CN205881865U - 一种双网结构轴向虚阴极振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双网结构轴向虚阴极振荡器，它包括阳极、可产生环形电子束的阴极、设置在阳极和阴极之间的绝缘体、阳极网、反馈阶跃波导和微波辐射窗；所述的阴极、绝缘体和微波辐射窗均设置在阳极内；所述的阳极、阴极、绝缘体和微波辐射窗围成的空间抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕；阳极网设置在阴极与微波辐射窗之间，所述的阳极网、阳极和微波辐射窗形成微波传输腔，阴极产生的强流电子束在该微波传输腔内形成虚阴极，所述的反馈阶跃波导设置在阳极内壁上且位于阳极网与虚阴极之间。本实用新型可使强流电子束在穿越阳极网后形成稳定的虚阴极。通过这种结构设计，轴向虚阴极振荡器产生了单频稳定的高功率微波。

Description

一种双网结构轴向虚阴极振荡器

技术领域

本实用新型涉及高功率微波器件领域，具体涉及一种双网结构轴向虚阴极振荡器。

背景技术

高功率微波是指频率在1～300GHz范围和峰值功率在100MW以上的电磁波，L波段是指频率在1～2GHz的无线电波波段。随着脉冲功率技术和等离子体物理的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。虚阴极振荡器是高功率微波源重要的研究方向之一，在过去的二十多年时间里受到了国际上高度重视和广泛研究。

通常被称为虚阴极振荡器完全不同于普通的微波源，因为它需要一个超过空间电荷限制流的电流。空间电荷限制流是指这样一个电流，当注入电流超过这个电流时，静电势能超过电子束的动能，因此，虚阴极将电子反射，反射电子在实阴极与虚阴极之间振荡，这称作反射机制。虚阴极是不稳定的，其位置和势值也振荡。这两种机制能产生频率近似相等的微波辐射。与其他微波源相比，虚阴极振荡器具有概念和结构简单等优点。它产生高功率水平，而且极易调谐，因为它取决于电荷密度而不依赖于任何谐振条件。

虚阴极振荡器是一种空间电荷器件，高电压下阴极发射的强流电子束透过阳极网注入到漂移管中，由于电子具有强空间电荷效应，只有低于空间电荷限制流强度的电子束才能够稳定的传输。当电子束流超过空间电荷限制电流的强度时，电子束在势阱中的势能将增大到足以抵消电子所具有的动能，造成束电子在阳极下游的某个位置大量群聚而形成虚阴极。虚阴极的形成一方面将阻止电子的继续传输，把入射电子部分的反射，反射电子通过阳极网后又受到真实阴极的作用重新返回，于是反射电子在实阴极与虚阴极之间形成反射机制振荡，产生微波辐射；另一方面电子的返回使虚阴极处势值减小，电子束又能传输，进而又引起势值增大，继续阻止电子的进一步传输，使虚阴极的自身位置和势值都发生振荡，产生电磁辐射。

虚阴极的形成和发展是一个不稳定的动态非线性过程：一方面，它有一个与阴极对阳极大体相同的负电位，因此虚阴极区的电子要向阳极反射回去，这些反射电子穿过阳极到达阴极附近，又被阴极反推回来，来回发反射向外辐射微波，这就是人们所熟知的电子反射产生微波的机制；另一方面，电子被反射回去以后，虚阴极区的电子数密度小了，电势要发生变化，势阱的位置也要变化，与此同时，真实阴极发射的电子又不断给虚阴极补充电子，使得虚阴极区电子数密度增加爱，从而导致虚阴极的电位和位置都发生变化，从宏观上就表现为虚阴极随空间和时间形成震荡，从而激励微波辐射，这就是虚阴极自身振荡产生微波的机制。所以，虚阴极振荡器是由虚阴极本身的时空振荡以及电子在虚阴极和阴极之间的来回反射两种机制共同产生微波的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，本实用新型在阳极网后面增加一反馈阶跃波导，强流电子束在反馈阶跃波导及阳极网的共同作用下，使强流电子束在穿越第阳极网后可形成稳定的虚阴极，并且本轴向虚阴极振荡器可产生单频稳定的高功率微波。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双网结构轴向虚阴极振荡器，它包括阳极、可产生环形电子束的阴极、设置在阳极和阴极之间的绝缘体、阳极网、反馈阶跃波导和微波辐射窗；所述的阴极、绝缘体和微波辐射窗均设置在阳极内；所述的阳极、阴极、绝缘体和微波辐射窗围成的空间抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕；阳极网设置在阴极与微波辐射窗之间，所述的阳极网、阳极和微波辐射窗形成微波传输腔，阴极产生的强流电子束在该微波传输腔内形成虚阴极，所述的反馈阶跃波导设置在阳极内壁上且位于阳极网与虚阴极之间。 本实用新型合理设置波导结构，使得虚阴极稳定，且能够产生单频稳定的高功率微波。阳极网的作用是在阴阳极高压作用下，引导阴极发射产生的强流电子束轴向传输至阳极网，并使电子束穿过阳极网，在阳极网后形成虚阴极。

