本发明专利技术涉及高功率微波技术领域的微波源，提供一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、反射器、输出波导、螺线管磁场，在锥形波导之后设置厂字形收集极，在截止颈和慢波结构之间有2个前置谐振腔，在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个调制腔，在慢波结构末端和锥形波导之间还设置有1个后置谐振腔。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输出微波脉宽长、功率转换效率高，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现亚微秒级脉宽、效率大于35％的微波输出，且该微波源结构紧凑、易于重复频率运行。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高功率微波
的微波源器件，尤其是一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器。
技术介绍
目前，高功率微波(通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波)在定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等国防和工业领域得到广泛应用。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作为一种发展较为成熟的高功率微波源，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点，受到国际上广大科研人员的关注。提高相对论切伦科夫振荡器的单脉冲能量及平均功率水平是高功率微波领域发展的重要目标，通常可以通过提高器件峰值功率、重复频率和脉冲宽度三方面来实现。相关研究表明单一相对论切伦科夫振荡器的峰值功率水平很难大幅度提高，而重复频率运行频率要达到或超过kHz水平也非常困难。因此，延长输出微波的脉冲宽度成为相对论切伦科夫振荡器研究方向提高器件单脉冲能量和平均功率水平的重要手段。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【Jun Zhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-De Zhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,and Liu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With Repetitive Operation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，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。因此，尽管人们已经开始研究高效率或长脉冲相对论切伦科夫振荡器，但很少见到成熟且简单易行的方案，尤其是同时实现亚微秒级长脉冲、高效率相对论切伦科夫振荡器的技术方案尚未有公开报道。
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亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾输出微波脉宽长、功率转换效率高，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现亚微秒级脉宽、效率大于35％的微波输出，且该微波源结构紧凑、易于重复频率运行。本专利技术的技术方案是：一种亚微秒级长脉冲高效率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、第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308、调制腔311、后置谐振腔312、厂字形收集极313、 反射器314，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内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体；阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，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，具体尺寸需要根据工作波长λ优化设计；第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b均呈圆盘状，第一前置谐振腔310a内半径R2和外半径R11满足R11>R2，长度L5一般取值为工作波长λ的0.15-0.35倍，第二前置谐振腔310b内半径等于第一前置谐振腔310a内半径R2，其外半径为R12，满足R11>R12>R2，长度L6一般取值为工作波长λ的0.1-0.3倍；慢波结构305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，前2个慢波叶片相同，后3个慢波叶片相同，后3个慢波叶片外半径R6比前2个慢波叶片外半径R3大，满足R6>R3，后3个慢波叶片的长度L8比前2个慢波叶片长度L1短，满足L8<L1，L1一般取值为工作波长λ的0.4-0.6倍，L8一般取值为工作波长的0.3至0.5倍；在第2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述振荡器包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、第一前置谐振腔(310a)、第二前置谐振腔(310b)、慢波结构(305)、锥形波导(306)、输出波导(307)、螺线管磁场(308)、调制腔(311)、后置谐振腔(312)、厂字形收集极(313)、反射器(314)，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内导体，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体；阴极(302)是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm‑2mm，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；第一前置谐振腔(310a)、第二前置谐振腔(310b)均呈圆盘状，第一前置谐振腔(310a)内半径R2和外半径R11满足R11>R2，长度L5一般取值为工作波长λ的0.15‑0.35倍，第二前置谐振腔(310b)内半径等于第一前置谐振腔(310a)内半径R2，其外半径为R12，满足R11>R12>R2，长度L6一般取值为工作波长λ的0.1‑0.3倍；慢波结构(305)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，前2个慢波叶片相同，后3个慢波叶片相同，后3个慢波叶片外半径R6比前2个慢波叶片外半径R3大，满足R6>R3，后3个慢波叶片的长度L8比前2个慢波叶片长度L1短，满足L8<L1，L1一般取值为工作波长λ的0.4‑0.6倍，L8一般取值为工作波长的0.3至0.5倍；在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个形状为圆盘状的调制腔(311)，调制腔(311)的半径R13大于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R6，调制腔(311)半径R13为工作波长的0.65至0.85倍，调制腔(311)宽度L7为工作波长的0.05至0.15倍；在慢波结构(305)和锥形波导(306)之间设置有1个形状为圆盘状的后置谐振腔(312)，后置谐振腔(312)的半径等于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R6，后置谐振腔(311)的宽度L9一般取值为工作波长λ的0.05‑0.15倍；锥形波导(306)的左侧半径为R14，右侧半径为R15，R14＜R15，长度为L2，L2一般取值为工作波长λ的0.9‑1.1倍；锥形波导(306)之后接厂字形收集极(313)，厂字形收集极(313)的外半径等于锥形波导(306)的右侧半径R15，R15小于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R6，厂字形收集极(313)上端封闭处宽度L10等于工作波长λ，下端敞口处的宽度L11取值为工作波长的0.4至0.6倍，所述厂字形收集极(313)内部台阶宽度L12取值为工作波长的0.2至0.3倍；所述厂字形收集极(313)右侧斜边宽度L13取值为工作波长的1.1至1.4倍；厂字形收集极(313)与输出波导(307)之间设置反射器(314)，反射器(314)的内半径R18小于阴极(302)半径R1，反射器(314)下端的宽度L14取值为工作波长的1.1至1.4倍，反射器(314)右侧斜边的宽度L15取值为工作波长的0.75至0.95倍；输出波导(307)为内半径为R7的圆波导，R7>R13。...
【技术特征摘要】
1.一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述振荡器包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、第一前置谐振腔(310a)、第二前置谐振腔(310b)、慢波结构(305)、锥形波导(306)、输出波导(307)、螺线管磁场(308)、调制腔(311)、后置谐振腔(312)、厂字形收集极(313)、反射器(314)，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内导体，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体；阴极(302)是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，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；第一前置谐振腔(310a)、第二前置谐振腔(310b)均呈圆盘状，第一前置谐振腔(310a)内半径R2和外半径R11满足R11>R2，长度L5一般取值为工作波长λ的0.15-0.35倍，第二前置谐振腔(310b)内半径等于第一前置谐振腔(310a)内半径R2，其外半径为R12，满足R11>R12>R2，长度L6一般取值为工作波长λ的0.1-0.3倍；慢波结构(305)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，前2个慢波叶片相同，后3个慢波叶片相同，后3个慢波叶片外半径R6比前2个慢波叶片外半径R3大，满足R6>R3，后3个慢波叶片的长度L8比前2个慢波叶片长度L1短，满足L8<L1，L1一般取值为工作波长λ的0.4-0.6倍，L8一般取值为工作波长的0.3至0.5倍；在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个形状为圆盘状的调制腔(311)，调制腔(311)的半径R13大于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R6，调制腔(311)半径R13为工作波长的0.65至0.85倍，调制腔(311)宽度L7为工作波长的0.05至0.15倍；在慢波结构(305)和锥形波导(306)之间设置有1个形状为圆盘状的后置谐振腔(312)，后置谐振腔(312)的半径等于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R6，后置谐振腔(311)的宽度L9一般取值为工作波长λ的0...
【专利技术属性】
技术研发人员：葛行军，杨建华，张军，贺军涛，钱宝良，钟辉煌，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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