CN114005716A - 带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器及微波产生方法 - Google Patents

带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器及微波产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器及微波产生方法，以解决现有的径向三腔渡越时间振荡器存在的各个金属圆筒壁厚相等，及单提取间隙和单输出口结构导致的微波发生器件输出功率和束波转换效率较低的技术问题。该振荡器包括设置在中心轴的聚焦阴极和由良导体材料围成的渡越腔，聚焦阴极用于沿径向向渡越腔发射相对论电子束；沿相对论电子束传输方向依次设置阳极箔、第一渡越腔、第二渡越腔、第三渡越腔；沿轴向上，第三渡越腔一侧依次设置第一提取间隙、第一输出波导、第一输出口，另一侧依次设置第二提取间隙、第二输出波导、第二输出口。还提供了一种基于带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器的微波产生方法。

Description

带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器及微波产生方法
技术领域
本发明涉及高功率微波产生装置，具体涉及一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器及微波产生方法。
背景技术
针对高功率微波产生装置轻小型化的迫切需求，目前国内外正在大力开展无磁场高功率微波产生器的研究。无磁场高功率微波产生器存在的最大问题是束波转换效率较低。典型器件如虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等，其效率不超过20％。基于渡越辐射的径向器件，电子束沿径向向外发射，在传输通道上束流面积增大，束流密度减小，空间电荷效应减弱，有利于无磁场工作。该类型器件的一个缺点是微波起振时间较长。为了缩短起振时间，通常采用多腔结构。
在文章“边加载径向三腔渡越时间振荡器设计[J]，臧杰锋，刘庆想，林远超，丁艳峰，王彬蓉，强激光与粒子束，vol.21,no.11,pp.1705-1709,Nov.2009”中公开了一种径向三腔渡越时间振荡器，其结构如图1所示，包括阴极01、第一渡越腔03、第二渡越腔04、第三渡越腔05、提取间隙07、输出波导08和输出口09。
工作中，阴极01沿径向向外发射一定能量和电流的相对论电子束，依次经过第一渡越腔03、第二渡越腔04和第三渡越腔05，产生的微波经过提取间隙07和输出波导08，从输出口09输出。利用该技术模拟中，在400kV，60kA无外加引导磁场的条件下，获得了平均功率8GW，频率为3.9GHz的微波输出，束波转换效率33％。
该技术中，阴极采用了束发射模型，不能直接用于实验研究。设计中为了尽量不让电子打到渡越腔金属圆筒上，因而第一渡越腔03和第二渡越腔04的金属圆筒中间的电子束通道较宽；各渡越腔金属圆筒壁厚相等；采用了单提取间隙和单输出口结构。以上这些技术特点均限制了器件输出功率和束波转换效率的提高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的径向三腔渡越时间振荡器存在的各个金属圆筒壁厚相等，及单提取间隙和单输出口结构导致的微波发生器件输出功率和束波转换效率较低的技术问题，提出一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器及微波产生方法。
本发明提供的技术方案为：
一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特殊之处在于：包括径向截面为圆形的壳体、设置在壳体内中心轴的聚焦阴极和设置在聚焦阴极径向外围的由良导体材料围成的渡越腔，所述聚焦阴极用于沿径向向渡越腔发射相对论电子束；
所述渡越腔内沿相对论电子束传输方向依次设置阳极箔、第一金属圆筒组件、第二金属圆筒组件及振荡器外壁；
所述第一金属圆筒组件包括同轴设置的第一金属圆筒和第二金属圆筒，第一金属圆筒的中间环面的半径与第二金属圆筒的中间环面的半径相同，所述第一金属圆筒与第二金属圆筒沿轴向之间设有间隙，形成具有用于通过相对论电子束的第一电子束通道；
