CN113053707B - 利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，涉及高功率微波器技术领域，其包括返波管本体和固定于返波管本体一端的等离子体阴极电子枪，返波管本体置于引导磁场中，返波管本体内依次设置有截止颈段、布拉格结构、平滑漂移段和慢波结构，截止颈段邻近等离子体阴极电子枪设置，布拉格结构内形成有模式转换腔，慢波结构内形成有注波相互作用腔；等离子体阴极电子枪内设置有惰性气体腔和置于惰性气体腔内的放电电极，惰性气体腔上连接有惰性气体浓度控制机构。能够稳定的输出长脉冲的双频TE11模式高功率电磁波，解决了现有技术中的双频相对论返波管输出的高功率电磁波脉冲短且稳定性低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波器技术领域，特别是涉及一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管。
背景技术
高功率微波技术对信息系统具有极大的威胁，可以用来侦测目标甚至摧毁电子设备。其中，高功率双频技术随着现代科研的进步也有了长足的发展，双频相对论返波管是一种自激荡产生微波的O型电子注器件，其采用合适的慢波结构使器件中传播的微波满足两个条件：(1)微波相速略低于电子注速度，使电子产生切伦柯夫辐射；(2)微波的群速与相速相反，引发自激振荡。但双频相对论返波管的实际工程落地和实用化仍有一点问题尚待解决，主要的技术障碍是输出脉冲短、使用寿命短和在重复频率运行不稳定等问题。
目前的双频相对论返波管的缺陷主要有其阴极场致爆炸发射电子方式的脉冲宽度小，输出的高功率电磁波脉冲短，详见专利号CN201710781380.0和CN201710780990.9中记载的双频相对论返波管。在实际工程应用中，需要进一步提高高功率相对论返波管的使用寿命，并提升其工作的稳定性，特别是器件的重频性，即多次工作能输出稳定的高功率微波。并且传统高功率相对论返波管阴极电场过高击穿阴极和电子注在注波互作用区进行换能后,会出现电子返流轰击输出腔表面而出现烧蚀的问题。
另外，返波管的工作模式通常为TM模(TM01模为主)，在实际应用中，这些模式微波能量分散，旁瓣电平高，从其辐射图上来看，TM01模在辐射场中心点的功率密度为零(方向图呈空心圆锥状)。如果将TM模直接通过天线辐射出去，会让产生的微波能量不能被有效地被利用，需要额外接TM-TE模式转换器，增加了成本且使用不方便。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，能够有较高功率容量、输出较长功率脉冲、直接产生TE模，并且能稳定输出双频微波信号，解决了现有技术中的双频相对论返波管输出的高功率电磁波脉冲短且稳定性低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其包括返波管本体和固定于返波管本体一端的等离子体阴极电子枪，返波管本体置于引导磁场中，返波管本体内依次设置有截止颈段、布拉格结构、平滑漂移段和慢波结构，截止颈段邻近等离子体阴极电子枪设置，布拉格结构内形成有模式转换腔，慢波结构内形成有注波相互作用腔；等离子体阴极电子枪内设置有惰性气体腔和置于惰性气体腔内的放电电极，惰性气体腔上连接有惰性气体浓度控制机构。
本发明的有益效果为：
1、本方案中的返波管采用等离子体阴极电子枪作为电子注源，等离子体阴极电子枪内的放电电极对对惰性气体放电产生电子注，相比于传统返波管所使用的环形阴极，能够减少离子放电对阴极的轰击破坏，并且能够输出长脉冲高功率的电磁波。调节惰性气体的浓度能够调节所产生的等离子体浓度，从而调节等离子体阴极电子枪输出的电子注电流大小，使得电子注的电流大小调节更可靠且方便。
2、等离子体阴极电子枪产生的电子注在引导磁场的作用下进入返波管本体内，电子注进入慢波结构内的注波相互作用腔进行微波与电子注的能量交换，产生一种TM01模式的反向电磁波，反向电磁波再进入布拉格结构内的模式转换腔中。布拉格结构作为模式转换器和一个稳定的振荡器，既能作为振荡器产生另一种频率稳定的高功率微波，又能作为布拉格反射腔，将TM01模式的电磁波转化为TE11模式的电磁波。产生的双频电磁波通过截止颈段的反射作用，将反向的TE11模再转换为正向的TE11模，输出双频TE11模。平滑漂移段的长短能够改变两种电磁波的相位差。使得通过返波管可以直接辐射出TE模的微波，降低了微波能量损失，能够提高微波信号的稳定性，不需要外接TM-TE模式转换器，降低了设备成本。
附图说明
图1为利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管的原理图。
图2为等离子体阴极电子枪的内部结构示意图。
图3为等离子体阴极电子枪的右视图。
图4为布拉格结构中左螺旋凸起和右螺旋凸起的示意图。
图5为利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管输出的TE11模微波的频谱仿真图。
