[发明专利]一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器

说明书

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、内筒、准直孔、一级调制腔、一级漂移段、二级调制腔、二级漂移段、提取腔、同轴输出波导、第一支撑杆、第二支撑杆、螺线管磁场、梯形收集极；整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座左端外接脉冲驱动源的阳极，阳极外筒左端外接脉冲驱动源的外导体，同轴输出波导右端连接模式转换器和天线。本发明克服低磁场下效率低的难题，通过合理设计电磁结构，采用两级调制腔，在低磁场条件下通过二次调制电子，提高电子的群聚效果，进而在低导引磁场下实现高效率的束‑波转换。

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种两级调制的同轴相对论速调管振荡器(Relativistic Klystron Oscillator，RKO)。

背景技术

高功率微波(High-Power Microwave，HPM)通常的定义是功率峰值超过100MW，波长在1mm～1m(即频率在300MHz～300GHz)的电磁波。上世纪七十年代，脉冲功率技术迅速发展，电压数百千伏和电流数十千安的强流相对论电子束得以产生，将其应用于传统真空电子微波器件，使得产生功率超过百兆瓦的HPM成为可能。同时通过对相对论真空电子学和等离子体物理等学科的深入研究，为HPM的产生提供理论支撑。近五十年来，受到国防和工业部门的应用推动，HPM技术取得了巨大的进步。

HPM源是指HPM系统中将强流相对论电子束能量转换为微波场能量的器件，通常为电真空器件。根据产生微波的辐射方式不同，HPM源可以分为契伦科夫辐射(Cerenkov)器件、渡越辐射(Transition)器件及韧致辐射(Bremsstrahlung)器件。RKO和渡越时间振荡器(Transit-Time Oscillator，TTO)同属渡越辐射器件，该类器件通过谐振腔建立驻波场对电子束进行调制和提取，具有低磁场、高效率、高功率以及工作模式单一等特点，受到研究者们的广泛关注。

提高转换效率和降低导引磁场是HPM源的重要发展方向。一方面提高HPM源的转换效率，在同等输出功率的条件下，可降低脉冲驱动源的功率和电压，减小脉冲驱动源的体积和绝缘要求，有利于提高HPM系统的稳定性；另一方面，降低器件的导引磁场，可以减小励磁系统的体积和重量，有利于HPM系统的小型化和紧凑化，拓宽HPM系统的应用场景。因此开展低磁场高效率HPM源研究具有重大的应用价值。

低磁场和高效率的渡越器件研究方面，主要有以下相关工作：

2009年，国防科技大学的曹亦兵等人研究了一种低阻无箔渡越器件【Yibing Cao,Jiande Zhang,and Juntao He.A low-impedance transit-time oscillator withoutfoils,2009,Vol.29,No.9,pp.095205】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。该结构由四部分组成：环形阴极、双腔调制腔、双腔提取腔、同轴输出波导，整个器件关于中心旋转对称。环形阴极左端连接脉冲驱动源，并发射强流相对论电子束延轴向传输。双腔调制腔为两个矩形腔，中间采用导通的窄通道代替箔网来隔离两个腔，双腔调制腔在电子束的作用下激励起TM₀₁模式的驻波场，该驻波场对电子束进行一次强烈的速度调制，而后电子束的速度调制经过漂移转换为密度调制。双腔提取腔为两个矩形腔，中间采用导通的窄通道代替箔网来隔离两个腔，该提取腔采用双腔，拥有更高的束-波转换效率。在仿真中，当输入的电子束电压和电流分别600kV和36kA，外加磁场为0.45T时，在同轴输出波导末端监测到功率为5GW、频率为1.6GHz的微波，转换效率约为23％。该方案结构简单，所需导引磁场较低，输出微波功率较高，但是转换效率较低，需要进一步提高。