CN112885681A - 一种双端发射阴极结构的相对论磁控管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，属于微波技术领域。该相对论磁控管为全腔轴向提取结构，包括阳极外壳、高频结构、能量耦合槽缝、扇形波导、同轴波导、TEM‑TM01模式变换器、输出圆波导、引导磁场线圈以及阴极结构，其中阴极结构包括两个阴极端帽、对称设置的两个发射阴极、以及中心连接导体。本发明采用虚阴极方案可以有效地解决由于互作用区间中爆炸式发射产生的等离子体所带来的脉冲缩短、频率漂移、效率降低等问题，能够有效提高相对论磁控管的输出功率和功率转换效率。

Description

一种双端发射阴极结构的相对论磁控管
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种应用于相对论磁控管的阴极结构。
背景技术
相对论磁控管由于其结构简单紧凑、高转换效率等特点而被广泛应用于各类高功率微波系统。但高功率微波器件一直以来都存在着脉冲缩短的问题。脉冲缩短是指输出微波脉冲相对于产生高功率微波的电子束脉冲提前终止的现象。针对高功率微波源的长脉冲输出需求，目前国内外正大力开展虚阴极相对论磁控管的研究。
现有一种基于虚阴极技术的相对论磁控管如图1所示(An efficient all cavityaxial extractionrelativistic magnetron with virtual cathode[J],R.Cheng,T.Li,F.Qin,L.Lei,D.Wang,H.Wang,F.M.Ghannouchi and B.Hu,IEEE Trans.ElectronDevices.,vol.67,no.5,pp.2165-2169,May.2020)。它包括阳极外筒1-1、高频结构1-2、能量耦合槽缝1-3、扇形波导1-4、同轴波导1-5、TEM-TM01模式变换器1-6、输出圆波导1-7、引导磁场线圈1-8、磁镜场线圈1-9、阳极箔1-10、阴极连接结构1-11、环形阴极1-12。
工作时，环形阴极1-12发射环形相对论电子束，在引导磁场线圈1-8产生的磁场引导下，经由阴阳极间隙电场加速后穿过呈网格状的阳极箔1-10。在离开高频结构1-2区域后受磁镜场线圈1-9产生的强磁场作用而反射，反射电子在回到阴阳极间隙后又因为电场作用再次反射，电子因此而被约束在互作用区内。随着电子密度增加，受到空间电荷力的影响，电子动能降低，虚阴极形成。利用该技术，在电压650kV条件下仿真得到了0.97GW输出微波功率，束波转换效率为65％。
该方案中采用了磁场分布逐渐增强的磁镜场来约束电子，要求磁镜场的轴向磁场强度在极短距离内(1cm)由0.34T上升到1T以上，但是在实际工程中，这样的磁镜场很难实现，并且复杂的磁体系统不利于整个系统的小型化。由于发射阴极附近的高密度电子会减弱发射阴极表面的电场强度，使得发射电流减弱。为了提高输出功率，该方案采用了阳极箔结构来增强阴极表面的电场强度，从而获得更大的电流。然而，实验表明，阳极箔的电子通过率通常不超过70％，未能通过阳极箔的电子将不能进入高频结构内参与注波互作用，因此阳极箔的引入会带来电子能量的损耗造成器件效率降低。
发明内容
针对现有技术的不足，为了解决上述问题，本发明提出了一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，以实现更加方便且高效地在相对论磁控管中形成虚阴极。
本发明所采用的技术方案是：
一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，所述相对论磁控管为全腔轴向提取结构，包括阳极外壳2-1、高频结构2-2、能量耦合槽缝2-3、扇形波导2-4、同轴波导2-5、TEM-TM01模式变换器2-6、输出圆波导2-7、引导磁场线圈2-8以及阴极结构，其特征在于：
所述阴极结构包括上游阴极端帽3-1、上游阴极3-2、中心连接导体3-3、下游阴极3-4、下游阴极端帽3-5。
所述上游阴极端帽3-1右侧面与下游阴极端帽左侧面关于高频结构2-1轴向线中点对称。
所述上游阴极3-2与下游阴极3-4的形状相同，且关于高频结构2-1轴向线中点对称设置。
所述中心连接导体3-3用于连接上游阴极端帽3-1、上游发射阴极3-2、下游发射阴极3-4及下游阴极端帽3-5。
进一步地，所述高频结构2-2包括互作用段2-21、对称设置于互作用段2-21两侧的渐变过渡段2-22、以及设置于两渐变过渡段2-22另一端结构相同的扩展段2-23。
进一步地，所述互作用段2-21的内半径大于扩展段2-23的内半径。
进一步地，所述上游阴极3-2与下游阴极3-4的形状包括但不限于空心圆锥形、圆盘状等。
进一步地，所述上游阴极3-2与下游阴极3-4的最大半径取值范围为13mm-15mm。
进一步地，所述中心连接导体半径取值范围为2mm-10mm。
本发明的工作原理是：在高压脉冲作用下，两个发射阴极(上游阴极3-2与下游阴极3-4)同时向互作用区内发射环形相对论电子束。同时，这个高压脉冲会在两个发射阴极与高频结构之间产生带有轴向分量的电场，该电场起到与磁镜场相同的作用能够将电子反射回高频结构内，使电子被约束在两个发射阴极之间，该区域的电子密度逐渐增大，因此在本发明中，即使不使用磁镜也可以使电子在两个发射阴极之间堆积形成虚阴极。同时，本发明高频结构中间部分半径大，两端部分半径小，能够缩小高频结构与发射阴极的间距，并且将大部分电子约束在高频结构中，而不是两个发射阴极之间，能够有效地提高发射阴极表面的电场强度从而提高输出功率和注波互作用效率，因此本发明不需要技术背景中所提及的阳极箔结构。虚阴极与阳极块之间激励起径向电场E，与轴向磁场B共同作用下，电子沿E×B方向做轮摆运动，当其漂移速度与高频电场的相速满足同步条件时，电子和电磁场将高效的交换能量。当该相对论磁控管工作在π模时，相邻的谐振腔中微波相差为180°并经由各自的耦合槽缝将能量耦合至扇形波导中激励起类TE10模。三个扇形波导中的类TE10模合成为同轴波导中的TEM模，最后通过一个圆台形的同轴模式转换器，转换为圆波导中的TM01模式输出。
