CN115642068A - 带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，以解决现有的相对论返波管产生微波的效率较低的技术问题。具体包括环形阴极和依次设置在所述环形阴极后侧的同轴预调制腔、谐振反射器、第一段慢波结构、漂移段、第二段慢波结构、提取腔、输出波导，以及设置在结构外围的磁场线圈；环形阴极用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；磁场线圈用于为环形相对论电子束提供导引磁场；所述同轴预调制腔包括同轴套装的导体外筒和导体内筒；导体外筒两端分别与环形阴极与谐振反射器连接；导体内筒两端封闭；导体外筒的内壁上设有三个环形外凹槽以及两个外漂移段；导体内筒的外壁上设有三个环形内凹槽以及两个内漂移段。
Description
技术领域
本发明涉及相对论返波管，具体涉及一种带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管。
背景技术
相对论返波管具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率工作等特点，是当前最有潜力的高功率微波器件之一。针对高功率微波产生装置轻小型化的迫切需求，目前需大力开展高效率相对论返波管研究。
现有的相对论返波管如图1所示(Role of second harmonic in theoptimization of microwave conversion efficiency from an intense relativisticelectron beam[J],Renzhen Xiao，Huida Wang,Kun Chen,and Yanchao Shi.IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，vol.69，no.12，pp.2021-2027，Dec.2021)。它包括环形阴极01、双预调制腔02、谐振反射器03、第一段慢波结构04、漂移段05、第二段慢波结构06、提取腔07、输出波导08和磁场线圈09。环形阴极01位于结构前端，在高压脉冲作用下向后发射环形相对论电子束；双预调制腔02、谐振反射器03、第一段慢波结构04、漂移段05、第二段慢波结构06、提取腔07和输出波导08依次置于环形阴极01的后侧；磁场线圈09安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。
工作时，环形阴极01发射环形相对论电子束，在磁场线圈09产生的磁场引导下，经过双预调制腔02、谐振反射器03和第一段慢波结构04，获得一定的速度调制，在漂移段05中电子束能散降低，速度调制转化成密度调制，形成群聚束团，在第二段慢波结构06中产生切伦科夫辐射，在第二段慢波结构06的最后一个波纹处被重新加速，切伦科夫辐射大部分转化成群聚束团动能，群聚束团在提取腔07中产生渡越辐射，环形电子束的部分动能转化为微波能量，环形电子束被输出波导08收集，而高功率微波通过输出波导08输出。
该技术采用了双预调制腔02，模拟中，在二极管电压为690kV，束流为7.3kA时，获得X波段微波功率为3.10GW，效率仅为72％，效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，以解决现有的相对论返波管产生微波的效率较低的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，包括环形阴极和依次设置在所述环形阴极后侧的谐振反射器、第一段慢波结构、漂移段、第二段慢波结构、提取腔、输出波导，以及设置在环形阴极、谐振反射器、第一段慢波结构、漂移段、第二段慢波结构、提取腔和输出波导外围的磁场线圈；所述环形阴极用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述磁场线圈用于为所述环形相对论电子束提供导引磁场；
其特殊之处在于：
还包括设置在所述环形阴极与谐振反射器之间的同轴预调制腔；
所述同轴预调制腔包括同轴套装的导体外筒和导体内筒；
