一种适用于相对论高功率微波器件的分布式聚焦导引系统

本发明属于高功率微波领域的微波源器件，具体涉及一种适用于相对论高功率微波器件的分布式聚焦导引系统。

背景技术：

1、高功率微波源是利用强流相对论带电粒子束与器件内部腔体的谐振模式互作用来产生高功率微波的，所以除了对内部腔体合理设计外，带电粒子束的传输质量也需要不断提高，以达到更高的转换效率。一般情况，在带电粒子束的传输过程中，影响其运动状态的因素主要是二极管同轴区间的电场和外加导引磁场，带电粒子束在无外加导引磁场的传统二极管下发射传输，在阴阳极间径向电场的作用下会很快发散，所以带电粒子束需要磁场引导保证其在器件内部的传输。目前，用来提供导引磁场的磁体主要是螺线管线圈磁体或永磁磁体，螺线管线圈磁体可以提供稳定的导引磁场，但螺线管线圈磁体除了线圈本身外还需要附属的电源以及散热设备，导致器件总体效率不理想，重量体积也较大，对器件的紧凑小型化造成了很大的影响；使用永磁磁体的方式不需要供电及散热，总体能耗成本低，因此基于永磁磁体供磁的高功率微波器件得到了研究人员的重视。

2、目前，传统基于永磁磁体封装的高功率微波器件，所需的永磁系统重量体积也较为庞大，可达几百千克【l.li,j.cheng and w.qiuliang,"research on solenoidalpermanent magnet for guiding and focusing annular electron beams,"in ieeetransactions on plasma science,vol.49,no.7,pp.2093-2098,july 20.21,doi:10.1109/tps.2021.3082540.】，在很大程度上限制了永磁磁体封装高功率微波器件的实用化。在低磁场条件下，基于永磁磁体封装的器件得到了更实用的发展【he y,ling j,he j,et al.experimental research on a diode packaged with a compact andlightweight permanent magnet[j].physics of plasmas,2022,29(9):093108.】，该器件中带电粒子束不需要高磁场的强力约束，使用的永磁磁体体积可大幅减少，一定程度上实现了高功率微波器件的小型化。但整个永磁系统的重量仍然达到了几十或上百千克，导致器件很难再向进一步紧凑小型化的方向发展。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：

2、针对高功率微波器件中传统磁场导引系统使器件整体的体积增大、负载重量增加的问题，基于高功率微波器件进一步紧凑轻小型化的要求，本发明提出一种适用于相对论高功率微波器件的分布式聚焦导引系统，在使相对论电子束保持稳定传输的基础上改进整个聚焦系统，通过阴极聚焦结构以及改变各磁体的分布，使所需的整个聚焦系统在不会给整体高功率微波器件带来附加体积的情况下重量降至20kg以下。

3、为达上述目的，本发明的技术方案为：一种适用于相对论高功率微波器件的分布式聚焦导引系统，包括二极管区域的阴极聚焦结构1、外筒前端磁钢2、外筒后端磁钢3、内筒前端磁钢4、内筒后端磁钢5；

4、阴极聚焦结构1位于阴极杆10的末端，为横截面为矩形、一端开槽的圆环，开槽的一侧正对着内外筒之间的束流传输区域。阴极聚焦结构1整体高度为r1，实心部分宽为h1。阴极聚焦结构内部开槽部分分为两段，第一段开有横截面为等腰梯形的槽，该槽上底直径为r2、下底直径为r3、高为h2，第二段开有横截面为矩形的槽，该槽长为r3、宽为h3。满足：1mm≤r1-r3<r1-r2≤6mm，h1≥1mm,h2≥0,h3≥0,且h2与h3不允许同时为0，r2等于阴极杆10的厚度。

5、外筒前端磁钢2为横截面为矩形的圆环，该圆环外径为r4、内径为r5、宽为h4、磁化方向为+r方向；外筒后端磁钢3为横截面为矩形的圆环，该圆环外径为r6、内径为r7、宽为h5、磁化方向为-r方向；内筒前端磁钢4为横截面为矩形的圆环，该圆环外径为r8、内径为r9、宽为h6、磁化方向为-r方向；内筒后端磁钢5为横截面为矩形的圆环，该圆环外径为r10、内径为r11、宽为h7、磁化方向为+r方向；满足：5mm≤r4-r5≤25mm、5mm≤r6-r7≤25mm、5mm≤r8-r9≤25mm、5mm≤r10-r11≤25mm；5mm≤h4≤30mm、5mm≤h5≤30mm、5mm≤h6≤30mm、5mm≤h7≤30mm。