所述第二金属圆筒组件包括同轴设置第三金属圆筒和第四金属圆筒，第三金属圆筒的中间环面的半径和第四金属圆筒的中间环面的半径相同，第三金属圆筒与第四金属圆沿轴向之间设有间隙，形成具有用于通过相对论电子束的第二电子束通道；
所述阳极箔、第一金属圆筒、第二金属圆筒之间形成第一渡越腔，所述第一金属圆筒、第二金属圆筒、第三金属圆筒及第四金属圆筒之间形成第二渡越腔，所述第三金属圆筒、第四金属圆筒和壳体之间形成第三渡越腔；
所述第三渡越腔的壳体内侧面设置有间隔圆环；
沿轴向上，第三渡越腔一侧依次设置第一提取间隙、第一输出波导、第一输出口，另一侧依次设置第二提取间隙、第二输出波导、第二输出口。
进一步地，所述第一金属圆筒、第二金属圆筒、第三金属圆筒及第四金属圆筒的厚度不均等，满足条件：0＜dc31,dc32,dc41,dc42＜λ10，其中，dc31为第一金属圆筒厚度，dc32为第二金属圆筒厚度，dc41为第三金属圆筒厚度，dc42为第四金属圆筒厚度，λ是指待输出微波波长。
在满足0＜dc31,dc32,dc41,dc42＜λ10的条件下，各个圆筒壁的厚度采用了不均匀设计，这样有利于优化束波互作用，提高了束波转换效率。
进一步地，所述第一渡越腔、第二渡越腔、第三渡越腔为同轴波导结构，各参数满足：λ2＜Lc3,Lc4,Lc5＜λ，0＜hc3,hc4,hc5＜λ2，其中，Lc3为第一渡越腔轴向长度，hc3为第一渡越腔径向高度，Lc4为第二渡越腔轴向长度，hc4为第二渡越腔径向高度，Lc5为第三渡越腔轴向长度，hc5为第三渡越腔径向高度，λ是指待输出微波波长。
进一步地，所述第一金属圆筒、第二金属圆筒、第三金属圆筒及第四金属圆筒在轴向上的长度满足：0＜Lc31,Lc32,Lc41,Lc42＜λ4，其中，Lc31为第一金属圆筒的轴向长度，Lc32为第二金属圆筒的轴向长度，Lc41为第三金属圆筒的轴向长度，Lc42为第四金属圆筒的轴向长度，λ是指待输出微波波长。
进一步地，所述第一提取间隙和第二提取间隙为环状，大小参数满足：
0＜L7，L10＜λ/10，0＜h7，h10＜λ/10，其中，L7为第一提取间隙的轴向长度，L10为第二提取间隙的轴向长度，h7为第一提取间隙的径向环腔间距，h10为第二提取间隙的径向环腔间距，λ为待输出微波波长。
进一步地，所述间隔圆环为环状结构，大小参数满足：0＜L6＜λ/10，0＜d6＜λ/10，其中，d6为间隔圆环径向的长度，L6为间隔圆环的轴向长度，λ为待输出微波波长。
本发明还提供了一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器的微波产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、在高压脉冲作用下聚焦阴极沿径向向渡越腔发射相对论电子束；
S2、相对论电子束穿越阳极箔，进入第一渡越腔；
S3、相对论电子束中的部分低能电子被第一渡越腔圆筒壁吸收，相对论电子束传输过程中损失的能量交给第一渡越腔的驻波场，后续的电子从驻波场中获得能量，进入第二渡越腔；
S4、进入第二渡越腔的相对论电子束中部分低能电子束被第二渡越腔圆筒壁吸收，相对论电子束传输过程中损失的能量交给第二渡越腔的驻波场，后续的电子从驻波场中获得能量，进入第三渡越腔；
S5、进入第三渡越腔的相对论电子束的能量集中交给第三渡越腔中的行波场；通过间隔圆环对能量进行分配，一部分能量通过第一提取间隙、第一输出波导后从第一输出口输出，另一部分能量通过第二提取间隙、第二输出波导后从第二输出口输出。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的径向三腔渡越时间振荡器采用两个提取间隙，配合第三渡越腔的壳体内侧面的间隔圆环，从第三渡越腔轴向上的两侧提取微波，提取的微波分别从两个输出波导输出，有利于降低提取间隙场强，增强微波提取，从而提高器件功率容量和束波转换效率。
2、第一金属圆筒与第二金属圆筒之间，及第三金属圆筒与第四金属圆之间都具有用于通过相对论电子束的电子束通道，相对论电子束传输过程中，通过该电子束通道有利于使部分低能电子沉积到圆筒壁上，避免这部分电子进入下一个渡越腔时吸收能量，使相对论电子束在第三渡越腔中集中减速；同时，部分低能电子被吸收后，有利于降低进入第三渡越腔的电子束能散，提高电流调制系数，从而提高束波转换效率。
附图说明
图1为现有技术的径向三腔渡越时间振荡器结构示意图；
