[发明专利]一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波器件技术领域，具体涉及一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器。

背景技术

高功率微波是指频率在1～300GHz范围和峰值功率在100MW以上的电磁波。随着脉冲功率技术和等离子体物理的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。虚阴极振荡器是高功率微波源重要的研究方向之一，在过去的二十多年时间里受到了国际上高度重视和广泛研究。

虚阴极振荡器完全不同于普通的微波源，因为它需要一个超过空间电荷限制流的电流。空间电荷限制流是指这样一个电流，当注入电流超过这个电流时，静电势能超过电子束的动能，因此，虚阴极将电子反射，反射电子在实阴极与虚阴极之间振荡，这称作反射机制。虚阴极振荡器产生的虚阴极是不稳定的，其位置和势值也振荡。这两种机制能产生频率近似相等的微波辐射。与其他微波源相比，虚阴极振荡器具有概念和结构简单等优点。它产生高功率微波，而且极易调谐，因为它取决于电荷密度而不依赖于任何谐振条件。

虚阴极振荡器是一种空间电荷器件，高电压下阴极发射的强流电子束透过阳极网注入到漂移管中，由于电子具有强空间电荷效应，只有低于空间电荷限制流强度的电子束才能够稳定的传输。当电子束流超过空间电荷限制电流的强度时，电子束在势阱中的势能将增大到足以抵消电子所具有的动能，造成束电子在阳极下游的某个位置大量群聚而形成虚阴极。虚阴极的形成一方面将阻止电子的继续传输，把入射电子的部分反射，反射电子通过阳极网后又受到真实阴极的作用重新返回，于是反射电子在实阴极与虚阴极之间形成反射机制振荡，产生微波辐射；另一方面电子的返回使虚阴极处势值减小，电子束又能传输，进而又引起势值增大，继续阻止电子的进一步传输，使虚阴极的自身位置和势值都发生振荡，产生电磁辐射。

常规轴向虚阴极的形成和发展是一个不稳定的动态非线性过程：一方面，它有一个与阴极对阳极大体相同的负电位，因此虚阴极区的电子要向阳极反射回去，这些反射电子穿过阳极到达阴极附近，又被阴极反推回来，来回发反射向外辐射微波，这就是人们所熟知的电子反射产生微波的机制；另一方面，电子被反射回去以后，虚阴极区的电子数密度小了，电势要发生变化，势阱的位置也要变化，与此同时，真实阴极发射的电子又不断给虚阴极补充电子，使得虚阴极区电子数密度增加爱，从而导致虚阴极的电位和位置都发生变化，从宏观上就表现为虚阴极随空间和时间形成震荡，从而激励微波辐射，这就是虚阴极自身振荡产生微波的机制。所以，虚阴极振荡器是由虚阴极本身的时空振荡以及电子在虚阴极和阴极之间的来回反射两种机制共同产生微波的。一般虚阴极束波转换效率为5％～10％，转换效率比较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使输出频率更加稳定并且可以有效提高束波转换效率的低引导磁场轴向虚阴极振荡器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低引导磁场轴向虚阴极振荡器，它包括阳极、阴极、绝缘体、阳极网、低引导磁场产生装置和微波辐射窗，阴极上设置有阴极发射区，阴极设置在阳极内并通过绝缘体隔开，微波辐射窗设置在阳极上，阴极和微波辐射窗之间设置有阳极网，阳极网与微波辐射窗之间设置有一微波传输腔，阳极、阴极、绝缘体与微波辐射窗构成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕。设置低引导磁场，虚阴极在低引导磁场作用下能稳定在某一位置，使得虚阴极振荡器输出频率能稳定、单一。虚阴极的透射电子可在引导磁场的作用下集中到阳极，快速形成电流回路，避免透射电子对虚阴极产生的高功率微波的干扰，有效提高虚阴极振荡器微波输出效率。

作为优选方式，所述的阴极设置在阳极的一端内，阳极的另一端设置微波辐射窗。

作为优选方式，所述的低引导磁场产生装置环绕在阳极外以产生轴向引导磁场。设置一轴向低引导磁场，由于轴向低引导磁场的存在，虚阴极的透射电子可在引导磁场的作用下集中到阳极，快速形成电流回路，避免透射电子对虚阴极产生的高功率微波的干扰；虚阴极的反射电子可在引导磁场的作用下进行多次的虚阴极与真实阴极之间的振荡，使电子束的能量更多的转换为微波，有效提高虚阴极输出效率。因此虚阴极在轴向低引导磁场作用下能稳定在某一位置，使得虚阴极振荡器输出频率能稳定、单一，采用低磁场轴向虚阴极技术可使虚阴极微波输出效率达到20％，极大提高了虚阴极振荡器的应用范围。

作为优选方式，所述的低引导磁场产生装置设置在靠近阳极网的位置。