CN115064429B - 一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、内筒、准直孔、一级调制腔、一级漂移段、二级调制腔、二级漂移段、提取腔、同轴输出波导、第一支撑杆、第二支撑杆、螺线管磁场、梯形收集极；整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲驱动源的阳极，阳极外筒左端外接脉冲驱动源的外导体，同轴输出波导右端连接模式转换器和天线。本发明克服低磁场下效率低的难题，通过合理设计电磁结构，采用两级调制腔，在低磁场条件下通过二次调制电子，提高电子的群聚效果，进而在低导引磁场下实现高效率的束‑波转换。

Description

一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器(Relativistic Klystron Oscillator，RKO)。
背景技术
高功率微波(High-Power Microwave，HPM)通常的定义是功率峰值超过100MW，波长在1mm～1m(即频率在300MHz～300GHz)的电磁波。上世纪七十年代，脉冲功率技术迅速发展，电压数百千伏和电流数十千安的强流相对论电子束得以产生，将其应用于传统真空电子微波器件，使得产生功率超过百兆瓦的HPM成为可能。同时通过对相对论真空电子学和等离子体物理等学科的深入研究，为HPM的产生提供理论支撑。近五十年来，受到国防和工业部门的应用推动，HPM技术取得了巨大的进步。
HPM源是指HPM系统中将强流相对论电子束能量转换为微波场能量的器件，通常为电真空器件。根据产生微波的辐射方式不同，HPM源可以分为契伦科夫辐射(Cerenkov)器件、渡越辐射(Transition)器件及韧致辐射(Bremsstrahlung)器件。RKO和渡越时间振荡器(Transit-Time Oscillator，TTO)同属渡越辐射器件，该类器件通过谐振腔建立驻波场对电子束进行调制和提取，具有低磁场、高效率、高功率以及工作模式单一等特点，受到研究者们的广泛关注。
提高转换效率和降低导引磁场是HPM源的重要发展方向。一方面提高HPM源的转换效率，在同等输出功率的条件下，可降低脉冲驱动源的功率和电压，减小脉冲驱动源的体积和绝缘要求，有利于提高HPM系统的稳定性；另一方面，降低器件的导引磁场，可以减小励磁系统的体积和重量，有利于HPM系统的小型化和紧凑化，拓宽HPM系统的应用场景。因此开展低磁场高效率HPM源研究具有重大的应用价值。
低磁场和高效率的渡越器件研究方面，主要有以下相关工作：
2009年，国防科技大学的曹亦兵等人研究了一种低阻无箔渡越器件【Yibing Cao,Jiande Zhang,and Juntao He.A low-impedance transit-time oscillator withoutfoils,2009,Vol.29,No.9,pp.095205】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。该结构由四部分组成：环形阴极、双腔调制腔、双腔提取腔、同轴输出波导，整个器件关于中心旋转对称。环形阴极左端连接脉冲驱动源，并发射强流相对论电子束延轴向传输。双腔调制腔为两个矩形腔，中间采用导通的窄通道代替箔网来隔离两个腔，双腔调制腔在电子束的作用下激励起TM01模式的驻波场，该驻波场对电子束进行一次强烈的速度调制，而后电子束的速度调制经过漂移转换为密度调制。双腔提取腔为两个矩形腔，中间采用导通的窄通道代替箔网来隔离两个腔，该提取腔采用双腔，拥有更高的束-波转换效率。在仿真中，当输入的电子束电压和电流分别600kV和36kA，外加磁场为0.45T时，在同轴输出波导末端监测到功率为5GW、频率为1.6GHz的微波，转换效率约为23％。该方案结构简单，所需导引磁场较低，输出微波功率较高，但是转换效率较低，需要进一步提高。
2020年，国防科技大学的邓晓波等人研究了一种C波段新型轻小型化的同轴渡越时间振荡器【Xiao-Bo Deng,Jun-Tao He,Jun-Pu Ling,Bing-Fang Deng,Li-Li Song,Fu-Xiang Yang,Wei-Li Xu.Novel compact and lightweight coaxial C-band transit-time oscillator,2020,Vol.29,No.9,pp.095205】。(下文简称为现有技术2，如图2所示)。该器件由阴极座、阴极、阳极外筒、准直孔、群聚腔、箔网、漂移段、提取腔、微波输出口、螺线管磁场组成。该方案采用的群聚腔和提取腔分别只有两个和一个间隙，整个器件的轴向尺寸较小，满足轻小型化的要求。为了降低外加导引磁场，在群聚腔的前后设计了开口箔网，与传统箔网不同的是，该器件采用的箔网在中间开口，可以避免电子束轰击箔网产生等离子体，通过加载开口箔网，该器件的强流电子束的更加稳定、饱和时间更短。在数值仿真中，当二极管电压和电流分别是548kV和11.4kA，外加导引磁场是0.4T时，该器件产生了1.88GW的C波段微波，转换效率约30％。该方案通过加载开口箔网，提高电子束在低磁场下的稳定性，从而实现高效束-波作用，但是箔网开口处的尖端容易造成局部场强过大，容易产生等离子体，不利于器件的长久稳定运行，并且该器件的效率仍需进一步提高。
