一种在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集极及收集方法

技术领域

本发明涉及电子束收集极，具体涉及一种在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集极及收集方法。

背景技术

电子束收集极是相对论返波管的重要组件，在磁场引导下其将波束互作用后的电子束进行收集，并有效释放电子束残余能量。相比于传统收集极，尤其在高频段，随着低磁场、过模等条件引入，给收集极的设计带来了巨大的挑战，收集极在设计时不但要考虑到束流收集位置对产生器稳定工作产生的影响以及收集极等离子体进入波束互作用区对产生器脉宽效率的影响，还要考虑纯化模式输出和高频结构表面场强的控制，并同时保证不会给产生器的功率和效率带来负面影响。

低磁场下过模相对论返波管在磁场均匀区进行束流收集一直是一个值得研究的问题，在磁场均匀区进行束流收集，其收集位置一般就在射频场中，往往会在一定程度上影响波束互作用，而且如果收集极能量密度过高，会导致收集面表面损伤及材料汽化产生等离子体，影响收集极寿命和微波的稳定输出。此外，若无法有效控制等离子体向波束互作用区的扩散，会引起脉冲缩短和输出效率的降低。而且传统收集极结构输出模式为混合模式，加大了传输与发射部分的设计工作难度。因此，针对低磁场过模条件下，在磁场均匀区电子束收集极的设计，收集极的合理收集位置、有效抑制等离子体产生和扩散、可以单一模式输出等关键因素可以进一步提升其综合性能。

传统收集极结构是柱面或空心收集极，结构比较简单，在相对论返波管(RBWO)中具有普遍应用。该结构存在的主要问题有：一、强流相对论电子束轰击波导壁时，会产生大量等离子体，这些带电粒子会进入高功率微波产生和传输区域，吸收部分微波功率甚至导致微波脉冲提前终止，即引起脉冲缩短。二、输出模式为混合模式，在实际使用中为传输发射系统的设计带来挑战。三、对相对论返波管器件表面场强控制较弱，击穿风险较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集极及收集方法，以解决现有的收集极结构会引起脉冲缩短，输出模式为混合模式，对相对论返波管表面场强控制较弱、击穿风险较大的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集极，其特殊之处在于：包括圆筒状的收集极本体；

所述收集极本体的中心孔为传输波导；

所述收集极本体的侧壁内部绕其周向设有均为环形腔体状的同轴段、束流通道以及收集腔；

所述环形腔体状的束流通道径向厚度小于环形腔体状的同轴段径向厚度以及环形腔体状的收集腔径向厚度；

所述同轴段与传输波导连通；

所述同轴段、束流通道以及收集腔沿收集极本体的轴向依次设置，并相互连通；

所述同轴段、束流通道以及收集腔的轴线与收集极本体的中心轴位于同一直线上。

进一步地，在Ka波段的相对论返波管中，所述同轴段远离所述中心轴的侧壁半径R

所述同轴段靠近所述中心轴的侧壁半径R

所述同轴段沿所述中心轴的长度为9.7～10.3mm；

所述束流通道远离所述中心轴的侧壁半径为14.4～15mm；

所述束流通道靠近所述中心轴的侧壁半径为12.4～13mm；

所述束流通道沿所述中心轴的长度为6.7～7.3mm；

所述收集腔远离所述中心轴的侧壁半径为17.5～18.1mm；

所述收集腔靠近所述中心轴的侧壁半径为10.3～10.9mm；

所述收集腔沿所述中心轴的长度d为9.2～9.8mm。

进一步地，在Ka波段的相对论返波管中，所述同轴段远离所述中心轴的侧壁半径R

所述同轴段靠近所述中心轴的侧壁半径R

所述同轴段沿所述中心轴的长度为10mm；

所述束流通道远离所述中心轴的侧壁半径为14.7mm；

所述束流通道靠近所述中心轴的侧壁半径为12.7mm；

所述束流通道沿所述中心轴的长度为7mm；

所述收集腔远离所述中心轴的侧壁半径为17.8mm；

所述收集腔靠近所述中心轴的侧壁半径为10.6mm；

所述收集腔沿所述中心轴的长度d为9.5mm。

进一步地，所述同轴段远离所述中心轴的侧壁上设有慢波结构。

本发明还提供了一种在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集方法，基于上述的在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集极，其特殊之处在于，包括以下步骤：

