CN219738906U - 一种利用等离子体激发电磁波的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用等离子体激发电磁波的装置，采用在波导中形成有等离子体，密封真空腔体中产生电子通过电子窗穿出到波导中，轰击波导中的等离子体，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波，产生的电磁波随波导导出。这样在波导中形成有等离子体，以密封真空腔体中产生电子并通过电子窗穿出到波导中的方式替代GOL‑3装置，电子‑等离子体互作用装置大为减小，满足小型化电磁波辐射源的迫切需求，可灵活而广泛地满足多样化应用。此外，相对于返波管和磁控管等真空电子器件，本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置有下述的优点：1)、输出功率高，2)结构简单，互作用区域不需要真空，3)通过调节等离子体密度即可简单调节电磁波频率。
Description
技术领域
本实用新型属于微波器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种利用等离子体激发电磁波的装置。
背景技术
速调管、行波管等电真空器件利用电子枪发射出来的电子束，形成电子群聚，并在减速场中失去能量，电子动能转换为电磁波能量，从而形成放大或振荡的电磁波输出。
电真空器件自问世以来，在雷达、电子对抗、通信等军事及民用领域作为微波系统的核心器件得到了广泛应用。然而，随着工作频率的不断提高，由于“尺寸共渡”效应，电真空器件也面临下述主要问题：1)、损耗高、耦合阻抗低；2)、慢波结构中电子注-电磁波互作用效率低；3)、电流密度要求高，无法实现；同时4)、器件结构太小无法加工。
等离子(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，是物质的第四态，整体呈现电中性。电子束进入等离子体后，能够产生电磁波辐射，其辐射频率高于等离子体振荡频率。Thumm等人于2014年报道了在GOL-3装置上开展的电子束—等离子体系统实验。实验在密度量级为1020/m3的强湍流等离子体中，利用静电波向电磁波的转换获得了频率为0.23-0.30THz功率密度为1kW/cm3的电磁辐射，同时也观测到了由非线性相互作用导致的二次谐波。然而该实验的装置庞大，且造价高昂，因此无法灵活而广泛地满足多样化应用需求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中电子-等离子体互作用装置庞大，且造价高昂，无法灵活而广泛地满足多样化应用需求的缺陷，提供一种利用等离子体激发电磁波的装置即电子-等离子体电磁波发生器，以满足小型化电磁波辐射源的迫切需求。
为实现上述实用新型目的，本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置，其特征在于，包括：
一波导，波导中形成有等离子体；
一密封真空腔体，电子枪在其中产生电子，并从能够密封真空且电子能够容易穿透介质形成的电子窗穿出到波导中，轰击波导中的等离子体，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波，产生的电磁波随波导导出；
其中，等离子体密度需要满足产生电磁波的频率高于波导截止频率即最低工作频率。
本实用新型的目的是这样实现的。
本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置，采用在波导中形成有等离子体，密封真空腔体中产生电子通过电子窗穿出到波导中，轰击波导中的等离子体，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波，产生的电磁波随波导导出。这样在波导中形成有等离子体，以密封真空腔体中产生电子并通过电子窗穿出到波导中的方式替代GOL-3装置，电子-等离子体互作用装置大为减小，满足小型化电磁波辐射源的迫切需求，可灵活而广泛地满足多样化应用。此外，相对于返波管和磁控管等真空电子器件，本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置有下述的优点：1)、输出功率高，2)结构简单，互作用区域不需要真空，3)通过调节等离子体密度即可简单调节电磁波频率(等离子体密度越大，产生的电磁波频率越高，反之，越小)。
附图说明
图1是本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置一种具体实施方式的结构示意图；
图2是本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置另一种具体实施方式的结构示意图；
图3是本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置的典型信号输出的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本实用新型。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例1