图6为利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管输出的TE11模式的径向电场等值线图。
其中，1、返波管本体；11、截止颈段；12、布拉格结构；121、模式转换腔；13、平滑漂移段；14、慢波结构；141、注波相互作用腔；15、电子收集极；2、等离子体阴极电子枪；21、惰性气体腔；22、放电电极；23、电子枪外壳；24、绝缘支撑柱；25、电子注输出口；3、引导磁场；31、第一磁场；32、第二磁场；321、定时器；4、惰性气体浓度控制机构；41、进气孔；42、进气管道；43、储气罐；44、进气控制阀；45、出气孔；46、出气管道；47、真空泵；48、真空计。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1～图3所示，该利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管包括返波管本体1和固定于返波管本体1一端的等离子体阴极电子枪2，返波管本体1置于引导磁场3中，返波管本体1内依次设置有截止颈段11、布拉格结构12、平滑漂移段13和慢波结构14，截止颈段11邻近等离子体阴极电子枪2设置，布拉格结构12内形成有模式转换腔121，慢波结构14内形成有注波相互作用腔141；等离子体阴极电子枪2内设置有惰性气体腔21和置于惰性气体腔21内的放电电极22，惰性气体腔21上连接有惰性气体浓度控制机构4。
等离子体阴极电子枪2包括为圆柱状的电子枪外壳23，放电电极22呈空心圆柱网状，放电电极22与电子枪外壳23同轴设置，放电电极22通过多根绝缘支撑柱24悬空支撑于电子枪外壳23上，放电电极22与交流电源连接，交流电源输出电压为500V左右，输出频率50kHz。
放电电极22与电子枪外壳23之间的空腔为惰性气体腔21，惰性气体腔21上连接有惰性气体浓度控制机构4，惰性气体浓度控制机构4包括贯穿设置于电子枪外壳23上的进气孔41和出气孔45，进气孔41通过进气管道42与储气罐43连接，储气罐43用于存放惰性气体，进气管道42上连接有进气控制阀44，通过进气控制阀44控制进气管道42的通断，从而控制是否向惰性气体腔21内充入储气罐43中的惰性气体。出气孔45通过出气管道46与真空泵47连接，出气管道46上连接有真空计48，真空计48能够显示惰性气体腔21的压强，真空泵47能够排出惰性气体腔21内的气体，进而控制惰性气体腔21内的压强。
引导磁场3包括同轴设置且均与直流电源连接的第一磁场31和第二磁场32，第一磁场31覆盖于等离子体阴极电子枪2与返波管本体1连接处，第二磁场32覆盖截止颈段11、布拉格结构12、平滑漂移段13和慢波结构14。第一磁场31的磁场强度不小于第二磁场32磁场强度的1.5倍。第二磁场32上连接有定时器321，通过定时器321计时，使第一磁场31和第二磁场32能够对电子注间隔作用。
布拉格结构12包括设置于模式转换腔121内壁上的左螺旋凸起和右螺旋凸起，左螺旋凸起和右螺旋凸起沿返波管本体的轴向螺旋延伸，左螺旋凸起和右螺旋凸起的分布如图4所示，以便于清楚看清楚具体的结构，图4所示的是左螺旋凸起和右螺旋凸起在圆柱上的分布示意图。
左螺旋凸起和右螺旋凸起的平均内半径为18.8mm，内半径是指凸起靠近轴线的近端与轴线之间的直线距离；凸起的平均深度为1.8mm，凸起的深度是指凸起的最高点与最低点的垂直距离，螺旋的螺距为18mm，布拉格结构具有12个螺旋周期。
慢波结构14为沿返波管本体1轴线对称的正弦波纹圆波导，正弦波纹圆波导的平均内半径为17.4mm、幅值为2.0mm以及一个周期的轴向长度为13mm，慢波结构有9个波纹周期。
平滑漂移段13为圆滑连接于布拉格结构12与慢波结构14之间的一段圆波导，改变平滑漂移段13的长度能够改变输出微波频谱中两个频率分量的幅值大小和频率值。返波管本体1内还设置有电子收集极15，电子收集极15位于慢波结构14远离平滑漂移段13的一端。
本利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管输出高功率双频TE11模式电磁波的过程是：
打开真空泵47进行抽气，当气压为100Pa时，打开进气控制阀44将储气罐43中的惰性气体充入惰性气体腔21内，通过调整所进入的惰性气体浓度来调整等离子体阴极电子枪的输出电子注的电流大小。打开放电电极22上连接的交流电源，交流电源输出电压为500V左右，输出频率50kHz，使放电电极22与电子枪外壳23的内壁间形成高压放电，自由电子在高压电场作用下，与气体分子碰撞，气体被击穿，中性分子原子被电离。经过一段时间之后，腔内的电子密度稳定，打开第一磁场31上连接的20kV的直流电源使其产生1.2T的磁场，惰性气体腔21内的电子在第一磁场31的引导作用下，通过电子枪外壳23上呈环状的电子注输出口25进入到返波管本体1内，此时，电子注承载电流为7.2kA，加速电压为550kV，同时，定时器321启动，让第二磁场32通电产生0.8T的磁场。
