本发明属于高功率微波器件技术领域，具体涉及一种同轴双电介质叉指排列高功率微波器件。
背景技术
高功率微波(hpm)一般是指峰值功率在100mw以上、工作频率为1～300ghz范围内的电磁波。高功率微波技术和微波器件的研究与发展已有30多年的历史，近几年来，随着脉冲功率技术和等离子体物理的不断发展，高功率微波技术发展迅速，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展。到目前为止，其功率水平相比普通微波源已提高了几个量级，在多个科学领域得到广泛的应用，从而也使高功率微波成为一门新技术，它借助于现代强相对论电子束技术的巨大功率和能量储备能力正向着更短波长和超高功率的方向发展。
到目前为止，高功率微波的发展已经走过了单一功率追求的单纯性新概念探索的阶段，研究重点已经转移到与高功率微波实际应用有关的更为细致的技术上。其中，提高高功率微波源系统产生效率和单脉冲能量、系统小型化、集成化设计以及发展智能型高功率微波装置是目前高功率微波源技术的主要研究内容。高功率微波器件的进一步实用化是小型化。
沿介质表面运动的带电粒子，当速度超过该介质中传播的光速时，将产生切伦科夫辐射。在部分填充介质波导中传输一束电子时，这种辐射可以分解为波导中的各种模式成分，当电子束速度接近且大于其中某个模式的相速时，这个模式与电子束的相互作用被放大，从而产生相干受激辐射，这就是切伦科夫辐射器件。
介质切伦科夫辐射振荡器中，慢波结构不是一个金属壁呈周期性变化的波导，而是一个在同轴金属圆波导内表面衬有一层常数ε1大于真空介电常数ε0的电介质的同轴介质波导。由于慢波结构不是周期性的，它的色散曲线更像圆柱波导的色散曲线。波导的有效电介质常数εeff位于ε0和ε1之间，它的值决定于系统整体结构尺寸。当电介质的厚度增加时，系统的有效介电常数向ε1增加，引起输出频率降低。当改用介电常数值大的电介质代替介电常数小的电介质作衬里时，可更有效的减慢结构模相速，也将引起输出频率降低。
单一介质波导色散曲线可以注意到谐振时辐射微波群速总是正的。这种结构的器件没有反波介质契伦科夫器件，只有行波介质契伦科夫器件。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种增强强流电子束群聚、提高束波转换效率的同轴双电介质叉指排列的高功率微波器件。
本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：
一种同轴双电介质叉指排列高功率微波器件，包括外筒，所述外筒内设置有阴极、在外筒轴线方向上设置的同轴内导体，所述阴极与同轴内导体同轴，其特征在于所述外筒和同轴内导体之间填充有同轴电介质，所述同轴电介质为周期性交错填充且介电系数不同的两种电介质，所述同轴电介质具有一环形结构的同轴电介质腔，所述同轴电介质通过同轴电介质腔分为内、两部分外同轴电介质，内同轴电介质和外同轴电介质的两种电介质呈叉指排列，阴极发射的环形强流电子束通过磁场引导，在同轴电介质腔内进行传输。
在上述技术方案中，所述外同轴电介质和内同轴电介质各自的两种电介质沿外筒轴线方向呈周期性交错填充。
在上述技术方案中，所述同轴电介质腔为真空腔。
在上述技术方案中，所述同轴电介质腔的一端设置有与外筒垂直连接的金属板，所述金属板上设置有引导强流电子束进入同轴电介质腔内的环形注入口，所述环形注入口的口径大小与同轴电介质腔的直径大小相同。
在上述技术方案中，同轴电介质的末端设置有具有锥形结构金属圆筒，锥形结构在圆筒与内同轴电介质、外同轴电介质连接的锥形结构形成喇叭结构，喇叭结构直径沿外筒轴线方向增大，直至圆筒内径与同轴金属波导的直径相同。
在上述技术方案中，其中一种电介质的轴向长度为l1，器件产生微波在该介质内传播的波长为λ1，则满足：
其中，n为奇数。
在上述技术方案中，另一种电介质的轴向长度为l2，器件产生微波在该介质内传播的波长为λ2，则满足：
