一種重頻低磁場軸向c波段高功率微波器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，它包括陽極、陰極、引導(dǎo)磁場發(fā)生器、慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體，所述的陽極內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射區(qū)和束波互作用區(qū)，所述的陰極設(shè)置在發(fā)射區(qū)內(nèi)，所述的慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體均設(shè)置在陽極的束波互作用區(qū)內(nèi)，所述的陰極與同軸內(nèi)導(dǎo)體同軸，慢波結(jié)構(gòu)與陽極的內(nèi)側(cè)固定且設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體的外圍，重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件內(nèi)部抽真空形成一真空腔，真空腔的真空度不超過10毫帕。發(fā)射區(qū)與束波互作用區(qū)之間設(shè)置有擋板，擋板上設(shè)置有用于引導(dǎo)陰極產(chǎn)生的強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)的注入口，注入口為環(huán)形，環(huán)形的直徑與陰極直徑一致。本發(fā)明具有可重頻產(chǎn)生C波段高功率微波，束波轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。
【專利說明】
一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波是指頻率在I?300GHz范圍和峰值功率在100MW以上的電磁波，C波段是頻率從4.0?8.0GHz的一段頻帶。隨著脈沖功率技術(shù)和等離子體物理的發(fā)展，高功率微波技術(shù)也迅速地發(fā)展起來，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了極大的進(jìn)展，先后出現(xiàn)了很多種不同類型的高功率微波源。
[0003]高峰值功率、高束波轉(zhuǎn)換效率以及重頻發(fā)射等是當(dāng)前高功率微波器件實(shí)用化所必須實(shí)現(xiàn)的功能。在現(xiàn)有高功率微波各類型的器件中，虛陰極振蕩器及渡越時(shí)間振蕩器是利用金屬網(wǎng)來引導(dǎo)電子束進(jìn)行傳導(dǎo)，重頻運(yùn)行下金屬網(wǎng)很容易被強(qiáng)流電子束擊穿。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種不設(shè)置金屬網(wǎng)的、束波轉(zhuǎn)換效率高的并且可重頻產(chǎn)生C波段的重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，它包括陽極、陰極、引導(dǎo)磁場發(fā)生器、慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體，所述的陽極內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射區(qū)和束波互作用區(qū)，所述的陰極設(shè)置在發(fā)射區(qū)內(nèi)，所述的慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體均設(shè)置在陽極的束波互作用區(qū)內(nèi)，所述的陰極與同軸內(nèi)導(dǎo)體同軸，慢波結(jié)構(gòu)與陽極的內(nèi)側(cè)固定且設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體的外圍，重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件內(nèi)部抽真空形成一真空腔，所述真空腔的真空度不超過10毫帕。
[0006]作為優(yōu)選方式，所述的重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件由產(chǎn)生脈沖電壓700kV，功率1GW的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
[0007]作為優(yōu)選方式，所述的引導(dǎo)磁場發(fā)生器設(shè)置在發(fā)射區(qū)外。
[0008]作為優(yōu)選方式，所述的引導(dǎo)磁場發(fā)生器為永磁體或者通電流的螺線管線圈，所述的形成發(fā)射區(qū)的陽極為圓筒狀，引導(dǎo)磁場發(fā)生器環(huán)繞在圓筒狀陽極的外圍。采用永磁體技術(shù)，可直接拋掉磁場對(duì)能源的需求;采用通電的螺線管線圈便于調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度。
[0009]作為優(yōu)選方式，所述的引導(dǎo)磁場的磁場強(qiáng)度不超過0.5T。更優(yōu)選地，本發(fā)明的引導(dǎo)磁場為軸向磁場，其磁場的磁場強(qiáng)度為0.2T，陰極產(chǎn)生的強(qiáng)流電子束在軸向磁場的低磁場引導(dǎo)下進(jìn)入束波互作用區(qū)(也稱為“束波互作用腔”)，在束波互作用區(qū)強(qiáng)流電子束依靠電子慣性及電磁力軸向傳輸，并產(chǎn)生高功率微波。低引導(dǎo)磁場可大幅度降低高功率微波源系統(tǒng)(器件)的體積、重量。
[0010]作為優(yōu)選方式，所述的陰極端部設(shè)置有一圓環(huán)形凸部。