不难看出，目前渡越器件在向低磁场发展时，会面临效率降低的难题，亟需研究一种低磁场下的高效率渡越器件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种两级调制的同轴RKO，克服低磁场下效率低的难题，通过合理设计电磁结构，采用两级调制腔，在低磁场条件下通过二次调制电子，提高电子的群聚效果，进而在低导引磁场下实现高效率的束-波转换。
本发明的技术方案是：
一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、内筒304、准直孔305、一级调制腔306、一级漂移段307、二级调制腔308、二级漂移段309、提取腔310、同轴输出波导311、第一支撑杆312a、第二支撑杆312b、螺线管磁场313、梯形收集极314。整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座301左端外接脉冲驱动源的阳极，阳极外筒303左端外接脉冲驱动源的外导体，同轴输出波导311右端连接模式转换器和天线。
阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为1mm，半径R1等于电子束半径，套在阴极座301右端。内筒304为一个半径不等的圆柱形导体，与阳极外筒303上的各种空腔一起形成电子束调制空腔以及微波输出结构。准直孔305是一个外半径为R2，内半径为R3的圆环形空腔，长度为L1，L1一般为工作波长λ的0.3-0.8倍，准直孔用于截止工作频率的微波。一级调制腔306由三对横截面均为梯形的圆环形空腔组成：从左往右外筒上第一个圆环形空腔内半径等于准直孔的外半径R2，外半径为R4，第二个和第三个圆环形空腔内半径均等于准直孔的外半径R2，外半径均为R5，R4＞R5＞R2；外筒上第一个梯形横截面空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为L2，上底长度为L3，2L2+L3一般为工作波长λ的0.2-0.5倍；第二个梯形横截面空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为为L4，上底长度为L5，2L4+L5一般为工作波长λ的0.1-0.4倍；第三个梯形为直角梯形，斜边在轴线方向上的投影长度为L6，上底长度为L7，L6+L7一般为工作波长λ的0.3-0.5倍；前面两个等腰梯形之间的间隔为L8，第二第三个梯形之间的间隔为L9，L8一般为工作波长λ的0.1-0.2倍，L9一般为工作波长λ的0.1-0.2倍；从左往右内筒上第一个圆环形空腔内半径均等于R6，外半径均为R3，R3＞R6；第一个梯形横截面空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为L2，上底长度为L3；第二个梯形横截面空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为为L4，上底长度为L5；第三个梯形为直角梯形，斜边在轴线方向上的投影长度为L6，上底长度为L7；前面两个等腰梯形之间的间隔为L8，第二第三个梯形之间的间隔为L9；一级漂移段307是一个外半径为R7，内半径为R8的圆环形空腔，R2＞R7，长度为L10，L10一般为工作波长λ的0.5-1倍。二级调制腔308由一对横截面均为矩形的圆环形空腔组成，外筒上圆环形空腔的外半径为R9、内半径为R7，外筒上圆环形空腔的外半径为R8、内半径为R10，R9＞R7＞R8＞R10，内外筒圆环形空腔的长度均为L11，L11一般为工作波长λ的0.1-0.5倍。二级漂移段309是一个外半径为R11，内半径为R12的圆环形空腔，R11＞R7＞R8＞R12，长度为L12，L12一般为工作波长λ的0.5-1倍。提取腔310由三对横截面均为矩形的圆环形空腔构成，从左往右外筒上第一个圆环形空腔的外半径为R13、内半径为R11，外筒上第二个圆环形空腔的外半径为R14、内半径为R11，外筒上第三个圆环形空腔的外半径为R15，内半径为R11，从左往右内筒上第一个圆环形空腔的外半径为R12，内半径为R16，内筒上第二个圆环形空腔的外半径为R12、内半径为R17，内筒上第三个圆环形空腔的外半径为R20，内半径为R16，R15＞R13＞R14＞R20＞R17＞R16；第一、第三个横截面为矩形的圆环形空腔的长均为L13，第二个横截面为矩形的圆环形空腔的长为L14、L13，L13一般为工作波长λ的0.1-0.5倍，L14一般为工作波长λ的0.1-0.5倍。