图2为本发明带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器实施例结构示意图；
图3为本发明带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器各参数示意图；
图4为本发明的微波产生方法中部分电子被第一渡越腔圆筒壁吸收示意图；
图5为本发明的微波产生方法中部分电子被第二渡越腔圆筒壁吸收示意图；
图6为本发明实施例中第一输出口和第二输出口输出微波功率随时间的变化示意图。
附图标记如下：
01-阴极，03-第一渡越腔，04-第二渡越腔，05-第三渡越腔，07-提取间隙，08-输出波导，09-输出口；
1-聚焦阴极，2-阳极箔，3-第一渡越腔，4-第二渡越腔，5-第三渡越腔，6-间隔圆环，7-第一提取间隙，8-第一输出波导，9-第一输出口，10-第二提取间隙，11-第二输出波导，12-第二输出口，13-第一金属圆筒，14-第二金属圆筒，15-第三金属圆筒，16-第四金属圆筒。
具体实施方式
本实施例中的第一金属圆筒组件、第二金属圆筒组件均为能形成高功率波导的金属组成。
本实施例提供了一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，参见图2和图3，包括径向截面为圆形的壳体、设置在壳体内中心轴的聚焦阴极1和设置在聚焦阴极1径向外围的由良导体材料围成的垂直于轴向的渡越腔，聚焦阴极1用于在高压脉冲作用下沿径向向渡越腔发射相对论电子束；
渡越腔内沿相对论电子束传输方向依次设置阳极箔2、第一金属圆筒组件、第二金属圆筒组件及振荡器外壁；阳极箔2用于使聚焦阴极1沿径向传播。
第一金属圆筒组件包括同轴设置的第一金属圆筒13和第二金属圆筒14，第一金属圆筒13的中间环面(该中间环面为虚拟环面)的半径与第二金属圆筒14的中间环面的半径相同，第一金属圆筒13与第二金属圆筒14之间沿轴向设有间隙，形成具有用于通过相对论电子束的电子束通道。
第二金属圆筒组件包括同轴设置的第三金属圆筒15和第四金属圆筒16，第三金属圆筒15的中间环面的半径和第四金属圆筒16的中间环面的半径相同，第三金属圆筒15与第四金属圆16之间沿轴向设有间隙，形成具有用于通过相对论电子束的电子束通道。
第一金属圆筒13、第二金属圆筒14、第三金属圆筒15及第四金属圆筒16的厚度不均等，且满足条件：0＜dc31,dc32,dc41,dc42＜λ10，其中，dc31为第一金属圆筒13厚度，dc32为第二金属圆筒14厚度、dc41为第三金属圆筒15厚度及dc42为第四金属圆筒16厚度，λ是指待输出微波波长。将第一金属圆筒13、第二金属圆筒14、第三金属圆筒15及第四金属圆筒16厚度设计为不均等，有利于相对论电子束在传输过程中束波相互作用，提高了束波转换效率。
第一金属圆筒13、第二金属圆筒14、第三金属圆筒15及第四金属圆筒16在轴向上的长度满足0＜Lc31,Lc32,Lc41,Lc42＜λ4，其中，Lc31为第一金属圆筒13的轴向长度，Lc32为第二金属圆筒14的轴向长度，Lc41为第三金属圆筒15的轴向长度，Lc42为第四金属圆筒16的轴向长度，λ是指待输出微波波长。
阳极箔2、第一金属圆筒13、第二金属圆筒14之间形成第一渡越腔3，第一金属圆筒13、第二金属圆筒14、第三金属圆筒15及第四金属圆筒16之间形成第二渡越腔4，第三金属圆筒15、第四金属圆筒16和壳体之间形成第三渡越腔5。h6
第一渡越腔3、第二渡越腔4、第三渡越腔5为同轴波导结构，各参数满足：λ2＜Lc3,Lc4,Lc5＜λ，0＜hc3,hc4,hc5＜λ2，其中，Lc3为第一渡越腔3轴向长度，hc3为第一渡越腔3径向高度，Lc4为第二渡越腔4轴向长度，hc4为第二渡越腔4径向高度，Lc5为第三渡越腔5轴向长度，hc5为第三渡越腔5径向高度，λ是指待输出微波波长。
第三渡越腔5的壳体内侧面设置有间隔圆环6；沿轴向上，第三渡越腔5一侧依次设置第一提取间隙7、第一输出波导8、第一输出口9，另一侧依次设置第二提取间隙10、第二输出波导11、第二输出口12。
第一提取间隙7和第二提取间隙10为环状，大小参数满足：
0＜L7，L10＜λ/10，0＜h7，h10＜λ/10，其中，L7为第一提取间隙7的轴向长度，L10为第二提取间隙10的轴向长度，h7为第一提取间隙7的径向环腔间距，h10为第二提取间隙10的径向环腔间距，λ为待输出微波波长。
