CN117790263A - 一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，属于高功率微波技术领域的微波源器件。该器件中的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、前端提取输出结构；其中前端提取输出结构包括反射结构、同轴波导输出腔、支撑组件。本发明采用同轴波导输出腔结构降低了外加引导磁场，通过前端提取输出结构减小了微波传输过程中的功率损耗，能大幅提高器件的输出功率和功率转换系数。本发明能够在低引导磁场条件下工作，具有高输出功率功率，高转换系数的特点，对于高功率微波系统以及基于SR‑RBWO的空间功率合成系统的小型化和实用性具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于高功率微波技术领域的微波源器件，具体涉及一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器。
背景技术
高功率微波一般是指频率在300MHz-30GHz，峰值功率大于100MW或平均功率超过1MW的强电磁脉冲。高功率微波的产生可以应用多种物理原理实现，比如：渡越辐射、轫致辐射以及切伦科夫辐射等。高功率微波在科学研究、国防军事和民用领域都有很广阔的应用。其中军事应用是推动高功率微波技术发展的主要推动力。高功率微波具有对付先进武器中电子系统的重要能力，在电子对抗中具有重要的非火力打击威慑作用。目前高功率微波的产生方式主要是以电真空器件技术为主，单个微波源的输出功率可以达到GW级水平，在高功率微波系统中占有极重要的位置，其研究工作也一直受到世界各国的重视，多种高性能的微波源被不断地研发出来。
微波器件中的超辐射是指当电子束脉冲空间长度接近或小于束波互作用空间长度时，由于辐射波相对于电子束脉冲的滑移效应和电子束不同部分相互作用引起的自群聚，在整个电子束体积内产生的强烈相干辐射，这种辐射是一种密集型、具有高峰值功率和超短脉宽的相干辐射。利用超辐射机理能够极大提高束波互作用效率，产生接近甚至超过电子束功率水平的高功率超短脉冲，为研制体积小、重量轻、可靠性能高的高功率纳秒/亚纳秒微波/毫米波辐射源提供了新的思路和技术路线。不同的受激辐射机理，如切伦科夫辐射、回旋辐射和轫致辐射，均可以实现超辐射，上世纪90年代以来，所有这些类型的超辐射现象都已经在实验中观测到，其中以基于切伦科夫超辐射机理的相对论返波管产生的辐射功率最大，功率转换效率最高。
相对论返波管是最有应用潜力的高功率微波器件之一，具有高功率、高效率、适合重复频率运行以及较好的频率调谐等特点。基于新型辐射机制的超辐射相对论返波管(Superradiant Relativistic Backward Wave Oscillator，SR-RBWO)利用短电子束脉冲的超辐射效应可以产生纳秒/亚纳秒微波脉冲，其输出微波脉冲具有上升前沿快、峰值功率高、脉宽窄等特点。在微波武器、高空间分辨率雷达和生物医学实验等领域具有十分重要的研究意义。目前国内外对SR-RBWO的主要研究单位有俄罗斯应用物理研究所、俄罗斯电子物理研究所、俄罗斯高能研究中心、中国工程物理研究院应用电子学研究所、西北核技术研究所等单位。超辐射相对论返波管一般具有较长的互作用区域(20-50个周期)，因此为了保证强流相对论电子束的远距离传输和电子束品质，进而提高束波互作用效率得到更高的输出功率，需要外加强引导磁场对电子束进行约束，而且引导磁场通常随着产生微波频率的增加而增加。在X波段，外加引导磁场强度2.5T-5.2T，得到超辐射微波输出功率1.2GW-3GW，功率转换系数1.2-1.8。在Ka波段，外加引导磁场强度2T-8.5T，得到的超辐射微波输出功率0.3GW-1.1GW，功率转换系数0.5-1.5。但是强引导磁场通常是由螺线管或者超导线圈提供，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。如果能将外加引导磁场降至1T以下，就可以采用几十千瓦级的直流磁体系统甚至永磁包装，一方面低磁场可以降低相对论电子束的电流密度，减轻收集级的负担；另一方面可以实现器件紧凑的结构、低能耗、方便的维护等。因此，研究降低超辐射相对论返波管的外加引导磁场直至实现永磁包装，并且在低磁场条件下实现器件保持较高的输出功率和高功率转换系数对推动器件的实用化具有十分重要的意义。目前报道的研究中，同时实现外加低引导磁场、高输出功率，高功率转换系数的方案尚未有公开报道。
发明内容
为了解决目前SR-RBWO研究中难以兼顾外加低引导磁场、高输出功率以及高功率转换系数的问题，本发明提出了一种前端提取同轴输出的超辐射相对论返波管。本发明采用同轴结构降低外加引导磁场，通过前端提取输出结构减小微波传输过程中的功率损耗，能大幅提高器件的输出功率和功率转换系数。本发明能够在低引导磁场条件下工作，具有高输出功率功率，高转换系数的特点，对于高功率微波系统以及基于SR-RBWO的空间功率合成系统的小型化和实用性具有重要意义。
本发明所采用的技术方案是：
一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，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、前端提取输出结构；
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强流相对论电子束；
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；