[0011]作為優(yōu)選方式，所述的發(fā)射區(qū)與束波互作用區(qū)之間設(shè)置有擋板，所述的擋板的一端與陽極內(nèi)側(cè)相連，擋板的另一端固定在同軸內(nèi)導(dǎo)體上;所述的擋板上設(shè)置有用于引導(dǎo)陰極產(chǎn)生的強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)的注入口，注入口為環(huán)形，環(huán)形的直徑與陰極直徑一致，環(huán)形孔(環(huán)形注入口)的寬度為8mm?20_。在靠近陰極的陽極端面用一與陰極直徑一致的環(huán)形孔(環(huán)形注入口)來引導(dǎo)強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)(束波互作用腔)，該電子束傳輸通道的狹窄環(huán)形孔使得束波互作用形成一準(zhǔn)諧振腔(因此，也可將“注入口”稱為“諧振腔電子束注入口”)，微波無法進(jìn)入陰極區(qū)(即發(fā)射區(qū))。
[0012]作為優(yōu)選方式，所述的慢波結(jié)構(gòu)數(shù)為5個(gè)，5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)等間距，且5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體靠近陰極的一端外圍。
[0013]作為優(yōu)選方式，所述的5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)分別為第一慢波結(jié)構(gòu)、第二慢波結(jié)構(gòu)、第三慢波結(jié)構(gòu)、第四慢波結(jié)構(gòu)和第五慢波結(jié)構(gòu)，其中第一慢波結(jié)構(gòu)、第二慢波結(jié)構(gòu)和第三慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu);每個(gè)慢波結(jié)構(gòu)之間相距15.7mm(即慢波結(jié)構(gòu)周期長度為15.7mm)，其中前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)的外徑均為200mm，前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑均為17 Imm，第四慢波結(jié)構(gòu)的外徑為200mm，內(nèi)徑為174mm，第五慢波結(jié)構(gòu)的外徑為200mm，內(nèi)徑為178mm ；所述的陽極束波互作用區(qū)的內(nèi)徑為200mm，所述的陽極發(fā)射區(qū)外徑為220mm?250mm。
[0014]作為優(yōu)選方式，所述的慢波結(jié)構(gòu)為帶有中心孔的盤荷波導(dǎo)。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明具有可重頻產(chǎn)生C波段，束波轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1-陰極，2-引導(dǎo)磁場發(fā)生器，3-注入口，4-前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)，5-第四慢波結(jié)構(gòu)，6-第五慢波結(jié)構(gòu)，7-同軸內(nèi)導(dǎo)體。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。
[0018]如圖1所示，一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，它包括陽極、陰極1、引導(dǎo)磁場發(fā)生器2、慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體7，所述的陽極內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射區(qū)和束波互作用區(qū)，束波互作用區(qū)為一同軸結(jié)構(gòu)，并且微波為同軸波導(dǎo)輸出。所述的陰極I設(shè)置在發(fā)射區(qū)內(nèi)，所述的慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體7均設(shè)置在陽極的束波互作用區(qū)內(nèi)，束波互作用區(qū)內(nèi)的同軸內(nèi)導(dǎo)體7的作用是增加束波轉(zhuǎn)換效率，使得產(chǎn)生微波模式可控，利于微波輸出。所述的陰極I與同軸內(nèi)導(dǎo)體7同軸，慢波結(jié)構(gòu)與陽極的內(nèi)側(cè)固定且設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體7的外圍，重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件內(nèi)部抽真空形成一真空腔，所述真空腔的真空度不超過10毫帕。
[0019]優(yōu)選地，所述的重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件由產(chǎn)生脈沖電壓700kV或580kV，功率1GW的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，可重頻產(chǎn)生C波段高功率微波。
[0020]優(yōu)選地，所述的引導(dǎo)磁場發(fā)生器2設(shè)置在發(fā)射區(qū)外。
[0021]優(yōu)選地，所述的引導(dǎo)磁場發(fā)生器2為永磁體或者通電流的螺線管線圈，所述的形成發(fā)射區(qū)的陽極為圓筒狀，引導(dǎo)磁場發(fā)生器2環(huán)繞在圓筒狀陽極的外圍。
[0022]優(yōu)選地，所述的引導(dǎo)磁場的磁場強(qiáng)度不超過0.5T。低引導(dǎo)磁場技術(shù)可大幅度降低高功率微波源系統(tǒng)(器件)的體積和重量。進(jìn)一步優(yōu)選地，引導(dǎo)磁場的磁場強(qiáng)度為0.2T，引導(dǎo)磁場的作用是引導(dǎo)重頻強(qiáng)流電子束約束傳輸至環(huán)形孔(即注入口 3)。
