永磁聚焦径向强流电子束二极管制造技术

技术编号:21896335 阅读:21 留言:0更新日期:2019-08-17 16:17
本发明专利技术公开了一种永磁聚焦径向强流电子束二极管,目的是解决径向电子束的稳定传输、克服横向偏移不稳定性。本发明专利技术为旋转对称结构,由阴极基座、阴极永磁体、电子发射圆盘、二极管阳极、阳极永磁体组成;阴极永磁体内嵌于阴极基座中,电子发射圆盘置于阴极永磁体的2个环状永磁体之间,二极管阳极外套于阴极基座和电子发射圆盘外侧,二极管阳极、阴极基座、阴极永磁体和电子发射圆盘同轴;阳极永磁体的2个阳极永磁体套在二极管阳极圆筒的外侧壁,2个阳极永磁体对称安装在二极管阳极的径向线通道的右侧。采用本发明专利技术可以在电子束传输通道内产生大于0.4T的径向导引磁场,并保证强流电子束的稳定传输。

Permanent Magnet Focused Radial High Current Electron Beam Diode

【技术实现步骤摘要】
永磁聚焦径向强流电子束二极管
本专利技术涉及高功率微波领域的一种强流束二极管,尤其是一种永磁聚焦的径向强流电子束二极管。
技术介绍
在径向高功率微波器件中,随着电子束在径向运动,空间电荷效应逐渐降低,高频结构尺寸逐渐增大,功率容量将得到有效的提升。此外,径向高功率微波器件还具有阻抗低的特点,有利于输出微波功率的提升。因此,径向高功率微波器件具有巨大的发展潜力。径向高功率微波发生器的概念最初是美国Phillips实验室的Arman学者提出【HighPowerRadialKlystronOscillator.SPIEproceedings,Vol.2557,SanDiego,USA,1995,21~31.M.J.Arman,径向高功率微波振荡器,国际光学工程学会,Vol.2557,SanDiego,USA,1995,21~31】,该器件采用金属箔高频结构,所以无需外加导引磁场,结构较为紧凑。但金属箔难以引导电子束沿径向长距离传输,且在强流相对论电子束的轰击下容易产生等离子体,干扰器件的正常工作。因此,该器件在实际上难以输出高功率微波。此后,国防科技大学的研究人员采用强流线圈产生径向导引磁场来约束电子束的运动【F.C.Dang.etal.,SimulationInvestigationofaKu-bandRadialLineOscillatorOperatingatLowGuidingMagneticField.PhysicsofPlasmas,21,063307(2014).党方超等,低磁场运行的Ku波段径向线振荡器仿真研究.PhysicsofPlasmas,21,063307(2014)】,有效提升了径向器件的输出功率。然而,能耗高、体积庞大、附属供电设备复杂等问题也制约了强流线圈激发磁场的方式在径向高功率微波器件中的应用。在提高径向电子束流质量的基础上,为了替代励磁线圈,减小磁场系统的体积和能耗,克服横向偏移不稳定性,设计永磁聚焦径向强流电子束二极管已迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提出一种能实现径向电子束的稳定传输、克服横向偏移不稳定性的永磁聚焦径向强流电子束二极管。本专利技术采用永磁体代替线圈产生径向导引磁场,一方面,相比金属箔引导电子束传输的方式,永磁体产生的导引磁场能够保证电子束的质量;另一方面,相比线圈激励导引磁场的方式,永磁体的使用能够有效降低系统能耗,减小系统体积,避免复杂的附属供电设备对系统的影响。本专利技术的技术方案是:本专利技术永磁聚焦径向强流电子束二极管为旋转对称结构,由阴极基座1、阴极永磁体2、电子发射圆盘3、二极管阳极4、阳极永磁体5组成;定义阴极基座1的中心轴为旋转对称轴OO’,定义靠近OO’的一侧为内侧,远离OO’的一侧为外侧,定义径向强流电子束二极管与脉冲功率驱动源相连的一端为左端,远离脉冲功率驱动源的一端为右端。阴极基座1和二极管阳极4的材料为导体,一般为金属材料(如不锈钢、铜、钛合金等),阴极永磁体2和阳极永磁体5的材料为高剩磁的钕铁硼,电子发射圆盘3的材料为石墨。阴极基座1左侧连接脉冲功率驱动源,阴极永磁体2内嵌于阴极基座1中,电子发射圆盘3置于阴极永磁体2的第一环状永磁体2a和第二环状永磁体2b之间,二极管阳极4左侧连接脉冲功率驱动源阳极,二极管阳极4外套于阴极基座1和电子发射圆盘3外侧,二极管阳极4、阴极基座1、阴极永磁体2和电子发射圆盘3的中心轴均为OO’,阳极永磁体5同轴外套于二极管阳极4的圆筒侧面。