所述收集极，由内半径逐渐增加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的末端，且两者之间设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；
其特征在于：
所述前端提取输出结构，包括反射结构、同轴波导输出腔、支撑组件；
所述同轴波导输出腔为设置于内导体内部、从左至右贯穿的同轴结构腔体；
所述支撑组件位于同轴波导输出腔内部，用于支撑同轴波导输出腔中的内部圆柱体。
所述反射结构，由圆柱体外壁挖圆环形凹槽形成，该凹槽作为谐振反射腔；所述反射结构与同轴型非均匀慢波结构的内导体之间存在耦合间隙；
所述同轴波导输出腔中的内部圆柱体向左侧延伸并连接反射结构右端面。
进一步地，所述同轴波导输出腔的内半径Rc1取值范围为0.5Rc2-0.85Rc2，外半径Rc2取值范围为25mm-37mm。
进一步地，所述支撑组件包括6-10个角向均匀分布的支撑杆。
进一步地，所述耦合间隙的宽度Wco的取值范围为5mm-10mm。
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＝25-50；总长度L的取值范围为263mm-575mm；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1.5mm-3mm，最小波纹深度Hmin取值范围为0.8mm-1.5mm。
进一步地，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；过渡段的轴向长度Ztr取值范围为10mm-30mm，均匀段的轴向长度Zev取值范围为15mm-45mm，均匀段内半径比漂移段内半径R0大0.5mm-10mm。
进一步地，所述漂移段的内半径R0取值范围为工作波长的1.2-2.4倍；所述内导体的平均半径R1的取值范围为0.7R0-0.9R0；反射结构的外半径与所述内导体的平均半径R1相同；所述环形阴极外半径比漂移段内半径R0小3mm-7mm。
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9.5mm-13mm，深度取值范围为5mm-10mm。
本发明的工作原理是：与现有技术中慢波结构采用的空心圆波导结构不同，本发明采用了同轴型非均匀慢波结构，具有以下优点：1.实现电子束的稳定传输，同轴结构需要的最小约束磁场小于空心圆波导结构；2.同轴结构可以减小阴极发射区域的径向电场分量，有利于提高电子束品质；3.同轴结构可以采用较大过模比，且不会引入模式竞争以及器件工作频率的改变，因此可以注入更大半径电子束，减小空间电荷效应，可以降低引导磁场。同时，本发明还设计了前端提取输出结构。强流相对论电子束与射频场相互作用产生超辐射微波脉冲，微波在从收集极向阴极方向传播过程中，从调制电子束获取能量被不断放大，微波到达漂移段时，不再经过反射器反射重新进入慢波结构向输出端传播，而是被设计位于同轴漂移段的耦合缝隙提取到同轴波导输出腔进行输出，从而有效减小了微波在慢波结构中传播时的功率损耗，能大幅提高器件输出功率。此外，本发明在耦合缝隙前端设置了反射结构，用于阻止高功率微波进入二极管区域对电子束的发射传输产生影响。
与现有技术相比，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用了同轴型非均匀慢波结构，内导体的存在降低了阴极发射区域的径向电场分量，即使外加较低引导磁场，电子束的径向振荡幅度也比较小，电子束品质较好，因此器件具有GW级功率输出，且功率转换系数大于1。优化得到引导磁场0.31T，器件输出功率2.5GW，转换系数3.6。
(2)本发明采用了前端提取输出结构，微波在收集极端产生，在向阴极方向传播过程中不断放大，到达同轴漂移段时，经过耦合腔直接提取到同轴波导输出腔输出，有效减小了微波再次进入同轴型非均匀慢波结构中的传输功率损耗。
(3)在耦合间隙前端设置反射结构，可以有效阻止微波进入二极管区域，避免微波对电子束的产生和传播造成影响。
附图说明
图1为实施例前端提取同轴输出超辐射振荡器的纵向剖视图；
图2为实施例前端提取同轴输出超辐射振荡器的尺寸标注图；
图3为实施例前端提取同轴输出超辐射振荡器的输入输出功率图；
图4为实施例前端提取同轴输出超辐射振荡器的输出信号频谱图。
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，52、内导体，61、收集极过渡段，62、收集极均匀段，71、反射结构，72、同轴波导输出腔，73、支撑组件，8、耦合间隙。
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。
本实施例的前端提取同轴输出的超辐射振荡器，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、前端提取输出结构。
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强流相对论电子束；环形阴极外半径为54.9mm。
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，漂移段的内半径R0为59.3mm。
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，慢波结构总长度L为414mm，包括38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2.8mm，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49.5mm。
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14mm，所述均匀段的轴向长度Zev为25mm，均匀段内半径为60mm。