同轴输出波导311是一个位于阳极外筒和内筒之间的圆环形空腔，内半径为R18，外半径为R15，长度为L15，L15一般为工作波长λ的2-3倍；支撑杆用于支撑内筒，第一支撑杆312a与提取腔之间的距离为L16，第二支撑杆312b与第一支撑杆312a之间的距离为L17，L16一般为工作波长λ的1.5-2倍，L17一般为工作波长λ的0.2-0.6倍。梯形收集极314是在内筒上正对电子束传输路径挖出的一个横截面为直角梯形的圆环型空腔，圆环型空腔的外半径和内半径分别为R19、R20，R11＞R19＞R20＞R12；上下底边的长度分别为L18、L19，L18＞L19，L18一般为工作波长λ的1-2倍，L19一般为工作波长λ的1.3-1.9倍。同轴输出波导右端接模式转换器和天线，可参照不同波长和应用场景的要求，根据通用的模式转换器和天线设计方法设计可得，为高功率微波领域的通用方法，螺线管磁场313套在阳极外筒303的外壁上。
本发明的工作过程如下：脉冲驱动源产生的高电压经阴极座301作用到阴极302上，阴极302右端面基于爆炸发射产生强流相对论电子束，在螺线管磁场313的导引下延微波源轴向传输，先后经过一级调制腔、一级漂移段、二级调制腔、二级漂移段、提取腔，最后进入梯形收集极314。在一级调制腔内，电子束激励起射频场并被射频场进行速度调制；而后电子束进入一级漂移段，速度调制转换为密度调制，使得电子束初步群聚；之后初步群聚的电子束进入二级调制腔内，并在其内激励起相同射频信号的驻波场，同时，被激励起的射频场再进一步对电子束进行速度调制；再次被调制的电子束进入二级漂移段将被速度调制转换为密度调制，电子束群聚进一步加深；而后，群聚电子束进入提取腔中，在提取腔中发生强烈地渡越辐射，产生HPM并经同轴输出波导向外辐射；最后，大量能量被提取的电子束进入梯形收集极被收集，从而避免电子束直接轰击到电磁结构表面产生等离子体，进而影响器件正常工作。
与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
1、本发明提供的两级调制的同轴RKO采用两级调制腔，对电子束进行两次调制，增大电子束的群聚深度，解决低导引磁场下电子束群聚差的问题，进而提高了低磁场下器件的束-波作用效率，增大器件的输出微波功率，有利于器件实现小型化同时增大作用距离，拓宽器件的应用场景。
2、本发明提供的两级调制的同轴RKO采用的一级漂移段连接一级调制腔和二级调制腔，影响电子束达到二级群聚腔的群聚相位，进而影响电子束的二次调制效果，合理设计一级调制腔有利于实现电子束的最佳群聚效果效果。
3、本发明提供的两级调制的同轴RKO采用的二级漂移段连接二级调制腔和提取腔，影响电子束达到提取腔的群聚相位，进而影响提取腔内的束-波作用效率，合理设计二级漂移段有利于实现最高效率的束-波作用。
具体请参考根据本发明的两级调制的同轴RKO提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其它方面显而易见。
附图说明
图1为背景介绍中现有技术1公开的低阻无箔渡越器件的结构示意图；
图2为背景介绍中现有技术3公开的C波段新型轻小型化的同轴渡越时间振荡器的结构示意图；
图3为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例的A-A剖视图；
图4为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例的A-A剖视立体示意图；
图5为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例有无二级调制腔时的轴向功率流对比图；
图6为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例有无二级调制腔时的轴向基波电流对比图；
图7为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例的输出微波功率随时间的变化趋势；
图8为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例的输出微波频谱图；
图9为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例的一级漂移段长度L10对基波电流最大值的影响结果示意图；
图10为本发明提供的两级调制的同轴相对论速调管振荡器优选实施例的二级漂移段长度L12对束-波作用效率的影响结果示意图。