作为优选方式，所述的双网结构轴向虚阴极振荡器的阳极和阴极分别与能够产生400kV的电源或电路的正极和负极相连。

作为优选方式，所述的阳极为管状，阳极的一端为直管状，另一端为喇叭状（喇叭状可解释为管状阳极由内向外扩张或者管状阳极由小端到大端平滑过渡），该结构可以使微波传播更加顺畅、微波更易扩散。

作为优选方式，所述的阴极的发射端设置有用于发射环形电子束的环状凸部，环状电子束有助于提升束波转换效率。

作为优选方式，所述的环状凸部轴向发射强流电子束内外直径分别为70mm，100mm，束流电压为400kV，束流强度为12kA。

作为优选方式，所述的阳极网包括第一阳极网和第二阳极网，第一阳极网和第二阳极网均设置在阳极上，且第一阳极网与第二阳极网平行设置。采用双层阳极网结构，并在阳极网后面增加一反馈阶跃波导，使强流电子束在穿越第二阳极网后可形成稳定的虚阴极。通过上述结构产生的单频高功率微波更加稳定。

作为优选方式，所述的第一阳极网和第二阳极网的电子束透过率大于90%，更有利于束波转换。

作为优选方式，所述的第一阳极网和第二阳极网之间的距离为25mm。

作为优选方式，所述的反馈阶跃波导为圆环状，反馈阶跃波导的直径为260mm，其轴向长度为18mm。

作为优选方式，所述的阴极为平绒阴极；所述的微波辐射窗材料为聚四氟乙烯。材料易于获得，有助于本实用新型的推广应用。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在阳极网后面增加了一反馈阶跃波导，强流电子束在反馈阶跃波导及阳极网的共同作用下，使强流电子束在穿越阳极网后可形成稳定的虚阴极。通过这种结构设计，轴向虚阴极振荡器产生了单频稳定的高功率微波。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中，1-绝缘体，2-阴极，3-第一阳极网，4-第二阳极网，5-反馈阶跃波导，6-环形电子束，7-虚阴极，8-微波辐射窗。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种双网结构轴向虚阴极振荡器，它包括阳极、可产生环形电子束6的阴极2、设置在阳极和阴极2之间的绝缘体1、阳极网、反馈阶跃波导5和微波辐射窗8；绝缘体1的材料为尼龙，绝缘体1的作用是对器件阴阳极进行绝缘隔离；所述的阴极2、绝缘体1和微波辐射窗8均设置在阳极内；所述的阳极、阴极2、绝缘体1和微波辐射窗8围成的空间抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕，真空度优选1～10毫帕；阳极网设置在阴极2与微波辐射窗8之间，所述的阳极网、阳极和微波辐射窗8形成微波传输腔，阴极2产生的强流电子束在该微波传输腔内形成虚阴极7，所述的反馈阶跃波导5设置在阳极内壁上且位于阳极网与虚阴极7之间。

优选地，所述的L波段轴向虚阴极7振荡器的阳极和阴极2分别与能够产生400kV的电源或电路的正极和负极相连。

优选地，所述的阳极为管状，阳极的一端为直管状，另一端为喇叭状。

优选地，所述的阴极2的发射端设置有用于发射环形电子束6的环状凸部。

优选地，所述的环状凸部的内径尺寸范围为65mm～75mm；所述的环状凸部的外径尺寸范围为95mm～105mm；进一步优选，所述的环状凸部的内外径尺寸分别为70mm和100mm，环状凸部轴向发射强流电子束内外直径分别为70mm，100mm，束流电压为400kV，束流强度为12kA。

