[发明专利]一种束流调控的高效率低磁场相对论返波管

说明书

本发明涉及一种束流调控的高效率低磁场相对论返波管，包括环形阴极、返波管管体、输出波导及磁场线圈；返波管管体的内壁从前至后依次设有预调制段、束流调控结构、慢波结构和提取腔；束流调控结构为沿返波管管体内壁周向设置的环形突起，位于预调制段后侧，慢波结构第一个腔体的前侧，用于吸收原本将处于加速相位的电子，调控返波管管体内的轴向电流。本发明增加的束流调控结构在固定间隔时间通过吸收部分电子调控轴向电流，使得较大比例预计在慢波结构中处于加速相位的电子被束流调控结构所吸收，大幅促进束流在射频场中的调制和群聚，使得能量提取效率显著提高。

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，特别是涉及一种束流调控的高效率低磁场相对论返波管。

背景技术

相对论返波管是当前最有潜力的高功率微波器件之一，其具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率脉冲工作等特点，是国内外HPM器件研究的重点。针对高功率微波产生装置轻量小型化的迫切需求，目前国内外正在大力开展低磁场(即外加磁场低于回旋共振磁场)相对论返波管研究。

肖仁珍等人于2020年发明了一种低磁场双模工作相对论返波管，其基本构型如附图1所示(Renzhen Xiao,Yanchao Shi,Huida Wang,Guangshuai Zhang,Youyou Gui,Zhimin Song,Xianchen Bai,Yuchuan Zhang,and Jun Sun,Phys.Plasmas 27,043102(2020).)。环形阴极01，环形相对论电子束02，双预调制腔03，双段非均匀慢波结构04，提取腔05，输出波导06及磁场线圈07。

工作时，环形阴极01产生环形相对论电子束02，在磁场线圈07产生的磁场引导下，经过位于预调制段上的双预调制腔03，环形相对论电子束02获得合适的预调制，进入双段非均匀慢波结构04，与TM₀₁模发生同步相互作用，与TM₀₂模发生异步相互作用，向环形阴极01传输的TM₀₁模和TM₀₂模的混合模式经反射后，重新进入双预调制腔03和双段非均匀慢波结构04，最终从输出波导06输出。

利用已有的低磁场双模工作相对论返波管，在外加磁场0.66T，二极管电压880kV，电流12.5kA时，产生微波功率4.6GW，频率9.96GHz，束波转换效率42％，仿真效率44％。

发明内容

本发明的目的是提供一种束流调控的高效率低磁场相对论返波管，以进一步提高低磁场相对论返波管的束波转换效率。

本发明的构思是：

利用低磁场环境下，电子束在电磁场中振荡范围较大的特点，设计一种束流过滤结构，在电子半径大于该结构时有很大概率被该结构吸收，这个吸收过程会持续一段时间，当电子的半径小于该结构时，电子能够顺利通过该结构。通过这样的方法，该结构能够使得通过该结构的电子束分割成簇，调节好结构尺寸、轴向电场的位置关系，便可以达到增强电子束群聚的效果，减少了在慢波结构中处于微波加速相位(即从微波中吸收功率的电子)的数量，进而达到增加效率的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种束流调控的高效率低磁场相对论返波管，包括环形阴极、返波管管体、输出波导及磁场线圈；

上述环形阴极位于返波管管体前侧，用于在高压脉冲作用下向返波管管体内发射环形相对论电子束；

上述返波管管体的内壁从前至后依次设有预调制段、慢波结构和提取腔；

上述预调制段上设有预调制腔，用于对环形相对论电子束进行预调制；

上述慢波结构用于降低电磁波或空间谐波相速度，使之能够与电子束实现同步并发生相互作用；

上述提取腔用于引入集中的强轴向电场，可以显著增强电子束在穿越该区域时产生的集中式渡越辐射，从而提高微波转换效率；