可工作在长脉冲状态下同轴渡越时间振荡器电子收集极的制作方法

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，是可用于ku波段渡越时间振荡器，有利于增加微波脉冲宽度的电子收集极，属于高功率微波技术领域。

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。

ku波段电磁波是指波长范围在16mm～25mm之间的电磁波，与之对应的频率范围是12ghz～18ghz。ku波段的波长介于光波和常规微波之间，有着频谱范围宽、波束较窄、沿直线传播、全天候工作、器件尺寸小的特点，在雷达、遥感、辐射、通信、测量等方面有着可观的应用潜力与价值。

虽然ku波段电磁波有着上述特点，但普通ku波段器件仍然有缺陷。微波源在收集强流电子束时，由于束流密度及能量过高，容易引起电子的反射、散射、次级电子反射及等离子体的产生，在外加导引磁场的引导下，它们还有可能扩散到输出腔中，引起输出腔电磁边界条件的改变，影响正常的束波互作用。而在ku波段，由于电子束厚度、电子收集面等参数的减小，电子束沉积在收集面上的能量密度将进一步增大，更容易引起以上不利现象。同时，由于应用于ku波段的强流电子束的空间抖动需要控制在更小范围内，所需的导引磁场一般比较高。

研究降低渡越时间器件电子收集极处的电流密度，增加脉宽，具有代表性的是国防科技大学设计的ku波段的电子收集极【令钧溥.ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器的研究[d].国防科学技术大学,2014.】(以下称为现有技术1)。这种电子收集极结构通过一段漂移管截止微波的工作模式，将收集处做成斜面，增大电子收集面积，并增加电子吸收腔收集反射、散射电子与次级电子发射。在导引磁场0.7t，电压410kv，电流8ka的条件下，得到了功率1gw，频率14.2ghz的ku波段高功率微波输出，转换效率30％，微波脉宽26ns。但是，在实验中发现，微波源器件提取腔处仍弥漫大量粉尘，微波仍然出现了提前截止的现象。

由上可知，虽然采用带斜面的收集极可以降低电流密度，但由于电子吸收面是斜向下的，所以仍然会有反射、散射电子与次级发射的电子返回到束波互作用区域，影响微波输出。目前，关于如何利用电子收集极结构减少电子反射、散射与二次电子发射干扰微波输出的结构，研究较少，尤其是同时实现降低电流密度与电子散射反射的结构的可用于ku波段渡越时间振荡器的电子收集极的技术方案尚未有公开报道。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明特提出一种可用于ku波段同轴渡越时间振荡器的电子收集极结构，克服传统电子收集极电流密度大，能量沉积高与电子散射，反射，二次电子发射干扰微波输出的问题，在不影响微波能量输出的前提下，及时高效地将强流电子束轰击收集极内表面沉积的大量热能传递出去，并且可以有效的回收电子束。本发明通过利用螺线管磁场边缘处磁感线弯斜向上，使得收集电子表面斜向上的电子收集极结构，从而降低收集处电流密度，减少了能量沉积，降低了反射、散射电子，产生的等离子体，二次电子返回到束波互作用区域，防止对微波输出产生影响。

本发明的技术方案是：

一种可用于ku波段同轴渡越时间振荡器的电子收集极，包括电子收集斜面与相适应的导引磁场；

该电子收集极，可应用于ku波段同轴渡越时间振荡器，这种渡越时间振荡器包括阴极座1、阴极2、内导体3、外导体4，内导体3位于外导体4内部中空部分，电子收集极5位于内导体3中，整个同轴渡越时间振荡器的结构关于中心轴线旋转对称，阴极座1的左端连接脉冲功率源的内导体，阴极2套在阴极座1右端，外导体4左端外接脉冲功率源的外导体；

电子收集极在内导体内部，包括漂移段，收集腔，其中，电子漂移段长度约为dri＝11mm，电子收集腔上表面水平方向长s1＝69mm，高h1＝5.5mm，收集腔下表面从距离漂移段s2＝34.5mm处向上倾斜，高h2＝3mm；

导引磁场由螺线管产生，强度约为0.7t，并且最大磁场方向在电子收集极处向上弯曲，引导电子向上运动。螺线管的结构构造如图5所示，由c1、c2、c3组成，c1为内部线圈，在c1外部左边和右边对称绕制c2和c3，

这分别为内部四层线圈，左边和右边加绕的在距线圈中心轴向13.7cm处开始的两段一样大小的线圈，具体的绕制参数为：r1＝10cm，r2＝11.25cm，r3＝15.4cm，l^*＝13.7cm，l0＝17.15cm，最内层线圈，即c1部分的绕制匝数为58匝，共绕制4层，c2、c3部分与c1部分电流密度大小相同。