6、进一步地，外筒前端磁钢2的磁化方向为-r方向；外筒后端磁钢3的磁化方向为+r方向；内筒前端磁钢4的磁化方向为+r方向；内筒后端磁钢5的磁化方向为-r方向。

7、进一步的，所述外筒前端磁钢2、外筒后端磁钢3、内筒前端磁钢4、内筒后端磁钢5为钕铁硼永磁体。

8、进一步地，还可以具有外筒前端软磁6、外筒后端软磁7、内筒前端软磁8、内筒后端软磁9，其中，外筒前端软磁6为横截面为矩形的圆环，位于外筒前端磁钢2外侧，该圆环外径为r12、内径为r4、宽为h8；外筒后端软磁7为横截面为矩形的圆环，位于外筒后端磁钢3外侧，该圆环外径为r13、内径为r6、宽为h9；内筒前端软磁8为横截面为矩形的圆环，位于内筒前端磁钢4内侧，该圆环外径为r9、内径为r14、宽为h10；内筒后端软磁9为横截面为矩形的圆环，位于内筒后端磁钢5内侧，该圆环外径为r11、内径为r15、宽为h11。满足：1mm≤r12-r4≤10mm、1mm≤r13-r6≤10mm、1mm≤r9-r14≤10mm、1mm≤r11-r15≤10mm；5mm<h8≤40mm、5mm<h9≤40mm、5mm<h10≤40mm、5mm<h11≤40mm；在加载软磁后，磁力线向软磁聚集，可以改善电子束传输区域的磁场。

9、进一步的，所述外筒前端软磁6可通过轴向移动调节与外筒前端磁钢2的接触面长度h12，外筒后端软磁7可通过轴向移动调节与外筒后端磁钢3的接触面长度h13，内筒前端软磁8可通过轴向移动调节与内筒前端磁钢4的接触面长度h14，内筒后端软磁9可通过轴向移动调节与内筒后端磁钢5的接触面长度h15，以达调节磁场的目的。满足：0<h12≤h4、0<h13≤h5、0<h14≤h6、0<h15≤h7。

10、进一步的，以上所述外筒前端软磁6、外筒后端软磁7、内筒前端软磁8、内筒后端软磁9为软磁材料钴钒铁。

11、进一步的，还具有第一聚焦箔片对11和第二聚焦箔片对12，第一聚焦箔片对11有两片，第一片紧贴外筒内壁，第二片紧贴内筒外壁与第一片相对的位置，第二聚焦箔片对12有两片，第一片紧贴外筒内壁，第二片紧贴内筒外壁与第一片相对的位置；第一聚焦箔片对11、第二聚焦箔片对12放置在电子束传输区域中间位置，用来产生镜像电荷来束缚带电粒子束的径向扩散。其中每个聚焦箔片宽选取在0.5mm-4mm内、厚度选取在1mm-6mm内。

12、进一步的，所述第一聚焦箔片对11和第二聚焦箔片对12的材质选择不锈钢。

13、相对于现有技术，本发明的有益效果为：

14、1.本发明提出的一种适用于相对论高功率微波器件的分布式聚焦系统，利用阴极聚焦结构、磁体及聚焦箔片对三者作用于相对论电子束的不同传输位置，避免了使用传统永磁聚焦系统造成的器件整体体积增加，重量过大的情况。

15、2.本发明提出的阴极聚焦结构，横截面在二极管阴极末端呈现前斜后平的形式，其形成的电场对阴极发射出的电子束具有强聚焦作用，在此电场的作用下，电子束以强聚焦的形态稳定穿过阴阳极间进入束流传输区域中，改善了电子束发射过程中造成的束流损失，提高了高功率微波源的效率。

16、3.本发明中提出的磁体结构分布于内外筒内部，不会使器件增加额外的体积，相对于传统外加磁体，此结构距离强流束传输区域较近，仅使用小半径内磁体就能达到传统大半径磁体在束流传输区域形成的导引磁场效果，并有效约束电子束的稳定传输。