專利名稱：緊湊型低頻段頻率可調相對論返波振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高功率微波技術領域的微波源器件，尤其是一種緊湊型、低頻段、頻率可調相對論返波振蕩器 RBWO (Relativistic Backward-ffave Oscillator)。
背景技術：
近年來，高功率微波(根據(jù)Benford和Swegle的約定，高功率微波指峰值功率大于100MW、頻率在1 300GHz之間的電磁波)在眾多領域中的誘人前景引起了許多國家的廣泛關注和大量研究投入，并已取得極大的技術進步。目前，已經提出的高功率微波應用多種多樣高功率微波定向能武器、衛(wèi)星和空間平臺供能、小型深空探測器的發(fā)射、軌道飛行器高度改變推進系統(tǒng)、電子高能射頻加速器、材料加工與處理等。然而，無論哪一種應用都需要不同頻段、較高功率的微波支持。作為高功率微波系統(tǒng)的核心器件，高功率微波源利用強流相對論電子束與器件內部腔體的諧振模式相互作用，進而輻射高功率微波。因此，研制頻率可調、高功率、高效率以及緊湊型高功率微波源是高功率微波技術發(fā)展的重要方向之
οRBWO是發(fā)展較成熟的振蕩器型的高功率微波源，具有結構簡單、效率高以及適合重復頻率工作等優(yōu)點，在工業(yè)和國防領域有著廣泛的應用前景。由于RBWO的工作頻段與器件的尺寸存在密切的關系，高頻段器件尺寸較小，而低頻段器件尺寸較大。此外，低頻段器件還需要配備體積較大的螺線管磁場對電子束進行約束，造成整個系統(tǒng)龐大，不利于加工和實驗。因此，RBWO在向低頻段(< 2GHz)拓展遇到了很大困難。然而，低頻段高功率微波具有以下優(yōu)點微波波長長，繞射能力強，因而容易穿越遮蔽物，與目標體直接發(fā)生相互作用；微波的自由空間傳輸損耗小，傳輸距離遠。因此，研究具有緊湊結構的低頻段RBWO具有重要的理論和現(xiàn)實意義。另外，構造方便可調的電動力學結構以實現(xiàn)輸出微波頻率可調， 具有重要的實際應用價值，是高功率微波的重要研究方向之一。目前，對RBWO的研究多集中在S、C、X和毫米波段，對P、L波段等低頻段在理論方面研究較少，實驗方面更是沒有報導。其中，研究L波段器件具有代表性的是采用同軸結構縮小器件的徑向尺寸牛洪昌，錢寶良.緊湊型L波段同軸相對論返波振蕩器的粒子模擬.強激光與粒子束，2006，Vol. 18, No. 11, pp. 1879-1882。這種器件由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結構、內導體、收集極、微波輸出口、螺線管磁場、吸波介質、支撐桿組成， 整個結構關于中心軸線旋轉對稱。雖然該論文公布了該結構的組成，但該結構只是初步建立的數(shù)值仿真模型，沒有具體技術方案，從論文的描述中只能簡要知道本結構的大致連接關系。為了敘述方便，下文中將沿軸線方向上靠近陰極座的一側稱為左端，遠離陰極座的一側稱為右端。陰極座左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導體。 陰極是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0. Imm,內半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內半徑為&，R2 >禮。慢波結構由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是正弦結構，最大外半徑R4和最小內半徑&滿足R4 > & > &。慢波葉片的長度L1為工作波長λ的二分之一。截止頸和慢波結構從陽極外筒的右側沿軸向依次嵌入陽極外筒并固定。內導體是一個半徑為民的圓柱體，R3 <禮。收集極是一個半徑為&的圓柱體，收集極左端面距離慢波結構右側末端的距離為L2。內導體和收集極由一排環(huán)形支撐桿支撐并從陽極外筒的右端沿軸向嵌入陽極外筒內固定。收集極與陽極外筒之間的圓環(huán)空間為微波輸出口。螺線管磁場為仿真計算中設置的理想模型，通過設置電流大小和繞線匝數(shù)確定磁場大小。吸波介質為仿真計算中設置的理想吸波介質，通過設置介電常數(shù)和長度實現(xiàn)對輸出微波的匹配吸收。