本发明的工作原理是：阴极产生的相对论电子束与同轴渡越时间振荡器的谐振腔中的tm01模式的电磁波进行束波相互作用，产生高功率微波经由输出波导辐射出去；

电子束则在磁场的导引下，均匀通过束波互作用区域，在电子收集极处向斜上方运动，被收集极表面所收集。与传统的电子收集极结构相比，电子束在向上弯曲运动的时候，电子束厚度因为轴向磁场的减小而扩大，并且新型电子收集极与电子束接触区域的夹角小，互作用的面积大，同时由于收集表面斜向上，因此还可以减小反射、散射电子，等离子体，二次电子返回到束波互作用区，影响微波传输，因此斜向上型的电子收集极结构可以降低收集处电流密度，减小影响微波输出物质的影响。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

1、本发明中ku波段渡越时间振荡器的收集极处，电子束在磁场导引下向斜向上方运动，电子束在收集面处的运动方向与收集极面夹角减小，能够有效增加束流与收集极的互作用面积，降低电流密度；

2、本发明中ku波段渡越时间振荡器的收集极处，随着导引磁场在轴向的场强减小，在径向的场强增大，电子束在收集处厚度增大，单位面积上的电流强度减小，能够有效降低电流在收集极面处的能量沉积；

3、本发明中ku波段渡越时间振荡器的电子收集极与电子束接触表面斜向上，与现有技术相比，反射、散射电子、等离子体、二次电子等影响微波输出的物质会减少向束波互作用区扩散，增加了微波长脉冲输出的可靠性；

4、本发明中ku波段渡越时间振荡器，输出微波0.83gw，微波频率13.21ghz，效率34.7％，器件的效率高，工作频率纯。

附图说明

图1为背景介绍中关于现有技术1公开的ku波段渡越时间振荡器的电子收集极的结构示意图；

图2为本发明提供的采用本发明设计的电子收集极结构的ku波段渡越时间振荡器工作示意图；

图3为本发明提供的采用本发明设计的电子收集极结构的ku波段渡越时间振荡器前视剖视结构示意图；

图4为本发明提供的采用本发明设计的电子收集极结构的ku波段渡越时间振荡器的剖视结构示意图；

图5为本发明提供的螺线管结构示意图；

图6为本发明提供的螺线管产生的磁场示意图；

图7为本发明设计下的ku波段同轴渡越时间振荡器输出的平均功率。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定；

图1为现有技术1中公布的ku波段同轴渡越时间振荡器的电子收集极示意图。电子在磁场约束下，水平运动，在倾斜向下的电子收集极表面被收集，这种收集极虽然采用了倾斜面增大电子束与收集表面接触面积，有利于降低电子电流密度，但是，仍然会有大量的散射，反射电子，二次发射电子返回到束波互作用区域影响微波输出；

图2为本发明提供的包含有本发明设计的电子收集极结构的ku波段渡越时间振荡器的工作示意图，电子束从阴极2爆炸发射，在导引磁场约束下，经过调制腔发生调制，而后在提取腔发生束波相互作用，产生微波，微波从输出口发射出去，而电子束则在磁场引导下向斜上方运动，被电子收集极5收集；

图3与图4为包含有本发明设计的电子收集极结构的ku波段渡越时间振荡器前视剖视结构示意图；

图6是螺线管产生的导引磁场，在10cm处，导引磁场大小从0.7t下降，也是在此处，电子在变化的磁场下，向斜上方运动，被电子收集极收集。

进一步地，所述阴极座1、内导体3、外导体4均为不锈钢材料，阴极2采用石墨或铜，螺线管线圈采用漆包铜线圈绕制而成。

本优选实施例实现了可应用于中心频率为13.21ghz且仍然具有高输出效率ku波段渡越时间振荡器的电子收集极。在粒子模拟中，采用2.39gw注入功率下，输出效率达34.7％，频率为13.21ghz(对应微波波长λ＝2.2cm)，由上述结果可知，本发明克服了通常渡越时间振荡器工作在高频段时电子收集极处电流密度大，能量沉积高，束波互作用区微波发射受到影响的缺点，并且能同时兼顾输出效率高的优点，对于设计工作在高频段长脉冲的渡越时间振荡器所需采用的电子收集极具有重要的借鉴意义。

参见图7，可知应用本发明电子收集极结构的ku波段渡越时间振荡器的平均输出功率可达0.83gw，输出效率为34.7％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。