局部非均匀磁场工作的速调型相对论返波管

技术领域

本发明属于微波激射器领域，特别是涉及一种局部非均匀磁场工作的速调型相对论返波管。

背景技术

相对论返波管是当前最有潜力的HPM(high power microwave---高功率微波)器件之一，具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率脉冲工作等特点，是国内外HPM器件研究的重点。

2009年，提出了一种结合渡越辐射和切伦科夫辐射的速调型相对论返波管，详见文献《Efficiency enhancement of a high power microwave generator based on arelativistic backward wave oscillator with a resonant reflector[J],RenzhenXiao,Changhua Chen,Xiaowei Zhang,and Jun Sun,Journal of Applied Physics,105,053306,2009》，其具有更高的束波转换效率和输出功率，近年来得到了长足的发展。

现有的一种速调型相对论返波管如图1所示，其结构包括返波管管体11、环形阴极1、第一个预调制腔2、第二个预调制腔3、谐振反射器4、第一段慢波结构5、调制腔6、第二段慢波结构7、提取腔8、同轴收集极9、电子束10和磁场线圈12。

环形阴极1位于返波管管体11前部，在高压脉冲作用下向管内发射环形相对论电子束10；第一个预调制腔2、第二个预调制腔3、谐振反射器4、第一段慢波结构5、调制腔6、第二段慢波结构7、提取腔8和同轴收集极9依次置于管体内，与环形阴极1相隔一定距离；磁场线圈12安装在返波管管体11外围。

工作时，环形阴极1在高压脉冲作用下向管内发射环形相对论电子束10，在磁场线圈12产生的近似均匀磁场的引导下，经过第一个预调制腔2和第二个预调制腔3，电子束10获得一定的预调制；经过谐振反射器4和第一段慢波结构5，与电磁波产生初步相互作用，调制进一步加深；随后，电子束10经过调制腔6，群聚效果不受影响，但电子束10的速度分散减小，这利于电子束与后续结构中电磁波的相互作用；接下来，电子束10进入第二段慢波结构7以及提取腔8，电子束10的能量转化为微波能量，作用后的电子束10稍经扩展后被同轴收集极9吸收。产生的部分微波向环形阴极1端传输，被谐振反射器4、第二个预调制腔3和第一个预调制腔2反射，重新经过第一段慢波结构5、调制腔6、第二段慢波结构7以及提取腔8后输出。

利用上述返波管，在二极管电压740kV，电流8.8kA时，可产生3.6GW的微波功率，微波频率为4.22GHz，束波转换效率55％。其中磁场线圈产生的磁场如图2所示，为近似均匀分布，可由以下函数进行描述：

式中B为磁感应强度，z_a和z_b为轴向位置常数。具体地，B＝2.3T,z_a＝2.0cm,z_b＝56.7cm。

如果使电子束10收集的位置向提取腔8移动，可以使束波转换效率增加，但这样会导致收集极产生的等离子体迅速扩散到整个提取腔，从而引起严重的功率降低和脉冲缩短。因此，实验中通常要求电子束收集位置与提取腔相距大于1.5cm，但是这样一来就限制了实验中束波转换效率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种局部非均匀磁场工作的速调型相对论返波管，在保证电子束收集位置与提取腔存在一定间距的同时还可以提高其束波转换效率。

为实现上述目的，本发明的局部非均匀磁场工作的速调型相对论返波管包括返波管管体、环形阴极、第一个预调制腔、第二个预调制腔、谐振反射器、第一段慢波结构、调制腔、第二段慢波结构、提取腔、同轴收集极、电子束以及磁场线圈；所述环形阴极位于返波管管体前部，在高压脉冲作用下向管内发射环形相对论电子束；所述第一个预调制腔、第二个预调制腔、谐振反射器、第一段慢波结构、调制腔、第二段慢波结构、提取腔和同轴收集极依次置于返波管管体内；

其改进之处是：

所述磁场线圈为组合式，包括第一线圈和第二线圈，两者相互之间具有间隙L，且均位于返波管管体的外围；第一线圈和第二线圈之间设置有宽度为L1的软磁材料环；第一线圈、第二线圈、软磁材料环三者共同作用产生局部非均匀磁场；在局部非均匀磁场的作用下使得电子束在第二段慢波结构后段以及提取腔前段之间形成扩展段，在提取腔后段开始向下收缩形成收缩段，最终被同轴收集极收集；其中，软磁材料环的材质为铁氧体，其铁的纯度大于99.8％。

