CN116646227A - 一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管 - Google Patents

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王姣银
程仁杰
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杨柳
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Abstract

本发明提出了一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，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、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极、耦合输出结构；通过耦合输出结构，可以使微波从耦合间隙耦合至圆波导输出腔输出，耦合输出结构中的反射结构可以避免微波进入二极管区域，对电子束的产生及传输造成影响。此外，通过控制圆波导输出腔的半径，可以使得输出模式比较纯净；本发明在外加较低引导磁场强度的情况下，使用耦合输出的方式，可以减小传输损耗，实现高功率、高转换效率的微波输出，有利于高功率微波系统的小型化以及多管的空间功率合成。

Description

一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管。
背景技术
微波器件中的超辐射是一种非稳态、和时间增长量密切相关、与常规微波器件中注入连续或准连续电子束产生的受激辐射机理不同的新型辐射，这种超辐射形成需要满足电子脉冲的宽度τb小于束波协作时间τc，即τb<τc＝(L/Vc–L/Vp)，其中L为慢波结构长度，Vc为电子初始平均速度，Vp为负一次空间谐波群速度。由于电子束的强聚束作用，压缩了辐射波脉宽，功率转换效率可以超过100％。因此超辐射是一种密集型、具有高峰值功率和超短脉宽的相干辐射，并且可以实现输出微波峰值功率超过驱动电子束功率的目标。基于超辐射机制的相对论返波管(SR-RBWO)是一种超宽带高功率微波源，具有极高峰值功率，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，可用于高空间分辨率雷达，生物医学实验等领域。
目前国内外对SR-RBWO的研究中，为了在较长互作用区间提高相对论电子束传输的稳定性，从而提高束波互作用效率，获得更高的微波输出功率与转换效率，均需要外加很强的引导磁场。俄罗斯应用物理研究所、高能研究中心，中国工程物理研究院等研究机构，使用非均匀线性变化慢波结构，以及慢波结构周期数增多的超辐射相对论返波管模型，得到了以下研究成果。在X波段，外加引导磁场强度2.5T-5T，得到超辐射微波输出功率1.2GW-3GW，功率转换效率120％-150％，并且高功率微波器件对引导磁场强度的需求随着工作频率的提高而提高。在Ka波段，外加引导磁场强度2T-6.5T，得到的超辐射微波输出功率0.3GW-1.1GW，功率转换效率50％-150％。但是强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，不利于实现高功率微波系统的小型化紧凑化。除此之外，由于单个微波器件功率容量的限制，为了满足更高的微波功率需求，利用多个微波器件的空间功率合成技术已成为当前主要发展趋势，外加强磁场的超辐射相对论返波管不利于多管的空间功率合成。因此，如何降低超辐射相对论返波管的外加引导磁场，并且能够获得较高的输出功率与转换效率，具有十分重要的意义。
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耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管。通过耦合输出结构，可以使微波从耦合间隙耦合至圆波导输出腔输出，从而可以避免微波再次经过互作用区时的传输损耗，耦合输出结构中的反射结构可以避免微波进入二极管区域，对电子束的产生传输造成影响。此外，通过控制圆波导输出腔的半径，可以使得输出模式比较纯净；该返波管在外加较低引导磁场强度的情况下，使用耦合输出的方式，可以减小传输损耗，实现高功率、高转换效率的微波输出，有利于高功率微波系统的小型化以及多管的空间功率合成。
本发明采用的技术方案是：
一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，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、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极、耦合输出结构；
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、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极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由外导体和内导体组成，所述内导体的右端延伸至收集极均匀段的末端，且末端设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；
所述耦合输出结构，包括反射结构、圆波导输出腔；
所述反射结构，由圆柱体外壁挖圆环形凹槽形成，该凹槽为谐振反射腔；所述反射结构同轴设置于漂移段内，且与所述内导体之间存在耦合间隙；
所述圆波导输出腔为同轴设置于内导体内部、从左至右贯穿的圆柱形腔体；
所述反射结构与内导体之间设置有均匀分布的若干连接杆，用于支撑固定反射结构。
进一步地，所述耦合间隙的轴向长度Wco取值范围为5mm–10mm。
进一步地，所述反射结构的外半径与所述内导体的平均半径R1相同。