所述导体外筒两端分别与所述环形阴极与谐振反射器连接；所述导体内筒两端封闭；
所述导体外筒的内壁上沿其轴向依次设有三个环形外凹槽，相邻两个所述环形外凹槽之间设有外漂移段；
所述导体内筒的外壁上沿其轴向依次设有三个环形内凹槽，相邻两个所述环形内凹槽之间设有内漂移段。
进一步地，三个所述环形外凹槽分别为第一环形外凹槽、第二环形外凹槽、第三环形外凹槽；所述第一环形外凹槽、第二环形外凹槽、第三环形外凹槽沿远离环形阴极的方向依次设置；
所述第一环形外凹槽的半径为R1，0.88λ＜R1＜1.38λ；
所述第二环形外凹槽的半径为R2，0.88λ＜R2＜1.38λ；
所述第三环形外凹槽的半径为R3，0.88λ＜R3＜1.38λ；
λ为微波波长。
进一步地，三个所述环形内凹槽分别为第一环形内凹槽、第二环形内凹槽和第三环形内凹槽；所述第一环形内凹槽、第二环形内凹槽和第三环形内凹槽沿远离环形阴极的方向依次设置；
所述第一环形内凹槽的半径为r1，0＜r1＜0.55λ；
所述第二环形内凹槽的半径为r2，0＜r2＜0.55λ；
所述第三环形内凹槽的半径为r3，0＜r3＜0.55λ。
进一步地，所述第一环形外凹槽与第二环形外凹槽之间的外漂移段为第一外漂移段；
所述第一外漂移段的半径为Rd1，0.7λ＜Rd1＜0.88λ；
所述第二环形外凹槽与第三环形外凹槽之间的外漂移段为第二外漂移段；
所述第二外漂移段的半径为Rd2，0.7λ＜Rd2＜0.88λ。
进一步地，所述第一环形内凹槽与第二环形内凹槽之间的内漂移段为第一内漂移段；
所述第一内漂移段的半径为rd1，0.55λ＜rd1＜0.65λ；
所述第二环形内凹槽与第三环形内凹槽之间的内漂移段为第二内漂移段；
所述第二内漂移段的半径为rd2，0.55λ＜rd2＜0.65λ。
进一步地，所述第一环形外凹槽沿其轴向的长度为L1，0＜L1＜0.5λ；
所述第二环形外凹槽沿其轴向的长度为L2，0＜L2＜0.5λ；
所述第三环形外凹槽沿其轴向的长度为L3，0＜L3＜0.5λ。
进一步地，所述第一环形内凹槽沿其轴向的长度为l1，0＜l1＜0.25λ；
所述第二环形内凹槽沿其轴向的长度为l2，0＜l2＜0.25λ；
所述第三环形内凹槽沿其轴向的长度为l3，0＜l3＜0.25λ。
进一步地，所述第一外漂移段沿其轴向的长度为Ld1，0.25λ＜Ld1＜λ；
所述第二外漂移段沿其轴向的长度为Ld2，0.25λ＜Ld2＜λ。
进一步地，所述第一内漂移段沿其轴向的长度为ld1，0.25λ＜ld1＜1.25λ；
所述第二内漂移段沿其轴向的长度为ld2，0.25λ＜ld2＜1.25λ。
进一步地，所述R1＝33.93mm，R2＝33.93mm，R3＝40.6mm，Rd1＝29.87mm，Rd2＝29.58mm，r1＝19.14mm，r2＝17.69mm，r3＝17.98mm，rd1＝21.17mm，rd2＝20.88mm，L1＝7.25mm，L2＝10.73mm，L3＝6.38mm，l1＝2.90mm，l2＝7.54mm，l3＝1.74mm，Ld1＝24.36mm，Ld2＝18.56mm，ld1＝36.83mm，ld2＝16.24mm。
本发明的有益效果：
本发明带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管与已有技术相比，采用同轴预调制腔代替双预调制腔，通过增强二次谐波和三次谐波分量，提升第二段慢波结构和提取腔内的群聚电流，促进第二段慢波结构的切伦科夫辐射和提取腔的渡越辐射，从而提高了高功率微波产生的效率。
附图说明
图1是现有相对论返波管的结构示意图；
图1中的附图标号：
01-环形阴极，02-双预调制腔，03-谐振反射器，04-第一段慢波结构，05-漂移段，06-第二段慢波结构，07-提取腔，08-输出波导，09-磁场线圈；
图2是本发明带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管的实施例结构示意图；
图3是本发明实施例中的同轴预调制腔结构示意图；
图4是分别采用本发明提供的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管和现有技术中的相对论返波管产生的二次谐波功率流分布曲线比较图，其中，A为本发明的相对论返波管产生的二次谐波功率流分布曲线，B为现有技术中的相对论返波管产生的二次谐波功率流分布曲线；
