一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器制造技术

本发明专利技术涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域；包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构、漂移段，提取腔、收集极漂移段、收集极斜面、收集极内腔、收集极挡板、输出波导、螺线管磁场；本发明专利技术克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长输出微波脉宽与高功率转换效率的问题，在使用6周期非均匀慢波叶片下的情况下实现长脉宽、高效率的微波输出，且该微波源结构简单、易于加工、易于重复频率运行。

【技术实现步骤摘要】
一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器
本专利技术涉及高功率微波
的微波源器件，尤其是一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，属于高功率微波

技术介绍
高功率微波通常是指峰值功率大于100MW，频率在1GHz-300GHz的电磁波，高功率微波技术是伴随着脉冲功率技术与等离子体物理学及电真空技术的发展而新兴的一个研究领域。在等离子体加热、高功率雷达、粒子射频加速以及未来空间能源的利用方面有着光明的应用前景。高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，其运行是基于电子束的相干辐射。电子束的相干辐射机理分为切伦科夫辐射、渡越辐射、轫致辐射三类。基于切伦科夫辐射机理的高功率微波源主要为相对论切伦科夫振荡器和相对论切伦科夫放大器。基于渡越辐射机理的高功率微波源主要为相对论速调管振荡器和相对论速调管放大器。基于轫致辐射机理的高功率微波源主要为自由电子激光、虚阴极等。相对论切伦科夫振荡器是目前最有潜力的高功率微波源器件之一。它利用相对论电子束与慢波结构中的电磁波模式(结构波)相互作用，产生自身振荡和放大，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点。现今，提高器件功率转换效率和延长输出微波的脉冲宽度已经成为器件发展的重要方向。提高器件束波作用效率可以在相同的输入功率下得到更高的输出功率，延长输出微波的脉冲宽度可以在相同输入电长度下得到更长的微波输出。二者都有利于节约能源，获得更实用更小型化的高功率微波系统。研究长脉冲相对论切伦科夫振荡器具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【JunZhang,Zhen-XingJin,Jian-HuaYang,Hui-HuangZhong,TingShu,Jian-DeZhang,Bao-LiangQian,Cheng-WeiYuan,Zhi-QiangLi,Yu-WeiFan,Sheng-YueZhou,andLiu-RongXu.RecentAdvanceinLong-PulseHPMSourcesWithRepetitiveOperationinS-,C-,andX-Bands.IEEETransactionsonPlasmaScience，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】(以下称为现有技术1)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、输出波导以及螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。为了叙述方便，下文中将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。其中慢波结构由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，第5个慢波叶片具有较大的最大外半径，5个慢波叶片的长度L1相同。输出波导为内半径为R7的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该器件结构简单，有利于高功率微波的稳定输出，并且器件采用较大半径的输出波导收集残余电子，降低了收集处电子的密度，减少了因电子轰击输出波导内壁而产生的二次电子的数量，进而削弱了等离子体对微波产生的影响，有利于实现长脉冲运行。实验结果表明，微波输出功率达到1GW，脉宽100ns，频率为3.6GHz。但是该器件功率转换效率较低，仅为20％，低于常规相对论切伦科夫振荡器的30％左右的功率转换效率。输出同样功率的微波，较低功率转换效率要求脉冲驱动源注入更高的电功率，故对脉冲驱动源的驱动能力提出较高要求，不利于其结构的紧凑化。因此，该技术方案不能实现长脉冲相对论切伦科夫振荡器的高效率运行，不利于实现高功率微波系统的小型化和紧凑化。提高相对论切伦科夫振荡器的功率转换效率有多种途径，例如采用非均匀慢波结构、加入谐振腔、采用等离子体加载等。【刘国治，陈昌华，张玉龙，同轴引出相对论返波管，强激光与粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】(以下称为现有技术2)中公布了一种同轴引出相对论切伦科夫振荡器的结构。该结构中慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，第9个慢波叶片具有较大的最大外半径，9个慢波叶片的长度L1相同。该同轴引出相对论返波管还包括一个圆柱形的同轴提取结构，在同轴提取结构左端面挖有环形凹槽，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构和输出波导的连接方式没有交代。粒子模拟结果得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45％。但是在对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件慢波结构采用9个慢波叶片，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，影响器件的工作。由于同轴提取结构位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于相对论切伦科夫振荡器长脉冲、重复频率工作。长脉冲和高效率是微波源设计者孜孜以求的目标，尽管相对论切伦科夫振荡器已经研究多年，兼顾长微波脉冲和高效率仍然较有挑战性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术提供一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，采用带提取腔的类同轴收集极来提高微波提取效率，抑制收集极等离子体扩散，克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长输出微波脉宽与高功率转换效率的问题，在使用六周期非均匀慢波叶片下的情况下实现长脉宽、高效率的微波输出，且该微波源结构简单、易于加工、易于重复频率运行。本专利技术的技术方案是：一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、谐振反射腔305、慢波结构306、漂移段307，提取腔308、收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312、输出波导313、螺线管磁场314，所述收集极漂移段309、梯形收集极310、收集极内腔311、收集极挡板312组成类同轴收集极；整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座301左端外接脉冲功率源的阳极，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体，输出波导313右端连接模式转化器和天线；阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为1mm，内半径R1等于电子束半径，套在阴极座301右端；截止颈304呈圆盘状，内半径为R2，R2＞R1，截止颈304与阴极302之间的长度L1称为阴阳极间距，L1过小会导致阴极等离子体过早膨胀至阳极导致阴阳极闭合脉冲缩短，故L1一般大于2cm；谐振反射腔305呈圆盘状，内半径R2和外半径R3满足R3＞R2，长度L3一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍；距离谐振反射腔305长度为L12处为慢波结构306，L12一般取值为工作波长λ的0.5-1倍；慢波结构306由6个梯形慢波叶片组成，连接这些梯形慢波叶片的是长度均为L5，内半径均为R2的圆环；第一个慢波叶片为直角梯形，其梯形上底长度为L4，斜边宽度为L13，该慢波叶片外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、谐振反射腔(305)、慢波结构(306)、漂移段(307)，提取腔(308)、收集极漂移段(309)、梯形收集极(310)、收集极内腔(311)、收集极挡板(312)、输出波导(313)、螺线管磁场(314)，所述收集极漂移段(309)、梯形收集极(310)、收集极内腔(311)、收集极挡板(312)组成类同轴收集极；整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座(301)左端外接脉冲功率源的阳极，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体，输出波导(313)右端连接模式转化器和天线；/n阴极(302)是一个薄壁圆筒，壁厚为1mm，内半径R