L1＜L＜扩展段轴向长度+收缩段轴向长度，优选地：L的取值范围是0.5cm<L<5cm，L1的取值范围0.2cm<L1<L。

进一步地，局部非均匀磁场由以下组合函数进行描述：

式中B₁,z_a1,z_b1为第一线圈的磁感应强度和轴向位置常数，B₂,z_a2,z_b2为第二线圈的磁感应强度和轴向位置常数。

优选地：

B₁＝2.3T,z_a1＝1.05cm,z_b1＝50.2cm,B₂＝2.3T,z_a2＝1.2cm,z_b2＝51.1cm。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用两个具有间隙的线圈构成磁场线圈，结合软磁材料环，从而产生局部非均匀磁场，电子束在第二段慢波结构后段开始向上扩展，到提取腔处电子束半径扩展到最大位置，增加了可用于能量交换的电子束动能，并且在半径增大的过程中，与不断增强的轴向电场相互作用，可产生更高的输出微波功率。

2、本发明采用两个具有间隙的线圈构成磁场线圈，结合软磁材料环，从而产生局部非均匀磁场，电子束在提取腔后段开始向下收缩，在同轴收集极内收集，电子束收集处磁场较均匀，增大了电子收集面积，降低了收集极上的能量沉积密度，有利于减弱收集极等离子体的产生。

附图说明

图1现有技术的速调型相对论返波管结构示意图；

图2现有技术采用的磁感应强度分布；

图3本发明局部非均匀磁场工作的速调型相对论返波管结构示意图；

图4本发明采用的磁感应强度分布；

图5本发明与现有技术的电子束功率分布比较；

图6本发明不同半径下的轴向电场分布；

图7本发明与现有技术输出微波功率比较。

附图标记如下：

1-环形阴极、2-第一个预调制腔、3-第二个预调制腔、4-谐振反射器、5-第一段慢波结构、6-调制腔、7-第二段慢波结构、8-提取腔、9-同轴收集极、10-电子束、101-扩展段、102-收缩段、11-返波管管体、12-磁场线圈、121-第一线圈、122-第二线圈、123-软磁材料环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明局部非均匀磁场工作的速调型相对论返波管做详细描述。

图3给出了本发明的一个实施例示意图。它包括环形阴极1、第一个预调制腔2、第二个预调制腔3、谐振反射器4、第一段慢波结构5、调制腔6、第二段慢波结构7、提取腔8、同轴收集极9、电子束10和磁场线圈12。

其中，所述磁场线圈是组合式，包括第一线圈121和第二线圈122，两者相互之间具有间隙L，且均位于返波管管体11的外围；第一线圈121和第二线圈122之间设置有宽度为L1的软磁材料环123(软磁材料环的材质可为铁氧体，最常用的为电工纯铁，其铁的纯度大于99.8％)；第一线圈121、第二线圈122、软磁材料环123三者共同用于产生局部非均匀磁场；在局部非均匀磁场的作用下使得电子束10在第二段慢波结构7后段以及提取腔8前段之间形成扩展段101，在提取腔8后段开始向下收缩形成收缩段102，最终被同轴收集极9收集；

L1＜L＜扩展段101轴向长度+收缩段102轴向长度。其中，L的取值范围是0.5cm<L<5cm，L1的取值范围0.2cm<L1<L。

局部非均匀磁场由以下组合函数进行描述：

式中B₁,z_a1,z_b1为第一线圈的磁感应强度和轴向位置常数，B₂,z_a2,z_b2为第二线圈的磁感应强度和轴向位置常数。

工作时，电子束10在磁场线圈12产生的磁场(图4)引导下，经过第一个预调制腔2和第二个预调制腔3，电子束10获得一定的预调制。经过谐振反射器4和第一段慢波结构5，与电磁波产生初步相互作用，调制进一步加深。随后，电子束10经过调制腔6，速度分散减小，进入第二段慢波结构7，在接近提取腔8时，电子束半径向上扩展，在提取腔8中部扩展到最大。电子束半径的扩展使得电子束势能减小，因而可以转换为微波能量的动能增加(图5)。同时，电子束在扩张过程中，与更强的轴向电场相互作用(图6)，因而产生更高的微波功率(图7)。电子束在提取腔后段开始向下收缩，在同轴收集极内收集，收集位置处磁场较均匀，因而电子束收集面积增加，这降低了收集极的能量沉积密度。

上述实施方式的一个具体实施例，当二极管电压740kV，电流8.8kA，组合磁场参数为：

B₁＝2.3T,z_a1＝1.05cm,z_b1＝50.2cm,B₂＝2.3T,z_a2＝1.2cm,z_b2＝51.1cm时，产生微波功率4.2GW，频率4.22GHz，束波转换效率65％。与现有技术相比，束波转换效率提高了10％，收集极能量沉积密度降低了40％。