图5是分别采用本发明提供的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管和现有技术中的相对论返波管产生的三次谐波功率流分布曲线比较图，其中，C为本发明的相对论返波管产生的三次谐波功率流分布曲线，D为现有技术中的相对论返波管产生的三次谐波功率流分布曲线；
图6是分别采用本发明提供的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管和现有技术中的相对论返波管产生的群聚电流分布曲线比较图，其中，E为本发明的相对论返波管产生的群聚电流分布曲线，F为现有技术中的相对论返波管产生的群聚电流分布曲线；
图7是分别采用本发明提供的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管和现有技术中的相对论返波管产生的微波功率分布曲线比较图，其中，M为本发明的相对论返波管产生的微波功率分布曲线，N为现有技术中的相对论返波管产生的微波功率分布曲线。
图2-图7中的附图标号：
1-环形阴极，12-同轴预调制腔，21-导体外筒，211-第一环形外凹槽，212-第二环形外凹槽，213-第三环形外凹槽，214-第一外漂移段，215-第二外漂移段，22-导体内筒，221-第一环形内凹槽，222-第二环形内凹槽，223-第三环形内凹槽，224-第一内漂移段，225-第二内漂移段，3-谐振反射器，4-第一段慢波结构，5-漂移段，6-第二段慢波结构，7-提取腔，8-输出波导，9-磁场线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了的一种带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，如图2所示，该相对论返波管可以包括环形阴极1、同轴预调制腔2、谐振反射器3、第一段慢波结构4、漂移段5、第二段慢波结构6、提取腔7、输出波导8和磁场线圈9。
环形阴极1位于结构前端，用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；同轴预调制腔2、谐振反射器3、第一段慢波结构4、漂移段5、第二段慢波结构6、提取腔7和输出波导8依次置于环形阴极1后侧；磁场线圈9安装在整个结构的外围，为环形相对论电子束提供导引磁场。也就是说，磁场线圈9安装在环形阴极1、同轴预调制腔2、谐振反射器3、第一段慢波结构4、漂移段5、第二段慢波结构6、提取腔7和输出波导8的外围。
如图3所示，同轴预调制腔2包括导体外筒21和导体内筒22；导体外筒21两端分别与环形阴极1和谐振反射器3连接，导体内筒22两端封闭并同轴套装在导体外筒21内，可以通过连接杆与环形阴极1的中心处固定。导体外筒21的内壁上沿其轴向依次设有三个环形外凹槽，相邻两个环形外凹槽之间设有外漂移段；导体内筒22的外壁上沿其轴向依次设有三个环形内凹槽，相邻两个环形内凹槽之间设有内漂移段。
具体的，三个环形外凹槽分别为第一环形外凹槽211、第二环形外凹槽212、第三环形外凹槽213；第一环形外凹槽211、第二环形外凹槽212、第三环形外凹槽213沿远离环形阴极1的方向依次设置；第一环形外凹槽211与第二环形外凹槽212之间的外漂移段为第一外漂移段214；第二环形外凹槽212与第三环形外凹槽213之间的外漂移段为第二外漂移段215；三个环形内凹槽分别为第一环形内凹槽221、第二环形内凹槽222和第三环形内凹槽223；第一环形内凹槽221、第二环形内凹槽222和第三环形内凹槽223沿远离环形阴极1的方向依次设置；第一环形内凹槽221与第二环形内凹槽222之间的内漂移段为第一内漂移段224；第二环形内凹槽222与第三环形内凹槽223之间的内漂移段为第二内漂移段225。