【技术特征摘要】
1.一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、谐振反射腔(305)、慢波结构(306)、漂移段(307)，提取腔(308)、收集极漂移段(309)、梯形收集极(310)、收集极内腔(311)、收集极挡板(312)、输出波导(313)、螺线管磁场(314)，所述收集极漂移段(309)、梯形收集极(310)、收集极内腔(311)、收集极挡板(312)组成类同轴收集极；整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座(301)左端外接脉冲功率源的阳极，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体，输出波导(313)右端连接模式转化器和天线；
阴极(302)是一个薄壁圆筒，壁厚为1mm，内半径R1等于电子束半径，套在阴极座(301)右端；截止颈(304)呈圆盘状，内半径为R2，R2＞R1，截止颈(304)与阴极(302)之间的长度L1称为阴阳极间距，L1过小会导致阴极等离子体过早膨胀至阳极导致阴阳极闭合脉冲缩短，L1大于2cm；谐振反射腔(305)呈圆盘状，内半径R2和外半径R3满足R3＞R2，长度L3取值为工作波长λ的0.4-0.5倍；距离谐振反射腔(305)长度为L12处为慢波结构306，L12取值为工作波长λ的0.5-1倍；慢波结构(306)由6个梯形慢波叶片组成，连接这些梯形慢波叶片的是长度均为L5，内半径均为R2的圆环；第一个慢波叶片为直角梯形，其梯形上底长度为L4，斜边宽度为L13，该慢波叶片外半径为R4；第二、三、五个慢波叶片为等腰梯形，梯形的上底长度均为L4，斜边宽度均为L13，慢波叶片外半径分别为R5、R6、R8，满足R8>R6>R5；第四个梯形慢波叶片，上底长度为L6，满足L6>L4，斜边宽度分别为L15和L16，满足L16>L15，慢波叶片外半径为R7，满足R7>R8；第六个慢波叶片也为直角梯形，其梯形上底长度为L4，斜边宽度为L13，慢波叶片外半径为R9，满足R7>R9>R8；L4和L5取值为工作波长λ的0.1倍；慢波结构(306)后接一段内半径为R2、长为L7的漂移段(307)，漂移段(307)的长度L7影响慢波结构(306)与提取腔(308)之间的匹配，L7取值为工作波长λ的1至1.2倍；漂移段(307)后接提取腔(308)，提取腔(308)呈圆盘状，外半径为R10，长度为L8，满足R10>R7，其外半径和深度决定了提取腔(308)对微波的提取效果，深...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓如金，黄超，池航，张鹏，葛行军，党方超，张晓萍，贺军涛，张军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43