具体实施方式
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图3为本发明两级调制的同轴RKO的结构示意图，图4为该实施方式的立体图。
本发明包括；阴极座301、阴极302、阳极外筒303、内筒304、准直孔305、一级调制腔306、一级漂移段307、二级调制腔308、二级漂移段309、提取腔310、同轴输出波导311、第一支撑杆312a、第二支撑杆312b、螺线管磁场313、梯形收集极314。整个结构关于中心轴线旋转对称。
阴极座301、阴极302、阳极外筒303、内筒304通常采用无磁不锈钢材料，为了提高器件的功率容量，提取腔310表面可镀钛合金材料，并对表面进行抛光处理，阴极302可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR-5)材料，螺线管磁场313采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。阴极座301左端外接脉冲功率驱动源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率驱动源的外导体。同轴输出波导右端连接模式转换器和辐射天线。
本发明运行时，脉冲功率驱动源将高电压加载到阴极302上，阴极302发射强流相对论电子束，电子束先后在一级调制腔、二级调制腔、提取腔内激励起射频场并与之作用，先后被一级调制腔、二级调制腔内的驻波场调制，而后能量被提取腔中的驻波场提取，产生HPM。HPM由同轴输出波导向外耦合至模式转换器和辐射天线。
本实施例实现了中心频率为4.24GHz(对应微波波长λ＝7.1cm)的两级调制的同轴相对论速调管振荡器。粒子模拟中，在二极管电压500kV、电流12kA、导引磁场0.46T的条件下，输出微波功率2.4GW，功率转换效率40％。由上述结果可知，本发明克服了低磁场下束-波作用效率低的难题，通过对电子束进行两次调制，使得电子束群聚效果更好，进而实现更高效率的束-波作用，对于设计其他波段的低磁场高效率器件具有重要的借鉴意义。
参见图5，可知相较于无二级调制腔的情况，有二级调制腔时二级调制腔内激励起了强烈的射频场，可以用来对电子束进一步调制。
参见图6，可知相较于无二级调制腔的情况，有二级调制腔时二级调制腔内激励起的射频场对电子束进行了第二次调制，使得基波电流进一步提高，即表明电子束群聚进一步加深，束-波作用效率进一步提高。
参见图7，可知提取腔内发生强烈的渡越辐射，微波8ns起振，22ns饱和，饱和后微波功率2.4GW。
参见图8，可知输出微波频率为4.24GHz，频谱纯净，无杂频，倍频分量较小。
参见图9，可知一级漂移段长度L10对基波电流最大值存在影响，随着L10的增大基波电流的最大值先增大后减小，当L10＝54mm时，基波电流的最大值达到最大。
参见图10，可知二级漂移段长度L12对输出微波束-波作用效率存在影响，随着L12增大束-波作用效率先增大后减小，当L12＝45mm时，束-波作用效率达到最大。
当然，在本优选实施例中，各部件之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，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局限于上述实施例，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。
本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。
通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (3)

1.一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器，其特征在于：包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、内筒(304)、准直孔(305)、一级调制腔(306)、一级漂移段(307)、二级调制腔(308)、二级漂移段(309)、提取腔(310)、同轴输出波导(311)、第一支撑杆(312a)、第二支撑杆(312b)、螺线管磁场(313)、梯形收集极(314)；整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座(301)左端外接脉冲驱动源的阳极，阳极外筒(303)左端外接脉冲驱动源的外导体，同轴输出波导(311)右端连接模式转换器和天线；