对于导体外筒21，第一环形外凹槽211、第二环形外凹槽212以及第三环形外凹槽213的半径分别为R1、R2、R3，第一环形外凹槽211、第二环形外凹槽212以及第三环形外凹槽213沿其轴向的长度分别为L1、L2、L3，第一外漂移段214和第二外漂移段215的半径分别为Rd1、Rd2，第一外漂移段214和第二外漂移段215沿其轴向的长度分别为Ld1、Ld2。对于导体内筒22，第一环形内凹槽221、第二环形内凹槽222以及第三环形内凹槽223的半径分别为r1、r2、r3；第一环形内凹槽221、第二环形内凹槽222以及第三环形内凹槽223沿其轴向的长度分别为l1、l2、l3；第一内漂移段224和第二内漂移段225的半径分别为rd1、rd2，第一内漂移段224和第二内漂移段225沿其轴向的长度分别为ld1、ld2。
上述参数满足条件：0.88λ＜R1、R2、R3＜1.38λ，0＜L1、L2、L3＜0.5λ，0.7λ＜Rd1、Rd2＜0.88λ，0.25λ＜Ld1、Ld1＜λ；0＜r1、r2、r3＜0.55λ；0＜l1、l2、l3＜0.25λ；0.55λ＜rd1、rd2＜0.65λ；0.25λ＜ld1、ld2＜1.25λ；其中，λ为微波波长。
工作时，环形阴极1发射环形相对论电子束，在磁场线圈9产生的磁场引导下，经过同轴预调制腔2、谐振反射器3和第一段慢波结构4，获得一定的速度调制，在漂移段5中电子束能散降低，速度调制转化成密度调制，形成群聚束团，在第二段慢波结构6中产生切伦科夫辐射，在第二段慢波结构6的最后一个波纹处被重新加速，切伦科夫辐射大部分转化成群聚束团动能，群聚束团在提取腔中产生渡越辐射，环形电子束的大部分动能转化为微波能量，环形电子束被输出波导8收集，而高功率微波通过输出波导8输出。
以工作在X波段进行模拟实验，各主要结构参数如下：R1＝33.93mm，R2＝33.93mm，R3＝40.6mm，Rd1＝29.87mm，Rd2＝29.58mm，r1＝19.14mm，r2＝17.69mm，r3＝17.98mm，rd1＝21.17mm，rd2＝20.88mm，L1＝7.25mm，L2＝10.73mm，L3＝6.38mm，l1＝2.90mm，l2＝7.54mm，l3＝1.74mm，Ld1＝24.36mm，Ld2＝18.56mm，ld1＝36.83mm，ld2＝16.24mm。模拟中，如图4和图5所示，本发明实施例的同轴预调制腔中的二次谐波和三次谐波分量均显著增强，如图6所示，群聚电流明显提升，如图7所示，在二极管电压为590kV，电流为7.3kA时，产生微波功率3.44GW，主要频率为8.2GHz，效率为80％。与现有技术效率72％相比，本实施例转换效率有了显著提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，包括环形阴极(1)和依次设置在所述环形阴极(1)后侧的谐振反射器(3)、第一段慢波结构(4)、漂移段(5)、第二段慢波结构(6)、提取腔(7)、输出波导(8)，以及设置在环形阴极(1)、谐振反射器(3)、第一段慢波结构(4)、漂移段(5)、第二段慢波结构(6)、提取腔(7)和输出波导(8)外围的磁场线圈(9)；所述环形阴极(1)用于在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；所述磁场线圈(9)用于为所述环形相对论电子束提供导引磁场；
其特征在于：
还包括设置在所述环形阴极(1)与谐振反射器(3)之间的同轴预调制腔(2)；
所述同轴预调制腔(2)包括同轴套装的导体外筒(21)和导体内筒(22)；
所述导体外筒(21)两端分别与所述环形阴极(1)与谐振反射器(3)连接；所述导体内筒(22)两端封闭；
所述导体外筒(21)的内壁上沿其轴向依次设有三个环形外凹槽，相邻两个所述环形外凹槽之间设有外漂移段；
所述导体内筒(22)的外壁上沿其轴向依次设有三个环形内凹槽，相邻两个所述环形内凹槽之间设有内漂移段。
2.根据权利要求1所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：三个所述环形外凹槽分别为第一环形外凹槽(211)、第二环形外凹槽(212)、第三环形外凹槽(213)；所述第一环形外凹槽(211)、第二环形外凹槽(212)、第三环形外凹槽(213)沿远离环形阴极(1)的方向依次设置；
所述第一环形外凹槽(211)的半径为R1，0.88λ＜R1＜1.38λ；
