一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件

本发明涉及高功率微波的微波源器件，尤其是一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件，属于高功率微波。

背景技术：

1、高功率微波通常定义为峰值功率超过100mw、频率在1ghz～300ghz的电磁波。伴随着脉冲功率技术、等离子体物理学及电真空技术的发展，高功率微波技术是一个随之兴起的研究领域，在等离子体加热、高功率雷达以及粒子加速等前沿领域有着广阔的应用前景。

2、高功率微波源是指高功率微波系统中将强流相对论电子束能量转换为微波能量，即产生高功率微波的器件。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。它利用强流相对论电子束与高频电磁结构的本征模相互作用，产生切伦科夫辐射，进而自激振荡产生高功率微波，当慢波结构中的电磁波是返波时，该类相对论切伦科夫振荡器被称为相对论返波振荡器。目前，实现相对论切伦科夫振荡器的高束波转换效率是研究领域内的重要发展方向，高束波转换效率才能进一步实现高功率微波源的小型化和紧凑化。

3、高效率的相对论切伦科夫振荡器研究方面，主要有以下相关工作：

4、2010年，国防科学技术大学张军等人研究了一种c波段谐振式相对论返波振荡器【张军,靳振兴,钟辉煌,等.c波段谐振式相对论返波振荡器设计及其高频特性[j].强激光与粒子束,2010,22(10).】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。该结构由环形阴极、阳极、截止颈、插入波导、慢波结构、反射器、锥波导和收集极组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过在慢波结构和截止颈之间增加一段光滑波导，以此来调节-1次返波和前向基波之间的相位差，不同的相位差会影响束波相互作用的效果。在导引磁场2.5t，二极管电压780kv、电流7.8ka的条件下，输出功率为1.5gw的c波段微波，转换效率仅为25％。该方案工作电压和工作电流较大，慢波结构叶片较少导致转换效率不高，还需要进一步提高。

5、2021年，西北核技术研究所曹亦兵等人研究了一种高效率、长脉冲相对论返波管振荡器【cao yibing,sun jun,song zhimin,et al.studies of a high-efficiency,long-pulse relativistic backward wave oscillator[j].physics of plasmas,2021,28(2):023113.】。(下文简称为现有技术2，如图2所示)。该结构由阴极、谐振反射腔、慢波结构1、慢波结构2、提取腔、同轴收集极组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过使用分段慢波结构，慢波结构1对电子束进行充分的速度调制，使得在慢波结构2中电子束和结构波的空间同步加强，从而使得转换效率得到提高。在二极管电压800kv、电流9.7ka、导引磁场2.2t的条件下，输出功率3.7gw，转换效率47％，相较于未使用分段慢波结构的相对论返波管振荡器效率提升7％。该方案转换效率较高，但其工作电压和工作电流仍较大。需要进一步减小工作电压和工作电流。

6、分析上述研究现状不难看出，相对论切伦科夫振荡器研究已经取得了40％以上的转换效率，但大部分技术方案均在高电压和大电流的条件下获得高效率，且转换效率很难突破50％。

7、因此，亟需研究一种能工作在低电压低电流的条件下，高转换效率的相对论切伦科夫微波产生器件，其技术方案尚未有公开报道。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件，采用非均匀化、加载矩形脊的慢波结构来加强束波相互作用，采用后置反射腔反射部分微波回到慢波结构，进一步加强电场和电子束调制，进而提高微波转换效率。本发明可以克服通常相对论切伦科夫振荡器转换效率难以突破50％的困难，具有起振时间快、转换效率高等优点。

2、本发明的技术方案是：

3、一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、前置双间隙调制腔305、慢波结构306、梯形收集极307、收集极挡板308、后置反射腔309、输出波导310、螺线管磁场311；整个结构关于中心轴线旋转对称；

