[发明专利]一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器

说明书

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域；包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构、漂移段，提取腔、收集极漂移段、收集极斜面、收集极内腔、收集极挡板、输出波导、螺线管磁场；本发明克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾长输出微波脉宽与高功率转换效率的问题，在使用6周期非均匀慢波叶片下的情况下实现长脉宽、高效率的微波输出，且该微波源结构简单、易于加工、易于重复频率运行。

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种带类同轴收集极的C波段相对论切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域。

背景技术

高功率微波通常是指峰值功率大于100MW，频率在1GHz-300 GHz的电磁波，高功率微波技术是伴随着脉冲功率技术与等离子体物理学及电真空技术的发展而新兴的一个研究领域。在等离子体加热、高功率雷达、粒子射频加速以及未来空间能源的利用方面有着光明的应用前景。

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。电子束的相干辐射机理分为切伦科夫辐射、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是目前最有潜力的高功率微波源器件之一。它利用相对论电子束与慢波结构中的电磁波模式(结构波)相互作用，产生自身振荡和放大，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点。现今，提高器件功率转换效率和延长输出微波的脉冲宽度已经成为器件发展的重要方向。提高器件束波作用效率可以在相同的输入功率下得到更高的输出功率，延长输出微波的脉冲宽度可以在相同输入电长度下得到更长的微波输出。二者都有利于节约能源，获得更实用更小型化的高功率微波系统。

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-DeZhang,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 RepetitiveOperation 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。