间隔圆环6为环状结构，大小参数满足：0＜L6＜λ/10，0＜d6＜λ/10，其中，d6为间隔圆环6在垂直轴向的长度，L6为间隔圆环6的轴向长度，λ为待输出微波波长。
本实施例提供的带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器产生微波的工作过程为：在高压脉冲作用下，聚焦阴极1沿径向向渡越腔发射相对论电子束。
在阳极箔2的作用下，使相对论电子束沿径向传输，进入第一渡越腔3；一方面，可以理解的是，相对论电子束在传输过程中会有能量的损耗，在第一渡越腔3中，相对论电子束传输过程中损失的能量交给第一渡越腔3的驻波场，后续的电子可以从第一渡越腔3的驻波场中获得能量；另一方面，参见图4，相对论电子束由第一渡越腔3向第二渡越腔4传输过程中，部分低能电子被第一金属圆筒13和第二金属圆筒14吸收，防止低能电子进入第二渡越腔4吸收第二渡越腔4驻波场的能量，同时降低进入第三渡越腔5的电子束能散，提高电流调制系数，提高束波转换效率。
相对论电子束由第一渡越腔3进入第二渡越腔4后，一方面，相对论电子束传输过程中损失的能量交给第二渡越腔4的驻波场，后续的电子可以从第二渡越腔4的驻波场中获得能量；另一方面，参见图5，相对论电子束由第二渡越腔4向第三渡越腔5传输过程中，部分低能电子被第三金属圆筒15和第四金属圆筒16吸收，防止低能电子进入第三渡越腔5吸收第三渡越腔5行波场的能量，同时降低进入第三渡越腔5的电子束能散，提高电流调制系数，提高束波转换效率。
相对论电子束由第二渡越腔4进入第三渡越腔5后，相对论电子束在第三渡越腔5中集中减速，将相对论电子束的能量集中交给第三渡越腔5中的行波场；通过间隔圆环6对能量进行分配，一部分能量通过第一提取间隙7、第一输出波导8后从第一输出口9输出，另一部分能量通过第二提取间隙10、第二输出波导11后从第二输出口12输出。
基于本实施例的径向三腔渡越时间振荡器，各个参数具体为：Lc3＝44mm,hc3＝14mm,Lc4＝44mm,hc4＝13.5mm,Lc5＝44mm,hc5＝22mm,Lc31＝13mm,dc31＝5.5mm,Lc32＝18.25mm,dc32＝6.5mm,Lc41＝16mm,dc41＝5mm,Lc42＝17mm,dc42＝4mm,L6＝2.75mm,d6＝4mm,L7＝5.75mm,h7＝2.25mm,L10＝2.5mm,h10＝2.25mm。在模拟试验中，工作输出波段为S波段，试验采用电压496kV，电流43.4kA且无外加引导磁场。模拟试验结果参见图6，第一输出口9输出微波功率4.2GW，第二输出口12输出微波功率7.2GW，合计输出功率11.4GW，频率为3.68GHz，束波转换效率为53％。与现有技术中采用在400kV，60kA无外加引导磁场的条件下，获得了平均功率8GW，频率为3.9GHz的微波输出，束波转换效率33％的结果相比，本实施例提供的基于径向三腔渡越时间振荡器的微波发生方法在输出功率和转换效率方面均有显著提高。

Claims (7)

1.一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特征在于：包括径向截面为圆形的壳体、设置在壳体内中心轴的聚焦阴极(1)和设置在聚焦阴极(1)径向外围的由良导体材料围成的渡越腔，所述聚焦阴极(1)用于沿径向向渡越腔发射相对论电子束；
所述渡越腔内沿相对论电子束传输方向依次设置阳极箔(2)、第一金属圆筒组件、第二金属圆筒组件及振荡器外壁；
所述第一金属圆筒组件包括同轴设置的第一金属圆筒(13)和第二金属圆筒(14)，第一金属圆筒(13)的中间环面的半径与第二金属圆筒(14)的中间环面的半径相同，所述第一金属圆筒(13)与第二金属圆筒(14)沿轴向之间设有间隙，形成具有用于通过相对论电子束的第一电子束通道；
所述第二金属圆筒组件包括同轴设置的第三金属圆筒(15)和第四金属圆筒(16)，第三金属圆筒(15)的中间环面的半径和第四金属圆筒(16)的中间环面的半径相同，第三金属圆筒(15)与第四金属圆(16)沿轴向之间设有间隙，形成具有用于通过相对论电子束的第二电子束通道；
所述阳极箔(2)、第一金属圆筒(13)、第二金属圆筒(14)之间形成第一渡越腔(3)，所述第一金属圆筒(13)、第二金属圆筒(14)、第三金属圆筒(15)及第四金属圆筒(16)之间形成第二渡越腔(4)，所述第三金属圆筒(15)、第四金属圆筒(16)和壳体之间形成第三渡越腔(5)；
所述第三渡越腔(5)的壳体内侧面设置有间隔圆环(6)；