电子束在同轴段内与形成的驻波场进行束波互作用，将电子束的动能转化为微波的能量；同轴段与传输波导共同作用对微波中TM

本发明的有益效果：

1、本发明采用同轴段连接束流通道和收集腔的同轴收集结构，能够在不改变相对论返波管高频结构中场分布的前提下，实现束流收集和射频场的空间分离，极大地消除了收集极等离子体带来的风险，并且收集腔能够有效阻挡等离子体扩散至波束互作用区域，有助于抑制由收集极等离子体引起的微波脉冲缩短，不会对束波互作用产生影响。而且同轴段中形成的驻波场对电子束能量的再次提取可以有效维持输出功率水平。

2、本发明采用同轴段连接束流通道和收集腔的同轴收集结构，能够有效降低RBWO结构内部场强，实现微波单一模式输出，即该收集极可以将混合模式转换为纯净的TM

3、本发明收集极中的收集腔能够有效阻挡等离子体扩散至波束互作用区域，解决低磁场下在磁场均匀区进行强流电子束收集的收集极等离子体扩散加剧导致的脉冲缩短，以及束流收集位置与输出功率的强耦合性导致的稳定性和效率的矛盾。

4、本发明能够在同轴段内外导体中形成的驻波场，可对电子束能量进行二次提取，降低返波管器件表面场强，降低击穿风险。

5、本发明的收集极中，同轴段对TM

附图说明

图1是本发明一种在磁场均匀区进行束流收集的同轴收集极实施例的结构示意图；

图2是无收集腔的RBWO内纵向电场E

图3是有收集腔的RBWO内纵向电场E

图4是无收集腔的电子束相空间图；

图5是有收集腔的电子束相空间图；

图6是采用有/无收集腔收集极的实验数据对比图；

图7是采用有/无收集腔收集极的实验波形对比图。

附图标号：

1-同轴段，2-束流通道，3-收集腔，4-中心轴，5-传输波导。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种应用于低磁场过模相对论返波管在磁场均匀区进行束流收集的条件下，通过引入同轴输出结构，降低RBWO器件表面场强和击穿风险；抑制脉冲缩短；抑制收集极等离子体产生和扩散的方法，进而降低收集极等离子体对高功率微波产生和传输的影响，提升系统稳定运行能力，还可以将过模器件中的混合模式纯化为TM

一种磁场均匀区束流收集极，包括圆筒状的收集极本体；收集极本体的中心孔为传输波导5；收集极本体为导体材料；收集极本体的侧壁内部绕其周向设有均为环形腔体状的同轴段1、束流通道2以及收集腔3；同轴段1与传输波导5连通；同轴段1、束流通道2以及收集腔3沿收集极本体的轴向依次设置，并相互连通；同轴段1、束流通道2以及收集腔3的轴线与收集极本体的中心轴4位于同一直线上。即同轴段1、束流通道2以及收集腔3绕在收集极本体的中心孔外。同轴段1远离中心轴4的侧壁上设有慢波结构。同轴段1和传输波导5对TM

在该实例中，其同轴段1、束流通道2以及收集腔3的各个结构尺寸如下：同轴段1远离中心轴4的侧壁半径R

通过合理控制同轴段1及束流通道2的结构尺寸有效引导电子束进入收集腔3，由束流通道2耦合进束流收集腔3的微波基本可以忽略，从而收集腔3的加入并不会对高频结构内部的场分布产生明显影响，同时电子束收集时产生的等离子体在收集腔内扩散，仅有少量能进入束波互作用区，大大减小了收集极等离子体对束波互作用产生的不利影响。在收集极同轴段1内外导体中形成的驻波场有效降低整个相对论返波管内表面场强，合理设置同轴段1尺寸，同轴段1与传输波导5连通，共同对TM

电子束经过同轴段1与其上方结构形成的驻波场时，更为有效的进行束波互作用，即将电子束的动能转化为微波的能量，束波互作用后的电子束通过束流通道2进入收集腔3内收集，同时电子束收集时产生的大量等离子体大部分都在收集腔3内收集与扩散，仅有极少数的等离子体通过束流通道2被反射回束波作用区，同时由于同轴段1的设计，其对TM

如图2和图3所示，对比有无收集腔的电场Ez分布图，可以看出同轴段1+束流通道2+收集腔3的设计并不改变相对论返波管内纵向电场Ez分布，并且是以TM

如图4和图5所示，对比有无收集腔的电子相空间图，带收集腔3的结构，束流进入收集腔3收集，其对电子束进行了有效收集并阻止了等离子体的前向扩散。通过实验验证，带腔收集极脉宽普遍比无腔收集极宽3～5ns，脉宽及功率幅值对比如图6所示，波形对比如图7所示。实验结果也说明了，采用本发明实施例提供的收集极能够减少收集极等离子体对束波互作用的影响，有效抑制了低磁场下收集极等离子体扩散加剧导致的脉冲缩短，从而获得了更宽的微波脉宽。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。