阴极基座1由阴极底座1a和阴极端面1b组成,两者通过螺纹连接。阴极底座1a由阴极圆柱1a1、阴极固定圆环1a2、阴极固定圆柱1a3组成:阴极圆柱1a1为圆柱体,长度为L1、半径为R1,阴极圆柱1a1左端连接脉冲功率驱动源的阴极;阴极固定圆环1a2为圆环结构,外径为R1,内径为R2,长度为L2,阴极固定圆环1a2左侧表面同轴连接于阴极底座1a的右端面;阴极固定圆柱1a3为细长圆柱体,长度为L3、半径为R3,阴极固定圆柱1a3右端外表面设置有外螺纹,螺纹长度为L5,与阴极端面1b通过螺纹连接,满足L2<L3≤2L2,R3<R2,L5=10mm。阴极端面1b由空心金属壳1b1和阴极半球1b2组成:空心金属壳1b1为圆环结构,长度为L4,外径为R4,内径为R5,满足R4=R1,R5=R2;阴极半球1b2为半径为R7的半球结构,R7=R1,半球平面中心开有深度为L5,半径为R3的圆筒型凹槽1b3,凹槽1b3内设置内螺纹,凹槽1b3内插有阴极固定圆柱1a3,与阴极固定圆柱1a3通过螺纹连接。阴极永磁体2由第一环状永磁体2a和第二环状永磁体2b组成:第一环状永磁体2a为外径为R8,内径为R7,长度为L6的圆环结构,满足R8=R2,R7=R3,L6=L2;第二环状永磁体2b为外径为R10,内径为R9,长度为L7的圆环结构,满足R10=R5,R9=R7,L7﹤L6,L7=L4;第一环状永磁体2a和第二环状永磁体2b紧贴于电子发射圆盘3的左右两侧,三者同轴嵌套在阴极固定圆柱1a3上,并通过阴极基座1a和阴极端面1b之间的螺纹连接紧固。电子发射圆盘3置于第一环状永磁体2a和第二环状永磁体2b之间,电子发射圆盘3为外径为R12,内径为R11,长度为L8的圆环结构,应满足R12>R1,R11=R3,L8决定了电子束的厚度,满足L8=L3-L2-L4-L5。二极管阳极4由二极管阳极圆筒4a、径向线通道4b和带底二极管圆筒4c组成:二极管阳极圆筒4a为外径为R14,内径为R13,长度为L9的圆环结构,其左端连接脉冲驱动源的阳极,R13=ra(ra为脉冲驱动源阳极半径),R14>R13且R14=R13+6mm,R13和阴极基座1的半径R1共同决定了本专利技术永磁聚焦径向强流电子束二极管的阻抗,R13和R1之差越大,二极管阻抗越高,一般满足20mm<(R13-R1)<60mm,L9的取值需满足电子发射圆盘3的径向对称面与径向线通道4b的径向对称面重合;径向线通道4b为电子束的传输通道,径向线通道4b左侧端面与二极管阳极圆筒4a右端外表面相连接,径向线通道4b右侧端面与带底二极管圆筒4c左端外表面相连接;其结构为径向封闭的传输线结构,轴向空心间隙为L10、外壁轴向间距为L11,L10决定了电子束通道的轴向宽度,一般满足L10≈λ/3,λ为微波波长,L11-L10=20mm,径向线通道4b的封闭面的外径为R16,径向线通道4b封闭面的内径为R15,内径R15决定了电子束通道的径向长度,一般满足R15>150mm,外径R16应满足R16-R15=6mm;带底二极管圆筒4c为右侧带底的圆筒,带底二极管圆筒4c左端外表面与径向线通道4b的右侧端面相连接,带底的二极管圆筒4c外径为R18,内径为R17,包括圆筒底在内的总长度为L13,不含圆筒底的长度为L12,L12的大小决定了阴极端面1b的表面电场大小,L12越大,阴极端面1b的表面电场越低,应满足R18=R14,R17=R13,L12>120mm,L13-L12=10mm。阳极永磁体5由第一阳极永磁体5a和第二阳极永磁体5b组成。第一阳极永磁体5a由第一环状永磁体5a1和第二环状永磁体5a2组成:本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种永磁聚焦径向强流电子束二极管,其特征在于所述永磁聚焦径向强流电子束二极管为旋转对称结构,由阴极基座(1)、阴极永磁体(2)、电子发射圆盘(3)、二极管阳极(4)、阳极永磁体(5)组成;定义阴极基座(1)的中心轴为旋转对称轴OO’,定义靠近OO’的一侧为内侧,远离OO’的一侧为外侧,定义径向强流电子束二极管与脉冲功率驱动源相连的一端为左端,远离脉冲功率驱动源的一端为右端;阴极基座(1)左侧连接脉冲功率驱动源,阴极永磁体(2)内嵌于阴极基座(1)中,电子发射圆盘(3)置于阴极永磁体