阴极(302)是一个薄壁圆筒，半径R1等于电子束半径，套在阴极座(301)右端；内筒(304)为一个半径不等的圆柱形导体，与阳极外筒(303)上的各种空腔一起形成电子束调制空腔以及微波输出结构；准直孔(305)是一个外半径为R2，内半径为R3的圆环形空腔，长度为L1，L1为工作波长λ的0.3-0.8倍，准直孔(305)用于截止工作频率的微波；一级调制腔(306)由三对横截面均为梯形的圆环形空腔组成：从左往右外筒上第一个圆环形空腔内半径等于准直孔(305)的外半径R2，外半径为R4，第二个和第三个圆环形空腔内半径均等于准直孔(305)的外半径R2，外半径均为R5，R4＞R5＞R2；外筒上第一个圆环形空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为L2，上底长度为L3，2L2+L3为工作波长λ的0.2-0.5倍；第二个圆环形空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为为L4，上底长度为L5，2L4+L5为工作波长λ的0.1-0.4倍；第三个圆环形空腔为直角梯形，斜边在轴线方向上的投影长度为L6，上底长度为L7，L6+L7为工作波长λ的0.3-0.5倍；前面两个圆环形空腔之间的间隔为L8，第二第三个圆环形空腔之间的间隔为L9，L8为工作波长λ的0.1-0.2倍，L9为工作波长λ的0.1-0.2倍；从左往右内筒上第一个圆环形空腔内半径均等于R6，外半径均为R3，R3＞R6；第一个圆环形空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为L2，上底长度为L3；第二个圆环形空腔为等腰梯形，两条腰在轴线方向上的投影长度均为为L4，上底长度为L5；第三个圆环形空腔为直角梯形，斜边在轴线方向上的投影长度为L6，上底长度为L7；前面两个圆环形空腔之间的间隔为L8，第二第三个圆环形空腔之间的间隔为L9；一级漂移段(307)是一个外半径为R7，内半径为R8的圆环形空腔，R2＞R7，长度为L10，L10为工作波长λ的0.5-1倍；二级调制腔(308)由一对横截面均为矩形的圆环形空腔组成，外筒上圆环形空腔的外半径为R9、内半径为R7，内筒上圆环形空腔的外半径为R8、内半径为R10，R9＞R7＞R8＞R10，内外筒圆环形空腔的长度均为L11，L11为工作波长λ的0.1-0.5倍；二级漂移段(309)是一个外半径为R11，内半径为R12的圆环形空腔，满足R11＞R7＞R8＞R12，长度为L12，L12为工作波长λ的0.5-1倍；提取腔(310)由三对横截面均为矩形的圆环形空腔构成，从左往右外筒上第一个圆环形空腔的外半径为R13、内半径为R11，外筒上第二个圆环形空腔的外半径为R14、内半径为R11，外筒上第三个圆环形空腔的外半径为R15，内半径为R11，从左往右内筒上第一个圆环形空腔的外半径为R12，内半径为R16，内筒上第二个圆环形空腔的外半径为R12、内半径为R17，内筒上第三个圆环形空腔的外半径为R20，内半径为R16，满足R15＞R13＞R14＞R20＞R17＞R16；第一、第三个圆环形空腔的长均为L13，第二个圆环形空腔的长为L14，L13为工作波长λ的0.1-0.5倍，L14为工作波长λ的0.1-0.5倍；同轴输出波导(311)是一个位于阳极外筒和内筒之间的圆环形空腔，内半径为R18，外半径为R15，长度为L15，L15为工作波长λ的2-3倍；支撑杆用于支撑内筒，第一支撑杆(312a)与提取腔(310)之间的距离为L16，第二支撑杆(312b)与第一支撑杆(312a)之间的距离为L17，L16为工作波长λ的1.5-2倍，L17为工作波长λ的0.2-0.6倍；梯形收集极(314)是在内筒上正对电子束传输路径挖出的一个横截面为直角梯形的圆环型空腔，圆环型空腔的外半径和内半径分别为R19、R20，满足R11＞R19＞R20＞R12，上下底边的长度分别为L18、L19，L18＞L19，L18为工作波长λ的1-2倍，L19为工作波长λ的1.3-1.9倍；螺线管磁场(313)套在阳极外筒(303)的外壁上。
2.一种根据权利要求1所述两级调制的同轴相对论速调管振荡器，其特征在于：阴极(302)为一厚度为1mm的薄壁圆筒。
3.一种根据权利要求1所述两级调制的同轴相对论速调管振荡器，其特征在于：所述阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、内筒(304)采用无磁不锈钢材料，提取腔(310)表面镀钛合金材料，阴极(302)采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板材料，螺线管磁场(313)采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。
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