在L波段同軸RBWO運行時，陰極產生的相對論電子束與由慢波結構和內導體決定的最低階模式(TEM模式)的電磁波進行束波相互作用，產生的高功率微波從微波輸出口輸出。由于慢波結構和內導體組成的區(qū)域內的TEM模式的截止頻率為0，即對TEM模式不截止，故慢波葉片外半徑R4、內半徑&和內導體半徑民只需滿足R4 >R5> &，就可產生低頻段高功率微波。此方案中，慢波葉片的最大外半徑R4可以取值較小，這對于縮小RBWO的徑向尺寸有重要借鑒意義。但是，該RBWO的收集極左端距離慢波結構末端的距離L2只有2cm，電子直接轟擊收集極左端面容易產生二次電子發(fā)射，影響微波的提取。此外，正弦結構的慢波葉片，其耦合阻抗較小，不利于提高器件的束波作用效率，并且加工難度大，不利于工程實現(xiàn)。此外，該 L波段同軸RBWO不具有頻率可調節(jié)性，限制了其在高功率微波領域的應用范圍。研究頻率可調RBWO具有代表性的是俄羅斯大電流所設計的器件Evgeny Μ. Tot' meninov, Alexey I. Klimov, Ivan K. Kurkan, Sergei D.Polevin, and Vladislav V. Rostov. Repetitively Pulsed Relativistic BffO With Enhanced Mechanical Frequency Tunability. IEEETransactions on Plasma Science,2008, Vol. 36, No. 5, PP. 2609-2612]o該結構由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、前置反射腔、漂移段、慢波結構、 微波輸出口、螺線管磁場組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。其中，陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、前置反射腔、漂移段、慢波結構均為不銹鋼材料，螺線管磁場采用漆包銅線繞制而成。陰極座與脈沖功率源的內導體相連，陽極外筒與脈沖功率源的外導體相連。陰極是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0. Imm,內半徑隊等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內半徑為&，& >隊。前置反射腔呈圓盤狀，內半徑&和外半徑R7滿足R7 > R20 漂移段也呈圓盤狀，內半徑為R2,長度為L3。慢波結構由八個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構，左側三個慢波葉片完全相同，最大外半徑為&，最小內半徑為& ； 右側五個慢波葉片完全相同，最大外半徑為R8,最小內半徑為R9，滿足& > R4, R9 > &。八個慢波葉片的長度L1相同，約為工作波長λ的二分之一。截止頸、前置反射腔、漂移段和慢波結構從陽極外筒的右側沿軸向依次嵌入陽極外筒并固定。慢波結構右端與陽極外筒之間的圓環(huán)空間為微波輸出口。螺線管磁場為利用漆包線銅繞制而成的螺線管磁場，通過改變通電電流幅值確定磁場大小。在該頻率可調RBWO運行時，通過調節(jié)漂移段的長度L3可以調節(jié)器件輸出微波的頻率，大大拓展了其在高功率微波領域的應用范圍。這對于研制頻率可調RBWO有重要借鑒
眉、ο但是，利用該結構設計出的低頻RBWO的體積較大。陰極產生的相對論電子束與慢波結構決定的最低階模式(TMtll模式)的電磁波進行束波相互作用，要產生低頻高功率微波，慢波葉片內半徑&需要滿足R5 > λε/2. 61(1)式中，λ。為臨界波長。這意味著，要產生2GHz的低頻段高功率微波，RBWO慢波葉片的內半徑&至少要大于 5. 7cm。此外，該器件中慢波結構有八個慢波葉片組成，若應用在頻率在2GHz以下的低頻段，需要慢波結構軸向長度至少約為8倍的二分之一波長λ (超過60cm)，大大增加了 RBWO 的軸向長度。RBWO體積和重量的增加使螺線管磁場的體積和重量相應增加，給加工和實驗帶來較大困難。故該技術方案不利于實現(xiàn)低頻段RBWO的緊湊化。因此，盡管人們已經開始研究低頻段緊湊型RBW0，但很少見到成熟且簡單易行的方案。