CN115954249A - 一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管 - Google Patents

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李天明
王姣银
程仁杰
蔡伟鸿
杨柳
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Abstract

本发明提出了一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，属于高功率微波技术领域。包括若干个轴向依次连接的高频系统；高频系统包括阳极壳体、环形阴极、管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级、圆波导输出结构；通过在内导体与圆波导输出结构之间设置耦合间隙，使得微波从耦合间隙耦合到圆波导输出结构输出，同时通过控制圆波导输出结构的半径，能够使输出模式只有TM01模式；此外，本发明还在内导体上加载了波纹结构，有效提高了束波互作用效率，利用较短互作用区域电子注就可以与高频场实现充分互作用。

Description

一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管。
背景技术
高功率微波技术在科学研究、国防军事、通信、航天和民用领域都具有很大的应用前景，相对论返波管作为高功率微波产生器件典型代表，具有高功率、高效率、适合脉冲重复频率工作以及在设计方法上具有较好的拓展性等特点，是最有应用潜力的高功率微波产生器件之一。基于新型辐射机制的超辐射相对论返波管(SR-RBWO)是一种超宽带高功率微波源，具有极高峰值功率，同时，该器件所产生的高功率微波脉宽在亚纳秒量级，具备超快脉冲上升前沿和宽频带等特性，可用于微波武器，高空间分辨率雷达，生物医学实验等领域。目前SR-RBWO的研究存在互作用区域过长，外加引导磁场强度较大的问题，目前研究采用的高频结构均是圆形波导加载的波纹波导，互作用区域很长，而且外加引导磁场强度比较高，在X波段，引导磁场强度达到2.5T-5T；在Ka波段，引导磁场强度达到2T-6.5T。互作用区域太长会导致在整个互作用区域外加均匀引导磁场难以实现，强引导磁场通常由螺线管或超导线圈提供，对螺线管充电或者冷却超导线圈所需要的能量远高于加速器能量，会导致系统整体转换效率下降，而且系统体积重量较大、成本较高、维护复杂，严重影响了器件的紧凑化、轻小型化以及使用的方便性。
当前在相对论返波管中解决上述问题的一种有效方法是在高频系统中引入内导体，采用过模结构，使内导体与慢波结构构成同轴型结构，这种方法可以使得电子注的势能降低，使电子束具有更高的动能，并且可以使用大半径电子束来降低空间电荷效应，因此可以有效降低外加引导磁场强度，但是由于采用了同轴过模结构，在互作用区可能会出现非对称模式的竞争，通常输出的不是纯净的单一模式，不能直接输出使用。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种改进型的基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，通过在内导体与圆波导输出结构之间设置耦合间隙，使得微波从耦合间隙耦合到圆波导输出结构输出，同时通过控制圆波导输出结构的半径，能够使输出模式只有TM01模式；此外，本发明还在内导体上加载了波纹结构，有效提高了束波互作用效率，利用较短互作用区域电子注就可以与高频场实现充分互作用。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，包括若干个轴向依次连接的高频系统；
所述高频系统，包括阳极壳体、环形阴极、管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级、输出结构；
所述阳极壳体，为圆筒形结构；
所述环形阴极，设置于阳极壳体内部、且位于阳极壳体左侧；所述环形阴极在高压脉冲作用下发射环形相对论电子束；
所述管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级依次设置于环形阴极右侧；
其特征在于：
所述收集极，由内半径逐渐增大的过渡段和内半径不变的均匀段组成；
所述同轴型非均匀慢波结构的内导体，其右端延伸至收集极的过渡段内；
所述输出结构，为设置于内导体右侧的圆波导输出结构；所述输出结构右侧输出端与收集极的均匀段之间设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；
所述圆波导输出结构与内导体之间存在耦合间隙；所述圆波导输出结构与内导体之间均匀设置有若干连接杆，用于支撑固定内导体。
进一步地，所述耦合间隙Wco的长度取值范围为10mm–20mm。
进一步地，所述同轴型非均匀慢波结构的内导体外壁加载有波纹结构，该波纹结构与同轴型非均匀慢波结构的外导体内壁加载的波纹结构形状相同且同相变化。
进一步地，所述波纹结构包括N个周期，N＝25-35；总长度L的取值范围为280mm–440mm；波纹深度先逐渐增大然后保持不变，再逐渐减小，最大波纹深度Hmax取值范围为1.5mm-2.4mm，最小波纹深度Hmin取值范围为0.7mm–1.4mm。