图1是本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置一种具体实施方式的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置包括波导1、密封真空腔体2。波导1中形成有等离子体3。电子枪4在密封真空腔体2中产生电子，并从能够密封真空且电子能够容易穿透介质形成的电子窗201穿出到波导1中，轰击波导1中的等离子体3，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波5，产生的电磁波5随波导1导出。其中，等离子体3密度需要满足产生电磁波5的频率高于波导1的截止频率即最低工作频率。
在具体实施过程中，波导1可以是矩形波导、椭圆波导或者圆波导。波导1由金属制成，可以是铝、金、银、铜、钛、钨、铼、镍、钴、铁及其合金。由于波导1的横截面决定电磁波5截止频率即最低工作频率，所以产生电磁波5的频率必须高于截止频率。
电子由电子枪4产生，形成电子束流6，电子束流强度和电压决定产生电磁波的功率，而注入电子束流6截面则需要小于波导侧面，电子束流6截面一般是圆截面，也有椭圆截面或矩形截面，故而需要设计特定电压、电流和截面的电子枪产生电子束流6。
等离子体3由多种不同类型等离子体发生器来产生，典型结构为等离子体炬和射频等离子体。
由于电子枪产生电子一般是高真空环境，而产生等离子体则需要高于100Pa的气压环境，所以需要能够密封真空且电子能够容易穿透的介质，介质可以是金刚石(Diamond，相对介电常数为5.68)，石英(相对介电常数为2.5)，氮化硼(相对介电常数为4.0)，陶瓷(相对介电常数为9)，蓝宝石(相对介电常数为9.4)，亦可以采用铝箔等。
进一步说明，电子束流6只要和等离子体互作用即可产生电磁波，故而电子束流6可以从等离子体4任意方向馈入，按照结构设计需求即可。
在本实施例中，如图1所示，所述波导1采用圆波导，并采用等离子体炬的方式产生等离子体。在本实施例中，如图1所示，圆波导1下方为进气口101，工质气体7由下方进气口101进入，进气口101中心有一中心导体102，中心导体102为向上的锥形体，尖端向上，在进气口中心导体102和圆波导1的外壳之间施加电压，施加的电压在中心导体102尖端点燃工质气体7，在尖端前端形成等离子体3，结构为等离子体炬。工质气体7则从圆波导1上端侧面的排气窗103排出。
电子枪4在密封真空腔体2中产生电子，形成电子束流6，通过电子窗201从侧面穿出到波导1中，调节等离子体炬的功率和气体流量，能够实现不同等离子体密度的调节，随着等离子体密度的调节，能够产生不同频率电磁波，产生的电磁波随波导导出。
实施例2
图2是本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置另一种具体实施方式的结构示意图。
在本实施例中，如图2所示，本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置中，波导1为矩形波导，采用电感线圈产生等离子体：矩形波导1下方外壁上绕制电感线圈8，电感线圈8上施加射频振荡，矩形波导1底端侧面为进气口101，工质气体由底端侧面进气口101进入，在射频振荡电磁场的作用下点燃工质气体形成等离子体3，密封真空腔体2位于矩形波导1底端，电子枪4在密封真空腔体2中产生电子，形成电子束流6，通过电子窗201从底面穿出到矩形波导1中，轰击矩形波导1中的等离子体3，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波5，产生的电磁波5随矩形波导1导出，工质气体则从矩形波导1上端侧面的排气窗103排出。
图3是本实用新型利用等离子体激发电磁波的装置的典型信号输出的仿真图。
在本实施例中，仿真产生输出如图3所示。从图3可以看出，在40ns后，可以输出稳定的电磁波信号，可见本实用新型是可以实现的，达到了本实用新型的目的，即提供一种利用等离子体激发电磁波的装置即电子-等离子体电磁波发生器，以满足小型化电磁波辐射源的迫切需求。
尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种利用等离子体激发电磁波的装置，其特征在于，包括：
一波导，波导中形成有等离子体；
一密封真空腔体，电子枪在其中产生电子，并从能够密封真空且电子能够容易穿透介质形成的电子窗穿出到波导中，轰击波导中的等离子体，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波，产生的电磁波随波导导出；
其中，等离子体密度需要满足产生电磁波的频率高于波导截止频率即最低工作频率。
2.根据权利要求1所述的利用等离子体激发电磁波的装置，其特征在于，所述波导采用圆波导，圆波导下方为进气口，工质气体由下方进气口进入，进气口中心有一中心导体，中心导体为向上的锥形体，尖端向上，在进气口中心导体和圆波导的外壳之间施加电压，施加的电压在中心导体尖端点燃工质气体，在尖端前端形成等离子体，结构为等离子体炬，工质气体则从圆波导上端侧面的排气窗排出。
3.根据权利要求1所述的利用等离子体激发电磁波的装置，其特征在于，波导为矩形波导，采用电感线圈产生等离子体：矩形波导下方外壁上绕制电感线圈，电感线圈上施加射频振荡，矩形波导底端侧面为进气口，工质气体由底端侧面进气口进入，在射频振荡电磁场的作用下点燃工质气体形成等离子体，密封真空腔体位于矩形波导底端，电子枪在密封真空腔体中产生电子，形成电子束流，通过电子窗从底面穿出到矩形波导中，轰击矩形波导中的等离子体，产生电子分布不均匀性，进而引起电磁波振荡，产生电磁波，产生的电磁波随矩形波导导出，工质气体则从矩形波导上端侧面的排气窗排出。
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