[0023]優(yōu)選地，所述的陰極I端部設(shè)置有一圓環(huán)形凸部。圓環(huán)形凸部在高電壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生強(qiáng)流電子束，圓環(huán)形凸部的內(nèi)徑和外徑分別為15 Omm和16 6mm。
[0024]優(yōu)選地，所述的發(fā)射區(qū)與束波互作用區(qū)之間設(shè)置有擋板，所述的擋板的一端與陽極內(nèi)側(cè)相連，擋板的另一端固定在同軸內(nèi)導(dǎo)體7上;所述的擋板上設(shè)置有用于引導(dǎo)陰極I產(chǎn)生的強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)的注入口 3(又可以成為“諧振腔電子束注入口 3”)，注入口 3為環(huán)形，環(huán)形的直徑與陰極I直徑一致。注入口 3的作用是引導(dǎo)重頻強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)，注入口 3的內(nèi)外徑尺寸與環(huán)形發(fā)射陰極1(即陰極I上設(shè)置的圓環(huán)形凸部)內(nèi)外徑尺寸一致，在此尺寸下可以對(duì)強(qiáng)流電子束進(jìn)行一定的箍縮作用。
[0025]優(yōu)選地，所述的慢波結(jié)構(gòu)數(shù)為5個(gè)，5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)等間距，且5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體7靠近陰極I的一端外圍。
[0026]優(yōu)選地，所述的5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)分別為第一慢波結(jié)構(gòu)、第二慢波結(jié)構(gòu)、第三慢波結(jié)構(gòu)、第四慢波結(jié)構(gòu)5和第五慢波結(jié)構(gòu)6，其中第一慢波結(jié)構(gòu)、第二慢波結(jié)構(gòu)和第三慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4;每個(gè)慢波結(jié)構(gòu)之間相距15.7mm(即慢波結(jié)構(gòu)周期長度為15.7mm)，其中前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4的外徑均為200mm，前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4的內(nèi)徑均為17 Imm，第四慢波結(jié)構(gòu)5的外徑為200mm，內(nèi)徑為174mm，第五慢波結(jié)構(gòu)6的外徑為200mm，內(nèi)徑為178mm;所述的陽極束波互作用區(qū)的內(nèi)徑為200mm，所述的陽極發(fā)射區(qū)外徑為220mm?250mm。優(yōu)選地，所述的慢波結(jié)構(gòu)為帶有中心孔的盤荷波導(dǎo)。在束波互作用區(qū)設(shè)置前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4、第四慢波結(jié)構(gòu)5和第五慢波結(jié)構(gòu)6，由于束波互作用區(qū)無引導(dǎo)磁場，因此強(qiáng)流電子束不可能軸向傳輸距離太長，前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4的尺寸可以使電壓700kV或者580kV，功率1GW的電子束快速起振，并完成束波能量轉(zhuǎn)換;第四慢波結(jié)構(gòu)5的作用是使束波互作用區(qū)中能量轉(zhuǎn)換區(qū)(前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4所在的區(qū)域)與微波提取區(qū)(第五慢波結(jié)構(gòu)6所在的區(qū)域)的轉(zhuǎn)換，確保微波高效提取的平穩(wěn)過渡;第五慢波結(jié)構(gòu)6的作用是對(duì)微波能量進(jìn)行高效提取。
[0027]本發(fā)明利用低至0.2T的引導(dǎo)磁場將強(qiáng)流電子束從陰極I發(fā)射區(qū)引導(dǎo)至束波互作用區(qū)端面，在束波互作用區(qū)無引導(dǎo)磁場。在靠近陰極I的束波互作用區(qū)端面用一與陰極I直徑一致的環(huán)形孔來引導(dǎo)強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)(也稱“束波互作用腔”)，該電子束傳輸通道的狹窄環(huán)形孔使得束波互作用形成一準(zhǔn)諧振腔，微波無法進(jìn)入陰極I區(qū)。強(qiáng)流電子束依靠慣性及電磁場力在束波互作用腔內(nèi)軸向傳輸，在同軸慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸?shù)倪^程中將電子束能量轉(zhuǎn)換為微波能量，束波轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%。通過本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了軸向高功率微波器件高峰值功率、高束波轉(zhuǎn)換效率、低磁場和重頻產(chǎn)生的功能。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施過程是:用真空獲得裝置將高效重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件內(nèi)的真空度處理到毫帕量級(jí)。