(2)的第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)之间,二极管阳极(4)左侧连接脉冲功率驱动源阳极,二极管阳极(4)外套于阴极基座(1)和电子发射圆盘(3)外侧,二极管阳极(4)、阴极基座(1)、阴极永磁体(2)和电子发射圆盘(3)的中心轴均为OO’,阳极永磁体(5)同轴外套于二极管阳极(4)的圆筒侧面;阴极基座(1)由阴极底座(1a)和阴极端面(1b)组成,两者通过螺纹连接;阴极底座(1a)由阴极圆柱(1a1)、阴极固定圆环(1a2)、阴极固定圆柱(1a3)组成:阴极圆柱(1a1)为圆柱体,长度为L1、半径为R1,阴极圆柱(1a1)左端连接脉冲功率驱动源的阴极;阴极固定圆环(1a2)为圆环结构,外径为R1,内径为R2,长度为L2,阴极固定圆环(1a2)左侧表面同轴连接于阴极圆柱(1a1)的右端面;阴极固定圆柱(1a3)为细长圆柱体,长度为L3、半径为R3,阴极固定圆柱(1a3)右端外表面设置有外螺纹,螺纹长度为L5,与阴极端面(1b)通过螺纹连接,满足L2<L3≤2L2,R3<R2;阴极端面(1b)由空心金属壳(1b1)和阴极半球(1b2)组成:空心金属壳(1b1)为圆环结构,长度为L4,外径为R4,内径为R5,满足R4=R1,R5=R2;阴极半球(1b2)为半径为R7的半球结构,R7=R1,半球平面中心开有深度为L5,半径为R3的圆筒型凹槽(1b3),凹槽(1b3)内设置内螺纹,凹槽(1b3)内插有阴极固定圆柱(1a3),与阴极固定圆柱(1a3)通过螺纹连接;阴极永磁体(2)由第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)组成:第一环状永磁体(2a)为外径为R8,内径为R7,长度为L6的圆环结构,满足R8=R2,R7=R3,L6=L2;第二环状永磁体(2b)为外径为R10,内径为R9,长度为L7的圆环结构,满足R10=R5,R9=R7,L7﹤L6,L7=L4;第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)紧贴于电子发射圆盘(3)的左右两侧,三者同轴嵌套在阴极固定圆柱(1a3)上,并通过阴极底座(1a)和阴极端面(1b)之间的螺纹连接紧固;电子发射圆盘(3)置于第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)之间,电子发射圆盘(3)为外径为R12,内径为R11,长度为L8的圆环结构,满足R12>R1,R11=R3,L8=L3‑L2‑L4‑L5;二极管阳极(4)由二极管阳极圆筒(4a)、径向线通道(4b)和带底二极管圆筒(4c)组成:二极管阳极圆筒(4a)为外径为R14,内径为R13,长度为L9的圆环结构,其左端连接脉冲驱动源的阳极,R13=ra,ra为脉冲驱动源阳极半径,R14>R13,L9的取值需满足电子发射圆盘(3)的径向对称面与径向线通道(4b)的径向对称面重合;径向线通道(4b)为电子束的传输通道,径向线通道(4b)左侧端面与二极管阳极圆筒(4a)右端外表面相连接,径向线通道(4b)右侧端面与带底二极管圆筒(4c)左端外表面相连接;径向线通道(4b)结构为径向封闭的传输线结构,轴向空心间隙为L10、外壁轴向间距为L11,径向线通道(4b)的封闭面的外径为R16,径向线通道(4b)封闭面的内径为R15;带底二极管圆筒(4c)为右侧带底的圆筒,带底二极管圆筒(4c)左端外表面与径向线通道(4b)的右侧端面相连接,带底二极管圆筒(4c)外径为R18,内径为R17,包括圆筒底在内的总长度为L13,不含圆筒底的长度为L12,满足R18=R14,R17=R13;阳极永磁体(5)由第一阳极永磁体(5a)和第二阳极永磁体(5b)组成,第一阳极永磁体(5a)由第一环状永磁体(5a1)和第二环状永磁体(5a2)组成:第一环状永磁体(5a1)为外径为R20,内径为R19,长度为L14的圆环结构,满足R19=R14;第二环状永磁体(5a2)为外径为R21,内径为R19,长度为L15的圆环结构,左侧表面与第一环状永磁体(5a1)的右侧表面连接;第一阳极永磁体(5a)套在二极管阳极(4)的二极管阳极圆筒(4a)的外侧壁,第一阳极永磁体(5a)的右表面紧贴径向线通道(4b)左侧表面;第二阳极永磁体(5b)与第一阳极永磁体(5a)结构完全相同...