尤其是實現(xiàn)低頻段RBWO的頻率可調的技術方案尚未有公開報導。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服通常低頻段RBWO尺寸較大、輸出微波頻率不易調節(jié)等不足，設計一個低頻段、頻率可調的RBW0，且該微波源結構緊湊、功率轉換效率較高。本發(fā)明的技術方案是本發(fā)明由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結構、內導體、收集極、微波輸出口、螺線管磁場、支撐桿、模式轉換器、輻射口和密封板組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。其中，陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結構、內導體、收集極、 微波輸出口、支撐桿均為不銹鋼材料，螺線管磁場采用漆包銅線，模式轉換器、輻射口為鋁材料，密封板為聚四氟乙烯材料。陰極座左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導體。 陰極采用與背景技術牛洪昌公布的緊湊型L波段同軸相對論返波振蕩器中一樣的陰極，呈薄壁圓筒狀，壁厚僅為0. Imm,內半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內半徑為&，R2 >禮。慢波結構由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構，梯形結構的最大外半徑R4與最小內半徑&滿足R4 > & > &，梯形結構的長度L1 約為工作波長λ的二分之一。慢波葉片之間通過螺紋旋緊。截止頸和慢波結構從陽極外筒的右側，沿軸向、緊貼陽極外筒的內壁，依次嵌入陽極外筒并固定。內導體是一個半徑為民的圓柱體，通過右端的外螺紋與收集極相連。內導體半徑 R3的變化對工作頻率會產生影響，通過調節(jié)半徑民，可以調節(jié)輸出微波的頻率。收集極為圓筒狀，在左端面挖有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的內半徑Rltl和外半徑R11根據(jù)陰極的內半徑R1來選取，滿足R11 >I^>R1(I，環(huán)形凹槽的長度L4約為工作波長λ的三分之一。同時在左端面的中心部分車出外半徑為民的內螺紋，與內導體右端的的外螺紋相連。收集極右端是外半徑為&的圓筒，且?guī)嚷菁y，與模式轉換器的左端面相連。模式轉換器左端為圓筒狀，左端開口且?guī)饴菁y，右端為錐形結構(錐形角度90° < Q1SlSiT，90° < θ2< 180° )。 內導體右端的外螺紋旋入收集極左端面的內螺紋處，模式轉換器左端的外螺紋旋入收集極右端的內螺紋處。支撐桿共有兩排，第一排支撐桿放在距離收集極左端面為L5的位置，L5 >L4。第二排支撐桿與第一排支撐桿之間的距離L6約為工作波長λ的四分之一。采用兩排支撐桿既增強了支撐強度，又可以消除輸出口對微波的反射。內導體、收集極、模式轉換器由兩排支撐桿支撐，從陽極外筒的右端沿軸向嵌入陽極外筒內。其中，內導體右端通過外螺紋與收集極相連，左端沿軸向插入慢波結構中央，且與慢波結構同軸，內導體的左端面與截止頸的右端面平齊；收集極插入陽極外筒中央且與陽極外筒同軸；第一排支撐桿固定在距離收集極左端面為L5的陽極外筒的內壁上。輻射口為圓筒狀，左端為錐形結構(錐形角度0° < θ3<90° )，錐形結構的起始位置與模式轉換器的起始位置平齊。錐形結構左端留有外螺紋，與陽極外筒的右側通過螺紋擰緊。輻射口的右端為圓筒狀，圓筒內半徑為R12，R12 > &，圓筒壁有一定厚度，使得輻射口的右端面是一個環(huán)形，輻射口的右端面挖有一個環(huán)形的密封槽。密封板是一個圓盤，利用抽真空時輻射口內外的壓力差通過密封槽壓在輻射口上。密封板起保持RBWO內部真空環(huán)境的效果。緊湊型低頻段頻率可調RBWO運行時，陰極產生的相對論電子束與由慢波結構和內導體決定的最低階模式(TEM模式)的電磁波進行束波相互作用，產生的高功率微波經模式轉換器轉換成容易輻射的TMtll模式的高功率微波，并且改變內導體的半徑民可調節(jié)輸出微波的工作頻率。