进一步地，所述环形阴极外半径比漂移段内半径R0小3mm–4mm，漂移段内半径R0取值为工作波长的0.5-1.5倍。
进一步地，所述内导体的平均半径R1的取值范围为0.6R0–0.85R0。
进一步地，所述过渡段的轴向长度Ztr取值范围为30mm–45mm，所述均匀段的轴向长度Zev取值范围为45mm–65mm。
进一步地，所述圆波导输出结构的内半径Rout取值范围为13.5mm–17mm。
本发明的超辐射机制同轴型相对论返波管的工作原理是：环形阴极与可以产生短电子束脉冲的脉冲加速器相连，最终产生上升沿小于1ns级别，脉冲长度几个ns级别的电子束脉冲；经过管头加速区域对电子束进行加速，然后在外加引导磁场的约束下，加速后的电子束经过布拉格反射腔产生速度调制，在漂移段进行初步密度调制后进入同轴型非均匀慢波结构，受激辐射产生微波从收集极方向向环形阴极方向传输；在同轴型非均匀慢波结构区域，电子束失去动能放大微波，微波经过布拉格反射腔的反射后，再次经过同轴型非均匀慢波结构向收集极方向传播；当微波传输到耦合间隙时，微波被耦合至圆波导输出结构进行输出；在同轴型非均匀慢波结构区域产生的模式不纯净，容易出现非对称模式，经过耦合间隙耦合到输出圆波导中输出的为TM01模式，实现了单一模式输出。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)采用了同轴型非均匀慢波结构，其内导体外壁和外导体内壁加载有同相变化的波纹结构；根据波纹深度变化慢波结构分为三段。第一段波纹深度逐渐变大，可以对电子束进行很好的预调制；第二段波纹深度保持最大值不变，具有最大的耦合阻抗，电子束与高频场在此区域进行充分互作用；第三段波纹深度逐渐变小，可以配合磁场位形；并且采用同轴型非均匀慢波结构可以利用较小互作用区长度就能实现较高束波互作用效率。
(2)本发明采用过模(过模比2.5)结构，可以采用更大半径的环形电子束，在相同注入电流时，电流密度变小，电子束空间电荷效应减小，因此能有效降低外加引导磁场强度。
(3)采用耦合间隙将微波耦合到圆波导输出结构输出，通过控制输出圆波导的内半径，可以实现输出圆波导中只有TM01模式输出。
附图说明
图1为实施例超辐射同轴型相对论返波管的纵向剖视图；
图2为实施例超辐射同轴型相对论返波管的尺寸标注图；
图3为实施例超辐射同轴型相对论返波管的输入输出功率图；
图4为实施例超辐射同轴相对论返波管输出端信号频谱图。
附图标记说明：1、阳极壳体，2、环形阴极，3、管头，4、布拉格反射腔，5、漂移段，61、同轴型非均匀慢波结构，62、内导体延伸段，71、收集极过渡段，72、收集极均匀段，8、圆波导输出结构，91、耦合缝隙，92、连接杆。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优点及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应当说明，以下给出的具体实施例解释说明本发明的作用，并不限定本发明。
本实施例的基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，包括若干个轴向依次连接的高频系统；
所述高频系统，如图1和图2所示，包括圆筒形阳极壳体、环形阴极、管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级、输出结构；所述环形阴极，设置于阳极壳体内部、且位于阳极壳体左侧；所述环形阴极在高压脉冲作用下发射环形相对论电子束；
所述管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级依次设置于环形阴极右侧；其中，漂移段内半径R0为40mm，环形阴极外半径为37mm。
所述同轴型非均匀慢波结构的外导体内壁、内导体外壁加载有形状相同且同相变化的波纹结构；其中，波纹结构总长度L为336mm，包括28个周期；波纹深度先逐渐增大然后保持不变，再逐渐减小，最大波纹深度Hmax为2.1mm，最小波纹深度Hmin为0.95mm；外导体内壁的平均半径等于R0，内导体的平均半径R1为30.5mm。
所述同轴型非均匀慢波结构的内导体的右端延伸至收集级的过渡段内，延伸段轴向长度为24mm。
所述收集极，由内半径逐渐增大的过渡段和内半径不变的均匀段组成；其中，过渡段的轴向长度Ztr为35mm，所述均匀段的轴向长度为55mm，内半径为46mm。
所述输出结构，为设置于所述内导体右侧的圆波导输出结构，其右侧输出端与收集极的均匀段之间设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；圆波导输出结构的内半径Rout为14mm，外半径等于所述内导体的平均半径R1，轴向长度Zev为60mm。
所述内导体与圆波导输出结构之间存在长度Wco为12mm的耦合间隙；所述内导体与圆波导输出结构之间均匀设置有4根连接杆，用于支撑固定内导体。
按照上述实施例在二极管工作电压300kV，注入功率1GW，电子束上升沿1ns，持续时间5ns，在外加低引导磁场强度0.41T时，PIC模拟得到一种基于超辐射机制的同轴相对论返波管工作频率8GHz，输出微波平均功率0.85GW，微波脉冲功率转换效率为85％，输出模式为圆波导TM01，得到的是超辐射微波脉冲。
本说明书中公开的所有特征，除非有特别要求，均可以被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子。