【技术特征摘要】
1.一种永磁聚焦径向强流电子束二极管,其特征在于所述永磁聚焦径向强流电子束二极管为旋转对称结构,由阴极基座(1)、阴极永磁体(2)、电子发射圆盘(3)、二极管阳极(4)、阳极永磁体(5)组成;定义阴极基座(1)的中心轴为旋转对称轴OO’,定义靠近OO’的一侧为内侧,远离OO’的一侧为外侧,定义径向强流电子束二极管与脉冲功率驱动源相连的一端为左端,远离脉冲功率驱动源的一端为右端;阴极基座(1)左侧连接脉冲功率驱动源,阴极永磁体(2)内嵌于阴极基座(1)中,电子发射圆盘(3)置于阴极永磁体(2)的第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)之间,二极管阳极(4)左侧连接脉冲功率驱动源阳极,二极管阳极(4)外套于阴极基座(1)和电子发射圆盘(3)外侧,二极管阳极(4)、阴极基座(1)、阴极永磁体(2)和电子发射圆盘(3)的中心轴均为OO’,阳极永磁体(5)同轴外套于二极管阳极(4)的圆筒侧面;阴极基座(1)由阴极底座(1a)和阴极端面(1b)组成,两者通过螺纹连接;阴极底座(1a)由阴极圆柱(1a1)、阴极固定圆环(1a2)、阴极固定圆柱(1a3)组成:阴极圆柱(1a1)为圆柱体,长度为L1、半径为R1,阴极圆柱(1a1)左端连接脉冲功率驱动源的阴极;阴极固定圆环(1a2)为圆环结构,外径为R1,内径为R2,长度为L2,阴极固定圆环(1a2)左侧表面同轴连接于阴极圆柱(1a1)的右端面;阴极固定圆柱(1a3)为细长圆柱体,长度为L3、半径为R3,阴极固定圆柱(1a3)右端外表面设置有外螺纹,螺纹长度为L5,与阴极端面(1b)通过螺纹连接,满足L2<L3≤2L2,R3<R2;阴极端面(1b)由空心金属壳(1b1)和阴极半球(1b2)组成:空心金属壳(1b1)为圆环结构,长度为L4,外径为R4,内径为R5,满足R4=R1,R5=R2;阴极半球(1b2)为半径为R7的半球结构,R7=R1,半球平面中心开有深度为L5,半径为R3的圆筒型凹槽(1b3),凹槽(1b3)内设置内螺纹,凹槽(1b3)内插有阴极固定圆柱(1a3),与阴极固定圆柱(1a3)通过螺纹连接;阴极永磁体(2)由第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)组成:第一环状永磁体(2a)为外径为R8,内径为R7,长度为L6的圆环结构,满足R8=R2,R7=R3,L6=L2;第二环状永磁体(2b)为外径为R10,内径为R9,长度为L7的圆环结构,满足R10=R5,R9=R7,L7﹤L6,L7=L4;第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)紧贴于电子发射圆盘(3)的左右两侧,三者同轴嵌套在阴极固定圆柱(1a3)上,并通过阴极底座(1a)和阴极端面(1b)之间的螺纹连接紧固;电子发射圆盘(3)置于第一环状永磁体(2a)和第二环状永磁体(2b)之间,电子发射圆盘(3)为外径为R12,内径为R11,长度为L8的圆环结构,满足R12>R1,R11=R3,L8=L3-L2-L4-L5;二极管阳极(4)由二极管阳极圆筒(4a)、径向线通道(4b)和带底二极管圆筒(4c)组成:二极管阳极圆筒(4a)为外径为R14,内径为R13,长度为L9的圆环结构,其左端连接脉冲驱动源的阳极,R13=ra,ra为脉冲驱动源阳极半径,R14>R13,L9的取值需满足电子发射圆盘(3)的径向对称面与径向线通道(4b)的径向对称面重合;径向线通道(4b)为电子束的传输通道,径向线通道(4b)左侧端面与二极管阳极圆筒(4a)右端外表面相连接,径向线通道(4b)右侧端面与带底二极管圆筒(4c)左端外表面相连接;径向线通道(4b)结构为径向封闭的传输线结构,轴向空心间隙为L10、外壁轴向间距为L11,径向线通道(4b)的封闭面的外径为R16,径向线通道(4b)封闭面的内径为R15;带底二极管圆筒(4c)为右侧带底的圆筒,带底二极管圆筒(4c)左端外表面与径向线通道(4b)的右侧端面相连接,带底二极管圆筒(4c)外径...

【专利技术属性】
技术研发人员:党方超王海涛张军张晓萍葛行军袁成卫钱宝良阳福香
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

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