陰陽極之間施加電壓700kV或者1GW的高電壓，陰極I發(fā)射強(qiáng)流電子束在軸向磁場強(qiáng)度0.5T或者0.2T的引導(dǎo)下到達(dá)諧振腔電子束注入口 3。電子束在慣性及電磁場力作用下在束波互作用區(qū)軸向傳輸，強(qiáng)流電子束在束波互作用區(qū)前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)4作用下，電子束能量高效轉(zhuǎn)換為微波能量。高功率微波在提取區(qū)(或稱提取腔或第五慢波結(jié)構(gòu)6所在的區(qū)域)及同軸內(nèi)導(dǎo)體7的作用下，同軸傳輸出去。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出的是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:它包括陽極、陰極、引導(dǎo)磁場發(fā)生器、慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體，所述的陽極內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射區(qū)和束波互作用區(qū)，所述的陰極設(shè)置在發(fā)射區(qū)內(nèi)，所述的慢波結(jié)構(gòu)和同軸內(nèi)導(dǎo)體均設(shè)置在陽極的束波互作用區(qū)內(nèi)，所述的陰極與同軸內(nèi)導(dǎo)體同軸，慢波結(jié)構(gòu)與陽極的內(nèi)側(cè)固定且設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體的外圍，重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件內(nèi)部抽真空形成一真空腔，所述真空腔的真空度不超過10毫帕。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件由產(chǎn)生脈沖電壓700kV，功率1GW的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的引導(dǎo)磁場發(fā)生器設(shè)置在發(fā)射區(qū)外。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的引導(dǎo)磁場發(fā)生器為永磁體或者通電流的螺線管線圈，所述的形成發(fā)射區(qū)的陽極為圓筒狀，引導(dǎo)磁場發(fā)生器環(huán)繞在圓筒狀陽極的外圍。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的引導(dǎo)磁場的磁場強(qiáng)度不超過0.5T。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的陰極端部設(shè)置有一圓環(huán)形凸部。7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的發(fā)射區(qū)與束波互作用區(qū)之間設(shè)置有擋板，所述的擋板的一端與陽極內(nèi)側(cè)相連，擋板的另一端固定在同軸內(nèi)導(dǎo)體上;所述的擋板上設(shè)置有用于引導(dǎo)陰極產(chǎn)生的強(qiáng)流電子束進(jìn)入束波互作用區(qū)的注入口，注入口為環(huán)形，環(huán)形的直徑與陰極直徑一致。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的慢波結(jié)構(gòu)數(shù)為5個(gè)，5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)等間距，且5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)設(shè)置在同軸內(nèi)導(dǎo)體靠近陰極的一端外圍。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的5個(gè)慢波結(jié)構(gòu)分別為第一慢波結(jié)構(gòu)、第二慢波結(jié)構(gòu)、第三慢波結(jié)構(gòu)、第四慢波結(jié)構(gòu)和第五慢波結(jié)構(gòu)，其中第一慢波結(jié)構(gòu)、第二慢波結(jié)構(gòu)和第三慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu);每個(gè)慢波結(jié)構(gòu)之間相距15.7mm，其中前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)的外徑均為200mm，前三個(gè)慢波結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑均為17Imm，第四慢波結(jié)構(gòu)的外徑為200mm，內(nèi)徑為174mm，第五慢波結(jié)構(gòu)的外徑為200mm，內(nèi)徑為178mm;所述的陽極束波互作用區(qū)的內(nèi)徑為200mm，所述的陽極發(fā)射區(qū)外徑為220mm?250mmo10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的一種重頻低磁場軸向C波段高功率微波器件，其特征在于:所述的慢波結(jié)構(gòu)為帶有中心孔的盤荷波導(dǎo)。
【文檔編號(hào)】H01J25/10GK106098510SQ201610512851
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】張運(yùn)儉, 孟凡寶, 丁恩燕, 陸巍
【申請(qǐng)人】中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所