所述前端提取输出结构，包括反射结构、同轴波导输出腔、支撑组件。
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11.3mm，深度为6.7mm；反射结构与同轴型非均匀慢波结构的内导体之间存在宽度Wco为7.2mm的耦合间隙。
所述同轴波导输出腔为设置于内导体内部、从左至右贯穿的同轴结构腔体；所述同轴波导输出腔中的内部圆柱体向左侧延伸并连接反射结构右端面；同轴波导输出腔的内半径Rc1为27.6mm，外半径Rc2为34.1mm。
所述支撑组件为位于同轴波导输出腔内部的6个支撑杆，用于支撑同轴波导输出腔中的内部圆柱体。
如图2所示，本实施例重要尺寸为：R0＝59.3mm，R1＝49.5mm，N＝38，L＝414mm，Hmax＝2.8mm，Hmin＝1.2mm，Ztr＝14mm，Zev＝25mm，Wco＝7.2mm，Rc1＝27.6mm，Rc2＝34.1mm。在二极管电压200kV，注入功率0.69GW，外加引导磁场0.31T的条件下，如图3、图4所示，得到超辐射输出微波脉冲脉宽450ps，峰值功率2.5GW，相应功率转换系数为3.6，器件中心频率为8.6GHz(对应微波波长λ＝34.9mm)。由上述结果可知，本发明在低引导磁场条件下，也具有很高的输出功率和转换系数，对于高功率微波系统和基于SR-RBWO空间功率合成系统的小型化和实用性具有重要意义。
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。
Claims (9)
1.一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，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、前端提取输出结构；
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强流相对论电子束；
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；
所述收集极，由内半径逐渐增加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的末端，且两者之间设置有环形封闭端面，使高频系统内部腔体封闭；
其特征在于：
所述前端提取输出结构，包括反射结构、同轴波导输出腔、支撑组件；
所述同轴波导输出腔为设置于内导体内部、从左至右贯穿的同轴结构腔体；
所述支撑组件位于同轴波导输出腔内部，用于支撑同轴波导输出腔中的内部圆柱体。
所述反射结构，由圆柱体外壁挖圆环形凹槽形成，该凹槽作为谐振反射腔；所述反射结构与同轴型非均匀慢波结构的内导体之间存在耦合间隙；
所述同轴波导输出腔中的内部圆柱体向左侧延伸并连接反射结构右端面。
2.如权利要求1所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，其特征在于，所述同轴波导输出腔的内半径Rc1取值范围为0.5Rc2-0.85Rc2，外半径Rc2取值范围为25mm-37mm。
3.如权利要求1所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，其特征在于，所述支撑组件包括6-10个角向均匀分布的支撑杆。
4.如权利要求2所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，其特征在于，所述耦合间隙的宽度Wco的取值范围为5mm-10mm。
5.如权利要求2所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，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。
6.如权利要求5所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，其特征在于，所述波纹结构包括N个周期，N＝25-50；总长度L的取值范围为263mm-575mm；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1.5mm-3mm，最小波纹深度Hmin取值范围为0.8mm-1.5mm。
7.如权利要求5或6所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，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；过渡段的轴向长度Ztr取值范围为10mm-30mm，均匀段的轴向长度Zev取值范围为15mm-45mm，均匀段内半径比漂移段内半径R0大0.5mm-10mm。
8.如权利要求7所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，其特征在于，所述漂移段的内半径R0取值范围为工作波长的1.2-2.4倍；所述内导体的平均半径R1的取值范围为0.7R0-0.9R0；反射结构的外半径与所述内导体的平均半径R1相同；所述环形阴极外半径比漂移段内半径R0小3mm-7mm。
9.如权利要求8所述的一种前端提取同轴输出的超辐射振荡器，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9.5mm-13mm，深度取值范围为5mm-10mm。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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