一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件，属于高功率微波技术领域。

背景技术

高功率微波通常定义为峰值功率超过100MW、频率在1GHz～300GHz的电磁波。伴随着脉冲功率技术、等离子体物理学及电真空技术的发展，高功率微波技术是一个随之兴起的研究领域，在等离子体加热、高功率雷达以及粒子加速等前沿领域有着广阔的应用前景。

高功率微波源是指高功率微波系统中将强流相对论电子束能量转换为微波能量，即产生高功率微波的器件。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。它利用强流相对论电子束与高频电磁结构的本征模相互作用，产生切伦科夫辐射，进而自激振荡产生高功率微波，当慢波结构中的电磁波是返波时，该类相对论切伦科夫振荡器被称为相对论返波振荡器。目前，实现相对论切伦科夫振荡器的高束波转换效率是研究领域内的重要发展方向，高束波转换效率才能进一步实现高功率微波源的小型化和紧凑化。

高效率的相对论切伦科夫振荡器研究方面，主要有以下相关工作：

2010年，国防科学技术大学张军等人研究了一种C波段谐振式相对论返波振荡器【张军,靳振兴,钟辉煌,等.C波段谐振式相对论返波振荡器设计及其高频特性[J].强激光与粒子束,2010,22(10).】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。该结构由环形阴极、阳极、截止颈、插入波导、慢波结构、反射器、锥波导和收集极组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过在慢波结构和截止颈之间增加一段光滑波导，以此来调节-1次返波和前向基波之间的相位差，不同的相位差会影响束波相互作用的效果。在导引磁场2.5T，二极管电压780kV、电流7.8kA的条件下，输出功率为1.5GW的C波段微波，转换效率仅为25％。该方案工作电压和工作电流较大，慢波结构叶片较少导致转换效率不高，还需要进一步提高。

2021年，西北核技术研究所曹亦兵等人研究了一种高效率、长脉冲相对论返波管振荡器【Cao Yibing,Sun Jun,Song Zhimin,et al.Studies of a high-efficiency,long-pulse relativistic backward wave oscillator[J].Physics of Plasmas,2021,28(2):023113.】。(下文简称为现有技术2，如图2所示)。该结构由阴极、谐振反射腔、慢波结构1、慢波结构2、提取腔、同轴收集极组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过使用分段慢波结构，慢波结构1对电子束进行充分的速度调制，使得在慢波结构2中电子束和结构波的空间同步加强，从而使得转换效率得到提高。在二极管电压800kV、电流9.7kA、导引磁场2.2T的条件下，输出功率3.7GW，转换效率47％，相较于未使用分段慢波结构的相对论返波管振荡器效率提升7％。该方案转换效率较高，但其工作电压和工作电流仍较大。需要进一步减小工作电压和工作电流。

分析上述研究现状不难看出，相对论切伦科夫振荡器研究已经取得了40％以上的转换效率，但大部分技术方案均在高电压和大电流的条件下获得高效率，且转换效率很难突破50％。

因此，亟需研究一种能工作在低电压低电流的条件下，高转换效率的相对论切伦科夫微波产生器件，其技术方案尚未有公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件，采用非均匀化、加载矩形脊的慢波结构来加强束波相互作用，采用后置反射腔反射部分微波回到慢波结构，进一步加强电场和电子束调制，进而提高微波转换效率。本发明可以克服通常相对论切伦科夫振荡器转换效率难以突破50％的困难，具有起振时间快、转换效率高等优点。

本发明的技术方案是：

一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、前置双间隙调制腔305、慢波结构306、梯形收集极307、收集极挡板308、后置反射腔309、输出波导310、螺线管磁场311；整个结构关于中心轴线旋转对称；

阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为2mm，半径为R

本发明的工作过程如下：脉冲功率驱动源产生的脉冲电压经阴极座301作用到阴极302上，阴极302的右端面基于爆炸发射产生强流相对论电子束，在螺线管磁场311的导引下向高频结构传输。电子束分别经过截止颈304、前置双间隙调制腔305、慢波结构306，最终轰击到梯形收集极307上。慢波结构加载了矩形脊之后，能激励起更强的电场，使得电子束受到的调制效果加强，将更多的能量交给射频场，从而振荡产生微波。产生的微波经后置反射腔309调制后最终通过输出波导310向外辐射。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