其中，n为奇数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明的高功率微波器件采用同轴电介质，同轴电介质为周期性交错填充在外筒内壁与同轴内导体之间的两种电介质，并且两种电介质的介电系数不同，内同轴电介质的两种电介质和外同轴电介质的两种电介质相互之间呈叉指排列。器件产生高功率微波，同轴电介质的轴向长度约为高功率微波的波长二分之一的奇数倍。正是两种电介质的交叉排列设计，使得微波在传输的介质中发生全反射，从而增强电子束的群聚，提高束波转换效率。
附图说明
图1是本发明的同轴双电介质叉指排列高功率微波器件的整体结构示意图。
其中：1、阴极，2、外筒，3、金属圆波导，4、同轴介质波导中一种介电常数较小的电介质，5、同轴介质波导中一种介电常数较大的电介质，6、锥形结构，7、环形强流电子束，8、同轴内导体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种同轴双电介质叉指排列高功率微波器件，包括外筒，在外筒内设置有阴极和同轴内导体，同轴内导体在外筒的轴线方向且与阴极同轴。阴极一般采用石墨材料制备而成，依靠阴阳极之间的电场力爆炸发射产生环形强流电子束。环形强流电子束在磁场引导下，在同轴电介质构成的真空室内进行轴向传输，电压以及束流强度的选取需要综合考虑器件结构形态，进而进行优化设计。外筒一般采用无磁不锈钢或无氧铜材料制备而成，其作用是对高功率微波进行轴向传输。
外筒内壁和同轴内导体之间周期性填充两种不同介电系数的同轴电介质，同轴电介质通过外筒进行支撑。电介质的轴向长度约为器件产生微波在该介质内传播波长的二分之一奇数倍。即其中一种电介质的介电常数在两种电介质中相对较小，该电介质的轴向长度为l1，器件产生微波在该介质内传播的波长为λ1，则满足：
同轴电介质具有一沿外筒轴线方向延伸的环形结构同轴电介质腔，这样同轴电介质腔为同轴电介质腔将同轴电介质分为了两部分。其中一部分为同轴电介质腔外径与外筒之间的外同轴电介质(即外波导)，另一部分为同轴电介质腔内径与同轴内导体之间的内同轴电介质(即内波导)。外波导和内波导之间的两种电介质呈叉指排列，且两种电介质在内波导和外波导的结构尺寸相同。
同轴电介质腔的一端为起始端，起始端为同直径的金属筒，设置有与外筒垂直连接的金属板(即金属圆波导)，通常由无磁不锈钢或无氧铜材料制备而成，其作用是收集阴极爆炸发射产生没有被磁场约束的高能电子，防止高能电子轰击电介质，造成电介质的性能破坏。金属板通过同轴内导体进行支撑，同轴内导体通过支撑杆与外筒连接，与外筒形成等电位。金属板设置有环形注入口，用于引导强流电子束进入同轴电介质腔内，并且环形注入口的口径大小与同轴电介质腔的直径大小相同。
同轴电介质腔的另一端为末端，末端与外筒内的锥形结构连接，即外同轴电介质和内同轴电介质末端各自与其对应的锥形结构连接，并且内、外同轴电介质之间对应的圆锥结构形成喇叭口状，圆锥结构的直径沿外筒的轴线方向减小。与内同轴电介质、外同轴电介质连接的锥形结构之间形成喇叭结构，喇叭结构直径沿外筒轴线方向增大，直至外筒内径与金属板的直径相同。
实施例一
器件中的阴极采用石墨材料制备而成，依靠阴阳极之间的电场力爆炸发射产生环形强流电子束，石墨阴极的内径为2.3cm，外径为2.4cm。环形强流电子束在磁场的引导下通过环形注入口进入同轴电介质腔进行传输，电子束的引导磁场强度为0.6t，电压为350kv，电流为1.6ka。金属外筒的内径为3.2cm，金属外筒内壁及同轴内导体周期填充的两种不同介电系数的电介质，金属外筒内壁和同轴内导体外壁上填充的同轴电介质的结构参数及排列方式完全一致。其中一种电介质介电常数为2.5，真空中波长为3.3cm的微波在该介质中传播波长的二分之一为1.0cm；另一种电介质介电常数为9，真空中波长为3.3cm的微波在该介质中传播波长的二分之一为0.55cm，在本实例中综合考虑器件各结构参数，经优化设计其中一种电介质的轴向长度为3.6cm，；另一种电介质的轴向长度为2.45cm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。