4、阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为2mm，半径为r1，套在阴极座301右端；阳极外筒303的内表面具有不规则波纹，构成了高频结构；截止颈304呈圆盘状，半径为r2，满足r2>r1，宽l1，l1根据工作波长λ设计；前置双间隙调制腔305由两个谐振腔级联构成，第一个谐振腔外半径为r3，内半径为r4，满足r3>r4>r2，宽l2，l2一般取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，两个谐振腔之间由半径为r4，宽l3的圆盘连接，l3一般取值为工作波长λ的0.1-0.2倍，第二个谐振腔外半径为r5，内半径为r4，满足r3>r5，宽l4，l4一般取值为工作波长λ的0.4-0.5倍，l2、l3、l4满足l4>l2>l3，前置双间隙调制腔的所有参数均需要根据工作波长λ进行整体优化，使得产生的微波不能反向传输到阴极区域；慢波结构306与前置双间隙调制腔305之间由一个半径为r2，宽l5的圆盘连接，l5一般取值为工作波长λ的0.3-0.4倍；慢波结构306由6个梯形叶片构成，第一个慢波叶片为直角梯形，外半径为r6，内半径为r2，上底边长度l6，斜边投影的长度为l22；第一个慢波叶片和第二个慢波叶片之间由半径为r2，宽l7的圆盘连接，l7一般取值为5mm-15mm；第二个慢波叶片为等腰梯形，外半径为r7，满足r7>r6，内半径为r2，上底边长度l8，满足l8>l6，两斜边投影的长度均为l23，满足l23>l22；第二个慢波叶片和第三个慢波叶片之间由半径为r2，宽l9的圆盘连接，l9一般取值为1mm-10mm；第三个梯形慢波叶片外半径为r8，满足r6>r8，内半径为r2，上底边长度为l10，满足l8>l10，长斜边投影的长度为l24，短斜边投影长度的为l25，满足l24>l23>l25；第三个慢波叶片和第四个慢波叶片之间由半径为r2，宽l11的圆盘连接，l11一般取值为1mm-10mm；第四个梯形慢波叶片外半径为r10，满足r10>r7，内半径为r2，上底边长度为l12，满足l10>l12，短斜边投影的长度为l26，长斜边投影的长度为l27，满足l27>l23>l26，在第四个慢波叶片的顶部挖出一个外半径为r9，内半径为r10，宽l12的圆环形空腔(称之为矩形脊)；第四个慢波叶片和第五个慢波叶片之间由半径为r2，宽l13的圆盘连接，l13一般取值为1mm-10mm；第五个梯形慢波叶片外半径为r10，内半径为r2，上底边长度为l14，满足l14>l12，长斜边投影的长度为l28，短斜边投影的长度为l29，满足l28>l29>l23，在第五个慢波叶片的顶部挖出一个外半径为r9，内半径为r10，宽l14的圆环形空腔(称之为矩形脊)；第五个慢波叶片和第六个慢波叶片之间由半径为r2，宽l15的圆盘连接，l15一般取值为1mm-10mm；第六个慢波叶片为直角梯形，外半径为r11，满足r10>r11，内半径为r2，上底边长度为l16，满足l16>l14，斜边投影的长度为l30，满足l23>l30；在第六个慢波叶片的顶部挖出一个外半径为r12，内半径为r11，宽l16的圆环形空腔(称之为矩形脊)，满足r9>r12；慢波结构306与梯形收集极307之间为一段外半径为r13，内半径为r15，宽l17的圆环形空腔，满足r2>r13>r15，l17需要根据电子束轰击位置和磁场位形综合设计，一般取值为工作波长λ的0.1-0.2倍；梯形收集极307是一个横截面为直角梯形的圆环形空腔，外半径为r14，满足r14>r13，内半径为r15，上底边长度为l19，斜边的投影长度为l18，l18和l19需要根据电子束轰击位置和磁场位形综合设计，l18一般取值均为工作波长λ的0.1-0.2倍，l19一般取值均为工作波长λ的0.8-0.9倍；收集极挡板308是一个内半径为r15、外半径为r16的圆环，可阻挡电子轰击收集极产生的等离子扩散到器件其他位置；梯形收集极307与后置反射腔309之间由半径为r16，宽l20的圆盘连接，l20需要后置反射腔的反射特性和工作波长λ综合设计，一般取值均为工作波长λ的0.2-0.3倍；后置反射腔309是一个内半径为r16，外半径为r17，满足r17>r14，宽l21的圆柱形空腔，l21需要工作波长λ综合设计，一般取值为工作波长λ的0.6-0.8倍；输出波导310为一个半径为r16的圆波导，长度为工作波长λ的3-5倍。

5、本发明的工作过程如下：脉冲功率驱动源产生的脉冲电压经阴极座301作用到阴极302上，阴极302的右端面基于爆炸发射产生强流相对论电子束，在螺线管磁场311的导引下向高频结构传输。电子束分别经过截止颈304、前置双间隙调制腔305、慢波结构306，最终轰击到梯形收集极307上。慢波结构加载了矩形脊之后，能激励起更强的电场，使得电子束受到的调制效果加强，将更多的能量交给射频场，从而振荡产生微波。产生的微波经后置反射腔309调制后最终通过输出波导310向外辐射。

6、与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

7、1、本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件在慢波结构加载矩形脊，加载矩形脊后的慢波结构半径更大，能有效地提高耦合阻抗；同时，腔内会激励起更强的驻波场，群聚后的电子束在经过时，会受到更强烈的调制，交出更多的能量给同步的射频场。提取效率的提高增大了输出微波的功率，从而提升转换效率。

8、2、本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件相较于相对论切伦科夫振荡器，在输出波导前端加入了后置反射腔。通过调节后置反射腔的反射特性，可以将特定频段的微波反射回到慢波结构区域，反射的微波会进一步调制电子束，加大调制深度，从而提高转换效率。

9、3、本发明提供的一种加载矩形脊的高效率相对论切伦科夫微波产生器件采用前置双间隙调制腔，前置双间隙调制腔可以在电子束进入慢波结构区域前有效调制电子束，使得电子束速度调制加深；同时在振荡起来的微波被反射反向传播时，能阻拦微波进入二极管区域，再将微波反射回慢波结构区域参与束波作用，从而提高转换效率。