[发明专利]双螺旋水槽型强流电子束收集极

说明书

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种双螺旋水槽型强流电子束收集极。

背景技术

本发明的应用背景是重频运行高功率微波源。高功率微波源是一种利用强流相对论电子束在真空高频结构中与高频结构的本征模相互作用机制，把高能电子束的能量转化为高频电磁波能量的器件，在军事和工业中都有重要应用。目前，高功率微波器件的能量效率普遍较低，强流相对论电子束在经过束波相互作用交出部分能量后仍具有较高的动能，电子束收集极的作用便是接收这部分与高频电磁场相互作用后的强流电子束。然而电子束收集极在工作过程中受高速电子的轰击会沉积大量的热能，导致收集极上的温度骤然升高，引起材料表面吸附气体的解吸附甚至材料本身发生蒸发和汽化，而收集极高温热脱附和材料汽化不仅会污染真空环境，更可能导致有害等离子体的产生。对于M型器件，阳极等离子体会导致束流崩溃、模式跳变和束波同步条件被破坏等一系列问题；对于O型器件，收集极等离子不但可以吸收和反射微波，而且还可能沿导引磁场进入束波作用区影响微波产生。因此，任何减少收集极热负载的措施在高功率微波领域都是关键的，特别是在器件重复频率长时间运行中，必须考虑束流轰击收集极产生大量热能的散热问题，在脉冲串内把热量散开。

以用在相对论返波管中的收集极为例，相对论返波管的典型结构如图1所示，由导引磁场1，环形阴极2，截止颈3，慢波结构4，收集极5构成。该器件的基本工作过程为：无箔二极管产生薄环形相对论电子束在磁场1导引下，经过截止颈3，进入慢波结构4与结构波的-1次空间谐波相互作用；先进入慢波结构4的电子束与结构波作用后，辐射的微波向后传播，进一步与后进入的电子束相互作用，这样微波被迅速放大；最后，微波在慢波结构4的起始端被截止颈3反射，重新经过慢波结构4后进入传输波导、模式转换器和天线系统被辐射出去。由于失去了导引磁场的约束，强流束在经过束波相互作用从慢波结构出射后呈环形向外发散，并入射到收集极5表面。

俄罗斯学者Г.A.米夏兹对电子束轰击金属表面过程做了较为深入的研究，在其著作中对真空二极管火花放电阶段的阳极过程有专门的描述，并给出了能够详细刻画阳极热工作方式的方程【Г.A.米夏兹著，李国政译，真空放电物理和高功率脉冲技术，北京：国防工业出版社，2007.05】。若收集极材料的比热容是c，密度是ρ，热导率是λ，入射到收集极表面的电子流功率密度是q_a，则收集极表面温度T的解的形式如下：

其中T₀为阳极表面初始温度，参量x_th为收集极内表面热场的特征深度，是电子的穿透深度，可以由经验公式给出，erf(k)为k的误差函数，表示对q_a求导，e为电子的电荷量。在电子穿透深度远远大于收集极内表面热场特征深度的情况下，(1)式可以简化为：

可以看到，在这种情况下，当材料和束流功率密度确定后，温升与脉冲作用时间呈线性关系；强流电子束脉冲结束后，阳极表面加热过程停止，其冷却过程开始，在这个过程中，若不考虑外界冷却条件，则热传导占主要，此时温度的解的形式为：

式中，r_b是指电子束在阳极有效作用域的位置尺度，T_m为该区域最大温度，a＝λ/(ρc)为材料的热传导系数。由(3)式可以看出，若没有外界冷却条件，则散热过程温度随时间是一个慢变化过程。

收集极热量是由一定密度的电子束打到收集极内表面而产生，假设电子束轰击收集极时有效作用面积为A，则单位面积上的功率沉积为：

其中，P为有效作用面积上总的功率沉积，E是电子能量，是制动深度，dE/ds表征高能电子束轰击材料表面由于碰撞、电离及韧致辐射引起的能量净损失，I_b为束电流。另外，收集极在重频运行时，内表面热源不仅是位置的函数，也是时间的函数。若假设每个脉冲在收集极作用区域都相同，脉冲热源可通过循环方式加载，则这种工作状态下收集极要承受较高的热流密度(约为10¹²W/m²)。

综上所述，在重频、长脉冲、长时间运行的吉瓦(GW)级高功率微波产生器件中，必须面临束流轰击收集极产生大量热能的散热问题，不仅需要采用一定的冷却方式，而且对收集极材料的选择也提出了较高的要求。