一种实现S、C波段选择的切伦科夫振荡器的制作方法

一种实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器
技术领域
1.本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种利用回旋共振吸收原理实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，属于高功率微波技术领域。


背景技术：

2.高功率微波通常是指峰值功率大于100mw，频率在1ghz-300ghz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。
3.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。
4.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。
5.我们将在同一器件中通过运用各种的方法产生非单一频率的切伦科夫器件称为多波段切伦科夫器件。由于多波段切伦科夫振荡器具有电磁攻防，信息跳频传输等多种应用，应用范围广大，多波段切伦科夫振荡器近年来成为研究热点，实现同一器件多波段的方法有有种：包括但不限于多腔体，机械调谐，电调谐，磁场调谐等。其中磁场调谐技术利用电子的回旋共振吸收原理，通过不同波段对应频率电子的回旋共振吸收磁场不同的特点，通过改变磁场强度的方法改变器件输出微波频率。能降低改变波段所需的步骤和难度。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种利用回旋共振吸收原理实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器。本发明利用电子的回旋共振吸收原理，达到在同一器件上采用不同导引磁场强度时，器件输出不同频率微波的效果。实现仅须改变驱动外导引磁场的电流大小即能调节器件输出波段的功能。该器件原理清晰，结构简单、易于加工，兼顾创新性和使用性，是一种较好的多波段切伦科夫振荡器方案。
7.本发明的技术解决方案是：本发明为一种实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特殊之处在于：所述实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的螺线管磁场，振荡器腔体包括依次设置的阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导；阳极外筒内设置有阴极，慢波结构由6个参数相同的矩形慢波叶片排列组成，每两个矩形慢波叶片之间均由一个圆环连接。
8.进一步的，阴极是一个薄壁圆筒，其壁厚为2mm，内半径r1等于电子束半径，阳极外
筒是一个内半径为r2的金属壳体。
9.进一步的，截止颈呈圆盘状，内半径为r3，r3＞r1，长度为l2，截止颈与阴极之间的长度l1为阴阳极间距，l1大于2cm。
10.进一步的，谐振反射腔呈圆盘状，内半径r3和外半径r4满足r4＞r3，长度l3取值为工作波长λ的0.4-0.5倍。
11.进一步的，距离谐振反射腔长度为l4处为慢波结构，l4取值为工作波长λ的0.2-0.3倍。
12.进一步的，每两个梯形慢波叶片之间均是由长度均为l5，内半径均为r3的圆环连接，每个慢波叶片长度均为l5，半径均为r5。
13.进一步的，慢波结构后接半径为慢波结构内半径r3的输出波导。
14.进一步的，阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导均采用不锈钢制成，阴极采用石墨制成，螺线管磁场采用铜线绕制而成。
15.与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
16.本发明提供的一种实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，利用回旋共振吸收原理实现s、c波段选择，主要作用如下：
17.在相对论切伦科夫器件中，当电子束电参数与导引磁场大小符合回旋共振吸收条件时，会发生回旋共振吸收现象，器件中的回旋共振吸收模被激励，起振电流急剧增大，导致器件工作状态受损，甚至不能工作。所以对一般的切伦科夫振荡器而言，回旋共振吸收现象是选择磁场是需要避免的。
18.但是对于利用回旋共振吸收原理来实现波段频率选择的器件来说，回旋共振吸收现象正是倚仗而不是阻碍。一般来说，回旋共振吸收区有两个，分别为：
[0019][0020][0021]
由于慢波周期l是关系到输出微波的频率，那么不同频率可以有不同的回旋共振吸收区，那么我们可以通过精心设计，使某一频率所对应的回旋共振吸收区为另一频率下的饱和区，而使另一频率下的所对应的回旋共振吸收区为前者频率下的饱和区，那么通过调节磁场大小，就可以调节微波输出频率。
[0022]
具体来说：由于慢波结构的设计，s波段频率为2.31ghz的结构波和c波段频率为4.62ghz的结构波，由于频率为倍频关系，所以能同时被激励存在。观察c波段和s波段微波输出功率与导引磁场大小关系图(图3)可知：当磁场大小为0.8t时，处于c波段频率为4.62ghz的微波由于电子束处于的回旋共振吸收区，无法正常产生，但此时s波段频率为2.31ghz的微波正处于饱和状态，故此时器件只能输出2.31ghz的s波段微波。同样的，当磁场大小为1.3t时，处于s波段频率为2.31ghz的微波由于电子束处于的回旋共振吸收区，无法正常产生，但此时c波段频率为4.62ghz的微波正处于饱和状态，故此时器件只能输出4.62ghz的c波段微波。
[0023]
如上述所述，通过不同频率下的电子束回旋共振吸收区不同的原理，仅通过改变导引磁场的大小，即只改变通过导引磁场螺线管线圈的电流的大小，即可改变器件输出微
＝44mm，l3＝31mm，l4＝22mm，l5＝22mm)。粒子模拟中，在磁场为0.8t时，输出s波段微波功率频率为2.31ghz，功率为1.22gw；在磁场为1.3t时，输出c波段微波功率频率为4.62ghz，功率为2.10gw，实现了通过改变导引磁场大小改变输出微波频率的效果。
[0041]
参见图3，利用电子的回旋共振吸收原理，实现了，在磁场为0.8t时，输出s波段微波，在磁场为1.3t时，输出c波段微波的效果。
[0042]
当然，在本优选实施例中，截止颈103、谐振反射腔104、慢波结构105、输出波导106之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，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。
[0043]
本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。
[0044]
以上，仅为本发明公开的具体实施方式，但本发明公开的保护范围并不局限于此，本发明公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。


