°≤θ1≤1.5°且θ2≤5°，且后斜面长度L1、平顶长度L2、前斜面长度L3和直段长度L4满足L4≤L1≤3L4、0.5L4≤L2≤L4、3L4≤L3≤5L4，且直段长度L4满足10mm≤L4≤25mm。
进一步的，斜面阴极主体采用钛材料。
进一步的，阴极刀口采用石墨材料。
进一步的，对斜面阴极的拐角位置进行倒角处理。
进一步的，对斜面阴极的拐角位置进行剖光处理。
本发明的有益效果是：利用所述抑制无箔二极管中电子束回流的方法，能够大幅降低无箔二极管中电子束回流，改善无箔二极管的电压和电流波形，提高低磁场高功率微波源的效率。
附图说明
图1为本发明圆周对称的斜面阴极结构示意图；
图2为未采用本发明时无箔二极管中电子束时空间图；
图3为采用本发明时无箔二极管中电子束时空间图；
图4为本发明抑制无箔二极管中电子束回流方法的有益实验效果，(a)电压波形，(b)电流波形。
图中：1-后斜面；2-平顶段；3-前斜面；4-直段；5-阴极刀口
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明抑制无箔二极管中电子束回流的方法做详细描述。
根据相对论返波管工作状态，确定二极管工作电压、阴极发射束流强度以及外加均匀的引导磁场B0，阴极完全浸没在均匀的轴向磁场中。现有的阴极为圆筒形回转体，如图2所示，本发明提供的斜面阴极如图3所示。
本发明应用斜面阴极抑制无箔二极管中电子束回流的方法示意图如图1所示，斜面阴极完全浸没在外加均匀的轴向磁场中。加速器产生的高压电脉冲驱动阴极爆炸发射产生强流相对论电子束，受阴极等离子体扩展和阴极侧发射的影响，电子束在外加磁场的约束作用下形成回流。在同轴无箔二极管中，原直面的阴极侧面只存在径向电场，无法抑制电子束回流。在应用斜面阴极的情形下，一方面回流电子束会受到阴极斜面产生轴向电场的减速作用；另一方面斜面阴极远离阴极刀口位置的半径有所增大，回流电子束会受到阴极斜面的阻挡作用。因此，斜面阴极能够有效抑制无箔二极管中电子束回流。
本发明在无箔二极管中应用斜面阴极，并将其完全浸没在均匀轴向磁场中；所述斜面阴极为与二极管同轴的回转体结构，斜面阴极的平顶段2、直段4与二极管轴线平行，前斜面3与二极管轴线之间的夹角为θ1，后斜面1与二极管轴线之间的夹角为θ2，平顶段与直段之间的垂直距离为斜面阴极半径最大增加量R，在保证阴极引杆上电场强度小于400kV/cm的条件下，通过增大斜面阴极半径最大增加量R实现电子束回流抑制。
以消除无箔二极管中电子束回流为优化目标，首先设计斜面阴极半径增加量R，需确保阴极引杆上电场强度小于400kV/cm，以防止斜面阴极产生侧发射，斜面阴极的倾角取值范围满足0.8°≤θ1≤1.5°且θ2≤5°，且适当增大斜面阴极半径，斜面阴极半径增加量R过小无法抑制回流，过大容易引起阴极侧发射。
斜面阴极完全浸没在均匀轴向磁场中，其参数后斜面长度L1、平顶长度L2、前斜面长度L3和直段长度L4满足L4≤L1≤3L4、0.5L4≤L2≤L4、3L4≤L3≤5L4。阴极刀口5附近数个毫米的范围内电场极强，通常远大于400kV/cm，导致该区域极易产生爆炸发射。因此，斜面阴极直段长度L4满足：直段长度L4满足10mm≤L4≤25mm。满足上述参数要求的斜面阴极可有效抑制电子束回流。
为了大幅抑制电子束回流，斜面阴极的制备过程中还需考虑以下两方面内容：一是斜面阴极表面处理，斜面阴极的拐角位置需要做倒角处理和剖光处理。二是斜面阴极材料的选取，斜面阴极的刀口通常采用发射性能较好的石墨材料，主体部分通常采用耐轰击性能较好的钛系材料。
本发明的一个抑制无箔二极管中电子束回流的实施例效果如图2和图3所示，二极管工作电压800kV，束流10kA，引导磁场强度B0＝0.7T，所设计的斜面阴极相关参数为L1＝30mm、L2＝10mm、L3＝77mm和L4＝20mm，阴极外半径增大R＝1.5，斜面阴极的倾角取值范围θ1＝1.12°，θ2＝2.86°。通过PIC模拟研究了使用斜面阴极前后无箔二极管中电子束回流情况，如图2和图3。结果表明斜面阴极可有效抑制无箔二极管中电子束回流。进而加工了所设计的斜面阴极，通过材料优选和表面处理后，将其应用于高功率微波产生器中，实验中使用斜面阴极前后无箔二极管中电子束回流情况如图4所示，可以看出，使用本发明斜面阴极后，二极管电压和电流波形变得更为平整，在保证前向电流I2基本不变的条件下，总电流I1明显减小，电子束回流有3.5kA减小到1kA。这就意味着实验中无箔二极管中电子束回流被抑制70％以上。其所带来的有益效果就是将高功率微波源的实验效率由27％mm提高到35％，增幅接近30％。

Claims (5)

1.一种抑制无箔二极管中电子束回流的方法，其特征在于：在无箔二极管中应用斜面阴极，并将其完全浸没在均匀轴向磁场中；所述斜面阴极为与二极管同轴的回转体结构，斜面阴极的平顶段、直段与二极管轴线平行，前斜面与二极管轴线之间的夹角为θ1，后斜面与二极管轴线之间的夹角为θ2，平顶段与直段之间的垂直距离为斜面阴极半径最大增加量R，在保证阴极引杆上电场强度小于400kV/cm的条件下，通过增大斜面阴极半径最大增加量R实现电子束回流抑制；
斜面阴极的倾角取值范围满足0.8°≤θ1≤1.5°且θ2≤5°，且后斜面长度L1、平顶长度L2、前斜面长度L3和直段长度L4满足L4≤L1≤3L4、0.5L4≤L2≤L4、3L4≤L3≤5L4，且直段长度L4满足10mm≤L4≤25mm。
2.根据权利要求1所述的抑制无箔二极管中电子束回流的方法，其特征在于：斜面阴极主体采用钛材料。
3.根据权利要求2所述的抑制无箔二极管中电子束回流的方法，其特征在于：阴极刀口采用石墨材料。
4.根据权利要求3所述的抑制无箔二极管中电子束回流的方法，其特征在于：对斜面阴极的拐角位置进行倒角处理。
5.根据权利要求4所述的抑制无箔二极管中电子束回流的方法，其特征在于：对斜面阴极的拐角位置进行剖光处理。
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