Claims (8)

1.一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，包括若干个轴向依次连接的高频系统；
所述高频系统，包括阳极壳体、环形阴极、管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级、输出结构；
所述阳极壳体，为圆筒形结构；
所述环形阴极，设置于阳极壳体内部、且位于阳极壳体左侧；所述环形阴极在高压脉冲作用下发射环形相对论电子束；
所述管头、布拉格反射腔、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集级依次设置于环形阴极右侧；
其特征在于：
所述收集极，由内半径逐渐增大的过渡段和内半径不变的均匀段组成；
所述同轴型非均匀慢波结构的内导体，其右端延伸至收集极的过渡段内；
所述输出结构，为设置于内导体右侧的圆波导输出结构；所述输出结构右侧输出端与收集极的均匀段之间设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；
所述圆波导输出结构与内导体之间存在耦合间隙；所述圆波导输出结构与内导体之间均匀设置有若干连接杆，用于支撑固定内导体。
2.如权利要求1所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述耦合间隙Wco的长度取值范围为10mm–20mm。
3.如权利要求1或2所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述同轴型非均匀慢波结构的内导体外壁加载有波纹结构，该波纹结构与同轴型非均匀慢波结构的外导体内壁加载的波纹结构形状相同且同相变化。
4.如权利要求3所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述波纹结构包括N个周期，N＝25-35；总长度L的取值范围为280mm–440mm；波纹深度先逐渐增大然后保持不变，再逐渐减小，最大波纹深度Hmax取值范围为1.5mm-2.4mm，最小波纹深度Hmin取值范围为0.7mm–1.4mm。
5.如权利要求4所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述环形阴极外半径比漂移段内半径R0小3mm–4mm，漂移段内半径R0取值为工作波长的0.5-1.5倍。
6.如权利要求5所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述内导体的平均半径R1的取值范围为0.6R0–0.85R0。
7.如权利要求6所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述过渡段的轴向长度Ztr取值范围为30mm–45mm，所述均匀段的轴向长度Zev取值范围为45mm–65mm。
8.如权利要求7所述的一种基于超辐射机制的同轴型相对论返波管，其特征在于：所述圆波导输出结构的内半径Rout取值范围为13.5mm–17mm。
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CN116959936A (zh) * 2023-07-31 2023-10-27 中国人民解放军国防科技大学 一种应用于高功率微波器件的组合周期慢波结构

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