优选地，所述的阳极网包括第一阳极网3和第二阳极网4，第一阳极网3和第二阳极网4均设置在阳极上，且第一阳极网3与第二阳极网4平行设置。第二阳极网4（轴向虚阴极7振荡器中距离阴极2更近的一层阳极网）的作用是在阴阳极高电压作用下，引导阴极2发射产生的强流电子束轴向传输至阳极网，并使电子束穿透第一阳极网3和第二阳极网4，在第二阳极网4后形成虚阴极7。

优选地，所述的第一阳极网3和第二阳极网4的电子束透过率大于90%。

优选地，所述的第一阳极网3和第二阳极网4之间的距离为20mm～30mm，更优选地，第一阳极网3和第二阳极网4之间的距离为25mm。

优选地，所述的反馈阶跃波导5为圆环状，反馈阶跃波导5的直径为250mm～270mm，其轴向长度为15～20mm；更优选地，反馈阶跃波导5的直径为260mm，轴向长度为18mm。反馈阶跃波导5设置在第二阳极网4与虚阴极7之间，更为优选的是，反馈阶跃波导5更靠近第二阳极网4，反馈阶跃波导5的作用是对虚阴极7产生一突变阻抗，维持虚阴极7的形成稳定。

优选地，所述的阴极2为平绒阴极2，其作用是产生强流电子束；所述的微波辐射窗8材料为聚四氟乙烯。

对附图标记的进一步说明：附图标记6为阴极2发射产生并在阳极网引导下进行轴向传输的环形电子束6。附图标记7为强流电子束电流强度超过波导内的空间电荷限制流后，在波导腔内形成的虚阴极7，虚阴极7中部分电子可继续向波导腔（即所述的阳极网、阳极和微波辐射窗8形成微波传输腔）下游传输，绝大部分电子被虚阴极7反射回阳极网。

本实用新型采用双层阳极网结构，并在阳极网后面增加一反馈阶跃波导5，强流电子束在反馈阶跃波导5及阳极网的共同作用下，使强流电子束在穿越第二阳极网4后可形成稳定的虚阴极7，通过这种结构，轴向虚阴极7振荡器可产生单频稳定的高功率微波。

本实用新型的优选实施过程是：用真空获得装置将轴向虚阴极7振荡器内真空度处理到毫帕量级。阴阳极之间施加高电压或极高电压（如400kV），当电压强度达到阴极2材料的电子发射阈值时，平绒阴极2发射产生环形轴向强流电子束（电子束的束流强度为12kA）。强流电子束在第一层阳极网引导下轴向传输透过第二层阳极网，并在阶跃波导作用下，在第二层阳极网后形成稳定的虚阴极7振荡，电子束将能量交给微波场，产生高功率微波（频率为1.53GHz），高功率微波经天线（微波辐射窗8）辐射出去。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，应当指出的是，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：它包括阳极、可产生环形电子束的阴极、设置在阳极和阴极之间的绝缘体、阳极网、反馈阶跃波导和微波辐射窗；所述的阴极、绝缘体和微波辐射窗均设置在阳极内；所述的阳极、阴极、绝缘体和微波辐射窗围成的空间抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕；阳极网设置在阴极与微波辐射窗之间，所述的阳极网、阳极和微波辐射窗形成微波传输腔，阴极产生的强流电子束在该微波传输腔内形成虚阴极，所述的反馈阶跃波导设置在阳极内壁上且位于阳极网与虚阴极之间。

2.根据权利要求1所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的双网结构轴向虚阴极振荡器的阳极和阴极分别与能够产生400kV的电源或电路的正极和负极相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阳极为管状，阳极的一端为直管状，另一端为喇叭状。

4.根据权利要求1或2所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阴极的发射端设置有用于发射环形电子束的环状凸部。

5.根据权利要求4所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的环状凸部轴向发射强流电子束内外直径分别为70mm，100mm，束流电压为400kV，束流强度为12kA。

6.根据权利要求5所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阳极网包括第一阳极网和第二阳极网，第一阳极网和第二阳极网均设置在阳极上，且第一阳极网与第二阳极网平行设置。

7.根据权利要求6所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的第一阳极网和第二阳极网的电子束透过率大于90%。

8.根据权利要求6或7所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的第一阳极网和第二阳极网之间的距离为25mm。

9.根据权利要求1所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的反馈阶跃波导为圆环状，反馈阶跃波导的直径为260mm，其轴向长度为18mm。

10.根据权利要求1所述的一种双网结构轴向虚阴极振荡器，其特征在于：所述的阴极为平绒阴极；所述的微波辐射窗材料为聚四氟乙烯。