本发明有益效果是：在相对论磁控管中，采用虚阴极技术可以有效地解决由于互作用区间中爆炸式发射产生的等离子体所带来的脉冲缩短、频率漂移、效率降低等问题，而本发明的阴极结构能够更加方便、简易的实现这一技术。使用这种阴极能够有效提高相对论磁控管的输出功率和功率转换效率，仿真得到在600kV电压条件下达到2GW的输出功率，转换效率为70％，与技术背景中的虚阴极相对论磁控管相比有较大提高。
附图说明
图1为背景技术的虚阴极相对论磁控管的整体结构示意图；
图2为本发明阴极结构的整体结构示意图；
图3为实施例全腔提取结构相对论磁控管的整体结构示意图；
图4为实施例全腔提取结构相对论磁控管的3D斜视剖视图；
图5为实施例高频结构的轴向示意；
图6为实施例全腔提取结构相对论磁控管的横向剖视图；
图7为实施例输出结果图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。
本实施例中的阴极结构如图2所示，包括上游阴极端帽3-1、上游阴极3-2、中心连接导体3-3、下游阴极3-4、下游阴极端帽3-5，本实施例中上游阴极3-2、与下游阴极3-4采用空心圆锥形结构，上游阴极端帽3-1为圆柱形且右端倒圆角，下游阴极端帽3-5也为圆柱形且两端面倒圆角。
所述上游空心圆锥形阴极3-2与下游空心圆锥形阴极3-4的结构相同，内外半径分别为11mm、13mm，纵向长度为10mm，底部端面之间的轴向距离为90mm。上游阴极端帽3-1和下游阴极端帽3-5的半径均为15mm，两个端面之间的轴向距离为130mm。用于连接并支撑整个阴极结构的中心连接导体半径为3mm。
本实施例中的全腔提取结构相对论磁控管如图3所示，包括上述阴极结构、阳极外壳2-1、高频结构2-2、能量耦合槽缝2-3、扇形波导2-4、同轴波导2-5、TEM-TM01模式变换器2-6、输出圆波导2-7、引导磁场线圈2-8。
所述高频结构2-2如图5所示，包括互作用段2-21、过渡段2-22、扩展段2-23。其中互作用段半径R2＝33.3mm，长度为60mm。扩展段2-23半径R1＝26mm，长度为5mm。过渡段2-22长度为5mm，半径由R1过渡到R2。整个高频结构外半径R3＝60mm。
如图4、图6所示，六个阳极块结构沿角向周期排列，张角均为40°。六个能量耦合槽缝2-3分别位于六个谐振腔的外壁正中，内半径为R3，外半径R4＝70mm，张角为15°，轴向长度为52mm。三个扇形波导2-4内半径为R4，外半径R5＝95mm，张角为90°，轴向长度为118mm。同轴波导2-5内导体外半径为R4，外导体内半径为R5，长度为150mm。TEM-TM01模式变换器2-6呈圆台形，其底部半径为R4，顶部内导体外半径半径为30mm，圆台高度为120mm。输出圆波导内半径为R5。
按照上述实施例利用粒子模拟软件进行计算。仿真结果如图7所示，在工作电压为600kV，轴向引导磁场为0.34T的条件下，微波输出功率为2GW，功率转换效率为70％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，所述相对论磁控管为全腔轴向提取结构，包括阳极外壳(2-1)、高频结构(2-2)、能量耦合槽缝(2-3)、扇形波导(2-4)、同轴波导(2-5)、TEM-TM01模式变换器(2-6)、输出圆波导(2-7)、引导磁场线圈(2-8)以及阴极结构，其特征在于：
所述阴极结构包括上游阴极端帽(3-1)、上游阴极(3-2)、中心连接导体(3-3)、下游阴极(3-4)、下游阴极端帽(3-5)；
所述上游阴极端帽(3-1)右侧面与下游阴极端帽左侧面关于高频结构(2-1)轴向线中点对称；
所述上游阴极(3-2)与下游阴极(3-4)的形状相同，且关于高频结构(2-1)轴向线中点对称设置；
所述中心连接导体(3-3)用于连接上游阴极端帽(3-1)、上游发射阴极(3-2)、下游发射阴极(3-4)及下游阴极端帽(3-5)。
2.如权利要求1所述的一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，其特征在于，所述上游阴极(3-2)与下游阴极(3-4)的形状为空心圆锥形、或圆盘形。
3.如权利要求1或2所述的一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，其特征在于，所述高频结构(2-2)包括互作用段(2-21)、对称设置于互作用段(2-21)两侧的渐变过渡段(2-22)、以及设置于两渐变过渡段(2-22)另一端结构相同的扩展段(2-23)。
4.如权利要求3所述的一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，其特征在于，所述互作用段(2-21)的内半径大于扩展段(2-23)的内半径。
5.如权利要求2所述的一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，其特征在于，所述上游阴极(3-2)与下游阴极(3-4)的最大半径取值范围为13mm-15mm。
6.如权利要求1或2所述的一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，其特征在于，所述中心连接导体半径取值范围为2mm-10mm。
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