所述第二环形外凹槽(212)的半径为R2，0.88λ＜R2＜1.38λ；
所述第三环形外凹槽(213)的半径为R3，0.88λ＜R3＜1.38λ；
λ为微波波长。
3.根据权利要求2所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：三个所述环形内凹槽分别为第一环形内凹槽(221)、第二环形内凹槽(222)和第三环形内凹槽(223)；所述第一环形内凹槽(221)、第二环形内凹槽(222)和第三环形内凹槽(223)沿远离环形阴极(1)的方向依次设置；
所述第一环形内凹槽(221)的半径为r1，0＜r1＜0.55λ；
所述第二环形内凹槽(222)的半径为r2，0＜r2＜0.55λ；
所述第三环形内凹槽(223)的半径为r3，0＜r3＜0.55λ。
4.根据权利要求3所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述第一环形外凹槽(211)与第二环形外凹槽(212)之间的外漂移段为第一外漂移段(214)；
所述第一外漂移段(214)的半径为Rd1，0.7λ＜Rd1＜0.88λ；
所述第二环形外凹槽(212)与第三环形外凹槽(213)之间的外漂移段为第二外漂移段(215)；
所述第二外漂移段(215)的半径为Rd2，0.7λ＜Rd2＜0.88λ。
5.根据权利要求4所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述第一环形内凹槽(221)与第二环形内凹槽(222)之间的内漂移段为第一内漂移段(224)；
所述第一内漂移段(224)的半径为rd1，0.55λ＜rd1＜0.65λ；
所述第二环形内凹槽(222)与第三环形内凹槽(223)之间的内漂移段为第二内漂移段(225)；
所述第二内漂移段(225)的半径为rd2，0.55λ＜rd2＜0.65λ。
6.根据权利要求5所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述第一环形外凹槽(211)沿其轴向的长度为L1，0＜L1＜0.5λ；
所述第二环形外凹槽(212)沿其轴向的长度为L2，0＜L2＜0.5λ；
所述第三环形外凹槽(213)沿其轴向的长度为L3，0＜L3＜0.5λ。
7.根据权利要求6所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述第一环形内凹槽(221)沿其轴向的长度为l1，0＜l1＜0.25λ；
所述第二环形内凹槽(222)沿其轴向的长度为l2，0＜l2＜0.25λ；
所述第三环形内凹槽(223)沿其轴向的长度为l3，0＜l3＜0.25λ。
8.根据权利要求7所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述第一外漂移段(214)沿其轴向的长度为Ld1，0.25λ＜Ld1＜λ；
所述第二外漂移段(215)沿其轴向的长度为Ld2，0.25λ＜Ld2＜λ。
9.根据权利要求8所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述第一内漂移段(224)沿其轴向的长度为ld1，0.25λ＜ld1＜1.25λ；
所述第二内漂移段(225)沿其轴向的长度为ld2，0.25λ＜ld2＜1.25λ。
10.根据权利要求10所述的带同轴预调制腔的超速调型相对论返波管，其特征在于：所述R1＝33.93mm，R2＝33.93mm，R3＝40.6mm，Rd1＝29.87mm，Rd2＝29.58mm，r1＝19.14mm，r2＝17.69mm，r3＝17.98mm，rd1＝21.17mm，rd2＝20.88mm，L1＝7.25mm，L2＝10.73mm，L3＝6.38mm，l1＝2.90mm，l2＝7.54mm，l3＝1.74mm，Ld1＝24.36mm，Ld2＝18.56mm，ld1＝36.83mm，ld2＝16.24mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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