沿轴向上，第三渡越腔(5)一侧依次设置第一提取间隙(7)、第一输出波导(8)、第一输出口(9)，另一侧依次设置第二提取间隙(10)、第二输出波导(11)、第二输出口(12)。
2.根据权利要求1所述的带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特征在于：
所述第一金属圆筒(13)、第二金属圆筒(14)、第三金属圆筒(15)及第四金属圆筒(16)的厚度不均等，并满足条件：0＜dc31,dc32,dc41,dc42＜λ/10，其中，dc31为第一金属圆筒(13)厚度，dc32为第二金属圆筒(14)厚度、dc41为第三金属圆筒(15)厚度及dc42为第四金属圆筒(16)厚度，λ是指待输出微波波长。
3.根据权利要求1或2所述的带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特征在于：
所述第一渡越腔(3)、第二渡越腔(4)、第三渡越腔(5)为同轴波导结构，各参数满足：λ/2＜Lc3,Lc4,Lc5＜λ，0＜hc3,hc4,hc5＜λ/2，其中，Lc3为第一渡越腔(3)轴向长度，hc3为第一渡越腔(3)径向高度，Lc4为第二渡越腔(4)轴向长度，hc4为第二渡越腔(4)径向高度，Lc5为第三渡越腔(5)轴向长度，hc5为第三渡越腔(5)径向高度，λ是指待输出微波波长。
4.根据权利要求3所述的带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特征在于：
所述第一金属圆筒(13)、第二金属圆筒(14)、第三金属圆筒(15)及第四金属圆筒(16)在轴向上的长度满足0＜Lc31,Lc32,Lc41,Lc42＜λ/4，其中，Lc31为第一金属圆筒(13)的轴向长度，Lc32为第二金属圆筒(14)的轴向长度，Lc41为第三金属圆筒(15)的轴向长度，Lc42为第四金属圆筒(16)的轴向长度，λ是指待输出微波波长。
5.根据权利要求4所述的带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特征在于：
所述第一提取间隙(7)和第二提取间隙(10)为环状，大小参数满足：
0＜L7，L10＜λ/10，0＜h7，h10＜λ/10，其中，L7为第一提取间隙(7)的轴向长度，L10为第二提取间隙(10)的轴向长度，h7为第一提取间隙(7)的径向环腔间距，h10为第二提取间隙(10)的径向环腔间距，λ为待输出微波波长。
6.根据权利要求5所述的带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器，其特征在于：
所述间隔圆环(6)为环状结构，大小参数满足：0＜L6＜λ/10，0＜d6＜λ/10，其中，d6为间隔圆环(6)径向的长度，L6为间隔圆环(6)的轴向长度，λ为待输出微波波长。
7.一种带双输出口的径向三腔渡越时间振荡器的微波产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在高压脉冲作用下聚焦阴极(1)沿径向向渡越腔发射相对论电子束；
S2、相对论电子束穿越阳极箔(2)，进入第一渡越腔(3)；
S3、相对论电子束中的部分低能电子被第一渡越腔(3)圆筒壁吸收，相对论电子束传输过程中损失的能量交给第一渡越腔(3)的驻波场，后续的电子从驻波场中获得能量，进入第二渡越腔(4)；
S4、进入第二渡越腔(4)的相对论电子束中部分低能电子束被第二渡越腔(4)圆筒壁吸收，相对论电子束传输过程中损失的能量交给第二渡越腔(4)的驻波场，后续的电子从驻波场中获得能量，进入第三渡越腔(5)；
S5、进入第三渡越腔(5)的相对论电子束的能量集中交给第三渡越腔(5)中的行波场；通过间隔圆环(6)对能量进行分配，一部分能量通过第一提取间隙(7)、第一输出波导(8)后从第一输出口(9)输出，另一部分能量通过第二提取间隙(10)、第二输出波导(11)后从第二输出口(12)输出。
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区杰俊 等: "径向三腔预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟" *

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