进一步地，所述圆环形凹槽的横截面为矩形，圆环形凹槽的宽度取值范围为10mm–15m m，深度取值范围为4mm–7mm。
进一步地，所述圆波导输出腔的内半径Rout取值范围为13.5mm–16.5mm。
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的取值范围为25-40；总长度L的取值范围为260mm–480mm；波纹深度先逐渐线性增大然后保持最大值不变，再逐渐线性减小，最大波纹深度Hmax取值范围为1.8mm–3mm，最小波纹深度Hmin取值范围为0.8mm–1.5mm。
进一步地，所述环形阴极外半径比漂移段内半径R0小3.5mm–5mm，漂移段内半径R0取值为工作波长的0.8–2.5倍。
进一步地，所述内导体的平均半径R1的取值范围为0.65R0–0.85R0。
进一步地，所述过渡段的轴向长度Ztr取值范围为15mm–30mm，所述均匀段的轴向长度Zev取值范围为40mm–60mm，均匀段内半径比漂移段内半径R0大2mm–6mm。
本发明的工作原理是：本发明在圆波导加载波纹结构的慢波结构基础上，引入内导体结构，与原有结构构成同轴结构，在相同的注入电流下，同轴结构采用了更大半径的环形阴极，能够减小电流密度，减小空间电荷效应，因此外加较低的引导磁场就能实现环形强流相对论电子束在长互作用区间的稳定传输，提高束波互作用效率。环形强流相对论电子束高频电磁场在同轴型非均匀慢波结构内进行束波互作用，产生的微波从收集极端向阴极方向传播，在传播过程中微波被不断放大，微波经过漂移段时，通过内导体上的耦合间隙被耦合至内导体内挖空的圆波导输出腔中输出，可以避免微波经过反射再次经过互作用区时的传输损耗，通过控制圆波导输出腔的半径，可以得到比较纯净的输出模式；同时在耦合间隙前端加了一个反射结构，可以有效阻止高功率微波进入二极管区域。
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.本发明采用了同轴结构，在过模条件下，可以注入更大半径电子束，在相同大小注入电流时，可以减小电流密度，减小空间电荷效应，因此能有效降低外加引导磁场强度，优化后引导磁场强度为0.42T，远远小于目前其他技术方案。
2.引入耦合输出结构，有两个优点：一是微波从收集极端产生并经过不断放大到达漂移段时，直接从耦合间隙耦合至圆波导输出腔输出，减小了由于反射结构和收集极端产生的反射损耗，以及在同轴型非均匀慢波结构中传输时的传输损耗，能得到更高的输出功率；二是由于采用了过模的同轴型非均匀慢波结构，产生的微波模式不纯，通过控制圆波导输出腔的半径，能有效对输出模式进行控制，最后得到纯净的输出模式。
3.在耦合间隙前端设置反射结构，可以有效阻止高功率微波进入二极管区域，避免微波对强流相对论电子束的产生和传播造成影响。
附图说明
图1为实施例耦合输出的同轴超辐射相对论返波管的纵向剖视图；
图2为实施例耦合输出的同轴超辐射相对论返波管的尺寸标注图；
图3为实施例耦合输出的同轴超辐射相对论返波管的输入输出功率图；
图4为实施例耦合输出的同轴超辐射相对论返波管输出端电场沿轴向和径向分布图；
图5为实施例耦合输出的同轴超辐射相对论返波管的输出信号频谱图。
附图标记说明：1、阳极壳体，2、环形阴极，3、管头，4、漂移段，51、同轴型非均匀慢波结构外导体，52、同轴型非均匀慢波结构内导体，61、收集极过渡段，62、收集极均匀段，71、反射结构，72、圆波导输出腔，81、耦合间隙，82、连接杆。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。
本实施例的耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，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、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极、耦合输出结构。
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；环形阴极外半径为51mm。
所述管头、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极依次设置于环形阴极右侧；其中，漂移段内半径R0为55mm。
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20mm，所述均匀段的轴向长度Zev为50mm，均匀段内半径为57.5mm。
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363mm，包括33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2.5mm，最小波纹深度Hmin为1.2mm；外导体内壁的平均半径等于R0，内导体的平均半径R1为43mm。
所述反射结构，由圆柱体外壁挖圆环形凹槽形成，圆柱体外半径等于所述内导体的平均半径R1，圆环形凹槽的横截面为矩形，圆环形凹槽的宽度为12mm，深度为5.5mm。
所述圆波导输出腔为同轴设置于内导体内部、从左至右贯穿的圆柱形腔体；圆波导输出腔的内半径Rout为14.5mm。
所述反射结构与内导体之间存在长度Wco为7.2mm的耦合间隙；所述反射结构与内导体之间均匀设置有2根连接杆，用于支撑固定反射结构。
按照上述实施例(相应的尺寸设计为：R0＝55mm，R1＝43mm，Rout＝14.5mm，Ztr＝20mm，Zev＝50mm，L＝363mm，Hmax＝2.5mm，Hmin＝1.2mm，Wco＝7.2mm)在二极管电压274kV，外加引导磁场0.43T的条件下，如图3所示，注入功率1.42GW时，输出超辐射微波功率2.52GW，功率转换效率达到177％。如图4及图5所示，中心频率为9.8GHz(对应微波波长λ＝30.6mm)，输出模式为TM01。由上述结果可知，本发明能同时兼顾低引导磁场，高输出功率和高转换效率输出，并且输出模式纯净，对于器件的重频工作以及多管的空间功率合成具有重要意义。