技术特征：
1.一种实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的螺线管磁场，所述振荡器腔体包括依次设置的阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导；所述阳极外筒内设置有阴极，所述慢波结构由6个参数相同的矩形慢波叶片排列组成，每两个矩形慢波叶片之间均由一个圆环连接。2.根据权利要求1所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述阴极是一个薄壁圆筒，其壁厚为2mm，内半径r1等于电子束半径，所述阳极外筒是一个内半径为r2的金属壳体。3.根据权利要求2所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述截止颈呈圆盘状，内半径为r3，r3＞r1，长度为l2，截止颈与阴极之间的长度l1为阴阳极间距，l1大于2cm。4.根据权利要求3所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述谐振反射腔呈圆盘状，内半径r3和外半径r4满足r4＞r3，长度l3取值为工作波长λ的0.4-0.5倍。5.根据权利要求4所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：距离谐振反射腔长度为l4处为慢波结构，l4取值为工作波长λ的0.2-0.3倍。6.根据权利要求5所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：每两个梯形慢波叶片之间均是由长度均为l5，内半径均为r3的圆环连接，每个慢波叶片长度均为l5，半径均为r5。7.根据权利要求6所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述慢波结构后接半径为慢波结构内半径r3的输出波导。8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的实现s、c波段选择的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导均采用不锈钢制成，所述阴极采用石墨制成，所述螺线管磁场采用铜线绕制而成。

技术总结
本发明涉及一种实现S、C波段选择的切伦科夫振荡器，本发明包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的螺线管磁场，振荡器腔体包括依次设置的阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导；阳极外筒内设置有阴极，慢波结构由6个参数相同的矩形慢波叶片排列组成，每两个矩形慢波叶片之间均由一个圆环连接。本发明利用电子的回旋共振吸收原理，达到在同一器件上采用不同导引磁场强度时，器件输出不同频率微波的效果。实现仅须改变驱动外导引磁场的电流大小即能调节器件输出波段的功能。该器件原理清晰，结构简单、易于加工，兼顾创新性和使用性，是一种较好的多波段切伦科夫振荡器方案。案。案。


技术研发人员：黄超 朱磊 耿哲
受保护的技术使用者：四川航浩科技有限公司
技术研发日：2022.12.03
技术公布日：2023/3/7