在第二磁场32的引导作用下，由于位于近端的布拉格结构12的内径大于位于远端的慢波结构14的内径，所以电子注在无遮挡的情况下会先进入慢波结构14内的注波相互作用腔141中发生注波相互作用，微波与电子注之间发生能量交换，产生一种TM01模式的反向电磁波。
反向电磁波沿着与电子注反向的方向进入布拉格结构12内的模式转换腔121中，布拉格结构12作为模式转换器和一个稳定的振荡器，既能作为振荡器产生另一种频率稳定的高功率微波，又能作为布拉格反射腔，利用模式耦合，将TM01模式的电磁波转化为TE11模式的电磁波。产生的反向传输的微波在截止颈段11处被截止并反射，再次反向，成为与等离子体阴极电子枪发射的电子注同向的前向波，输出高功率长脉冲双频TE11模式的电磁波，频率为7.5GHz和10.2GHz，如图5和图6所示。最后，剩余的电子在第二磁场32的引导下撞击电子收集极15被收集。
在布拉格结构12和慢波结构14之间有的一段6mm的平滑漂移段13，通过改变平滑漂移段13的长度，可以调节本返波管内的前向波和后向波的相位差。
Claims (7)
1.一种利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，包括返波管本体和固定于所述返波管本体一端的等离子体阴极电子枪，所述返波管本体置于引导磁场中，所述返波管本体内依次设置有截止颈段、布拉格结构、平滑漂移段和慢波结构，所述截止颈段邻近所述等离子体阴极电子枪设置，所述布拉格结构内形成有模式转换腔，所述慢波结构内形成有注波相互作用腔；所述等离子体阴极电子枪内设置有惰性气体腔和置于惰性气体腔内的放电电极，所述惰性气体腔上连接有惰性气体浓度控制机构；
所述等离子体阴极电子枪包括电子枪外壳，所述放电电极呈空心圆柱网状，所述放电电极通过绝缘支撑柱固定于所述电子枪外壳上，所述放电电极与所述电子枪外壳之间的空腔为惰性气体腔，所述电子枪外壳上设置有呈环状的电子注输出口；
所述惰性气体浓度控制机构包括贯穿设置于所述电子枪外壳上的进气孔和出气孔，所述进气孔通过进气管道与储气罐连接，所述进气管道上设置有进气控制阀；所述出气孔通过出气管道与真空泵连接，所述出气管道上连接有真空计；
所述引导磁场包括同轴设置且均与直流电源连接的第一磁场和第二磁场，所述第一磁场覆盖于所述等离子体阴极电子枪与所述返波管本体连接处，所述第二磁场覆盖所述截止颈段、布拉格结构、平滑漂移段和慢波结构。
2.根据权利要求1所述的利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，所述第一磁场的磁场强度不小于所述第二磁场磁场强度的1.5倍。
3.根据权利要求1所述的利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，所述第二磁场上连接有定时器。
4.根据权利要求1所述的利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，所述布拉格结构包括设置于所述模式转换腔内壁上的左螺旋凸起和右螺旋凸起，所述左螺旋凸起和所述右螺旋凸起沿所述返波管本体的轴向螺旋延伸，所述左螺旋凸起和所述右螺旋凸起的平均内半径为18.8mm，凸起的平均深度为1.8mm，螺旋的螺距为18mm，所述布拉格结构具有12个螺旋周期。
5.根据权利要求1所述的利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，所述慢波结构为沿所述返波管本体轴线对称的正弦波纹圆波导，所述正弦波纹圆波导的平均内半径为17.4mm、幅值为2.0mm以及一个周期的轴向长度为13mm，所述慢波结构有9个波纹周期。
6.根据权利要求1所述的利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，所述平滑漂移段为圆滑连接于所述布拉格结构与所述慢波结构之间的一段圆波导，改变所述平滑漂移段的长度能够改变输出微波频谱中两个频率分量的幅值大小和频率值。
7.根据权利要求1所述的利用等离子体阴极电子枪的双频相对论返波管，其特征在于，所述返波管本体内还设置有电子收集极，所述电子收集极位于所述慢波结构远离所述平滑漂移段的一端。
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| Title |
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| X波段双电子注相对论返波振荡器的粒子模拟;刘丰等;《微波学报》;20100815;全文 * |
| 等离子体填充相对论行波管;谢鸿全等;《重庆大学学报(自然科学版)》;20040430(第04期);全文 * |
| 等离子体阴极电子枪的实验研究;谢文楷等;《电子学报》;20030325(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113053707A (zh) | 2021-06-29 |
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