Claims (10)

1.一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，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、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极、耦合输出结构；
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、漂移段、同轴型非均匀慢波结构、收集极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由外导体和内导体组成，所述内导体的右端延伸至收集极均匀段的末端，且末端设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；
所述耦合输出结构，包括反射结构、圆波导输出腔；
所述反射结构，由圆柱体外壁挖圆环形凹槽形成，该凹槽为谐振反射腔；所述反射结构同轴设置于漂移段内，且与所述内导体之间存在耦合间隙；
所述圆波导输出腔为同轴设置于内导体内部、从左至右贯穿的圆柱形腔体；
所述反射结构与内导体之间设置有均匀分布的若干连接杆，用于支撑固定反射结构。
2.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述耦合间隙的轴向长度Wco取值范围为5mm–10mm。
3.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述反射结构的外半径与所述内导体的平均半径R1相同。
4.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述圆环形凹槽的横截面为矩形，圆环形凹槽的宽度取值范围为10mm–15mm，深度取值范围为4mm–7mm。
5.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述圆波导输出腔的内半径Rout取值范围为13.5mm–16.5mm。
6.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，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。
7.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述波纹结构包括N个周期，N的取值范围为25-40；总长度L的取值范围为260mm–480mm；波纹深度先逐渐线性增大然后保持最大值不变，再逐渐线性减小，最大波纹深度Hmax取值范围为1.8mm–3mm，最小波纹深度Hmin取值范围为0.8mm–1.5mm。
8.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述环形阴极外半径比漂移段内半径R0小3.5mm–5mm，漂移段内半径R0的取值为工作波长的0.8–2.5倍。
9.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述内导体的平均半径R1的取值范围为0.65R0–0.85R0。
10.如权利要求1所述的一种耦合输出的低磁同轴超辐射相对论返波管，其特征在于：所述过渡段的轴向长度Ztr取值范围为15mm–30mm，所述均匀段的轴向长度Zev取值范围为40mm–60mm，均匀段内半径比漂移段内半径R0大2mm–6mm。
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