1、本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件在慢波结构加载矩形脊，加载矩形脊后的慢波结构半径更大，能有效地提高耦合阻抗；同时，腔内会激励起更强的驻波场，群聚后的电子束在经过时，会受到更强烈的调制，交出更多的能量给同步的射频场。提取效率的提高增大了输出微波的功率，从而提升转换效率。

2、本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件相较于相对论切伦科夫振荡器，在输出波导前端加入了后置反射腔。通过调节后置反射腔的反射特性，可以将特定频段的微波反射回到慢波结构区域，反射的微波会进一步调制电子束，加大调制深度，从而提高转换效率。

3、本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件采用前置双间隙调制腔，前置双间隙调制腔可以在电子束进入慢波结构区域前有效调制电子束，使得电子束速度调制加深；同时在振荡起来的微波被反射反向传播时，能阻拦微波进入二极管区域，再将微波反射回慢波结构区域参与束波作用，从而提高转换效率。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的一种C波段谐振式相对论返波振荡器的结构示意图；

图2为背景介绍中现有技术2公开的一种高效率、长脉冲相对论返波管振荡器的结构示意图；

图3为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的A-A剖视图；

图4为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的A-A剖视立体示意图；

图5为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的前置双间隙调制腔的S

图6为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的后置反射腔的S

图7为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的注入电功率随时间的变化图；

图8为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的输出微波功率图；

图9为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例的输出微波频谱图；

图10为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例有无加载矩形脊时的输出微波功率对比图；

图11为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例有无后置反射腔时的输出微波功率对比图；

图12为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例效率随前置双间隙调制腔与慢波结构之间距离L

图13为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例效率随梯形收集极与后置反射腔之间距离L

图14为本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件优选实施例效率随矩形脊半径R

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本发明由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、前置双间隙调制腔305、慢波结构306、梯形收集极307、收集极挡板308、后置反射腔309、输出波导310、螺线管磁场311组成。整个结构关于中心轴线旋转对称。

阴极座301和阳极外筒303通常采用无磁不锈钢材料，阴极302可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR-5)材料，螺线管磁场311采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。阴极座301左端外接脉冲功率驱动源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率驱动源的外导体。

本发明运行时，脉冲功率驱动源将脉冲电压加载到阴极座301上，阴极302发射强流相对论电子束，电子束首先在慢波结构前几个慢波叶片处与本征场受到速度调制，由于各个位置的电子所感受到的场不同，会发生群聚现象。群聚后的电子束在慢波结构后几个慢波叶片处，受到腔内极其强的驻波场调制，发生强烈的束波相互作用，产生切伦科夫辐射，交出能量给微波，从而产生高功率微波。

本实施例实现了工作频率为4.27GHz(对应微波波长λ＝7.02cm)的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件(相应的尺寸设计为：R

粒子模拟中，在二极管电压584kV、电流11kA、导引磁场1.5T的条件下，输出频率为4.27GHz的高功率微波，输出微波功率为3.9GW，转换效率为60％。由上述结果可知，本发明克服了高转换效率的相对论切伦科夫振荡器需要在大工作电压和工作电流的难题，在600kV以下的电压获得了超过50％的转换效率。

参见图5，可知前置双间隙调制腔在工作频率4.27GHz处的S

参见图6，可知后置反射腔在工作频率4.27GHz处的S

参见图7，可知器件的输入电功率为6.47GW。

参见图8，可知器件的输出微波的功率为3.9GW，转换效率为60％。

参见图9，可知器件的输出微波的频率为4.27GHz，频谱纯净，倍频较小。

参见图10，可知加载矩形脊时，能有效增大耦合阻抗，提高基波电流幅度，使得电子束调制深度加深，从而提高转换效率，使得器件的输出微波功率大大提升。

参见图11，可知加载后置反射腔时，器件的输出微波功率大大提升，说明后置反射腔反射的部分微波可以促进束波相互作用，从而大大提升转换效率，使得器件的输出微波功率大大提升。

参见图12，可知前置双间隙调制腔与慢波结构之间距离L

参见图13，可知梯形收集极与后置反射腔之间距离L

参见图14，可知矩形脊半径R