與現(xiàn)有技術相比，采用本發(fā)明可達到以下技術效果(1)利用慢波結構和內導體組成的區(qū)域內TEM模式的截止頻率為0(根據(jù)同軸波導理論)，即對TEM模式不截止，慢波葉片外半徑R4可以取值較小，進而縮小慢波結構的徑向尺寸，設計出工作在最低階模式的緊湊型L波段RBWO ；(2)僅通過改變內導體半徑民就能改變RBWO的工作頻率，使緊湊型L波段RBWO 具有工作頻率方便可調的特性，拓寬了其應用領域；(3)收集極左端留有凹槽結構，能夠增加器件末端反射，在梯形慢波結構慢波葉片個數(shù)較少(5個)的情況下激勵起高效的單頻振蕩，縮短RBWO軸向長度和提高器件效率；凹槽結構內壁吸收殘余電子，減少了電子束直接轟擊收集極表面產生的二次電子，削弱了二次電子對器件工作過程的影響，有利于實現(xiàn)微波的長脈沖輸出；(4)設計了模式轉換器結構，使RBWO產生的TEM模式的高功率微波轉換成容易輻射的TMtll模式的高功率微波；(5)利用兩排支撐桿，既增強了支撐強度，又容易消除輸出口對微波的反射。


圖1為背景技術牛洪昌，錢寶良.緊湊型L波段同軸相對論返波振蕩器的粒子模擬.強激光與粒子束，2006，Vol. 18, No. 11, pp. 1879-1882中公布的L波段同軸RBWO的結構示意圖；圖 2 ^Iflii^ltEvgeny Μ. Tot' meninov, Alexey I.Klimov, Ivan K. Kurkan, Sergei D.Polevin, and Vladislav V. Rostov. Repetitively Pulsed Relativistic BffO With EnhancedMechanical Frequency TunabiIity. IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, Vol. 36，No. 5，pp. 2609-2612]中公布的頻率可調 RBffO 結構示意圖；圖3為本發(fā)明中的緊湊型低頻段頻率可調RBWO的A-A剖視圖；圖4為本發(fā)明中的緊湊型低頻段頻率可調RBWO的整體結構圖。
具體實施例方式圖1為背景技術牛洪昌，錢寶良.緊湊型L波段同軸相對論返波振蕩器的粒子模擬.強激光與粒子束，2006，Vol. 18, No. 11, pp. 1879-1882中公布的L波段同軸RBWO的結構示意圖。為了敘述的方便，將沿軸線方向上靠近陰極座的一側稱為左端，遠離陰極座的一側稱為右端。該結構由陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、慢波結構5、內導體6、收集極7、微波輸出口 8、螺線管磁場9、吸波介質10、支撐桿11組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。雖然該論文公布了該結構的組成，但該結構只是初步建立的數(shù)值仿真模型，沒有具體技術方案，下面只是簡要介紹本結構的大致連接關系。陰極座1左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒3左端外接脈沖功率源的外導體。陰極2是一個薄壁圓筒，圓筒壁的厚度僅為0. Imm,內半徑隊等于電子束的半徑，套在陰極座1右端。截止頸4呈圓盤狀，內半徑為R2, R2 >隊。慢波結構5由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是正弦結構，最大外半徑R4和最小內半徑&滿足R4 > & > &。慢波葉片的長度L1為工作波長λ的二分之一左右。截止頸4和慢波結構5從陽極外筒3的右側沿軸向依次嵌入陽極外筒3并固定。 內導體6是一個半徑為民的圓柱體，民 < 禮。收集極7是一個半徑為&的圓柱體，收集極 7左端面距離慢波結構右側末端的距離為L2。支撐桿11是環(huán)形結構，外半徑等于慢波葉片最大外半徑R4，內半徑等于收集極7的半徑&。內導體6和收集極7由支撐桿11支撐并從陽極外筒3的右端沿軸向嵌入陽極外筒3內固定。收集極7與陽極外筒3之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 8。螺線管磁場9為仿真計算中設置的理想模型，通過設置電流大小和繞線匝數(shù)確定磁場大小。吸波介質10為仿真計算中設置的理想匹配負載，通過設置介電常數(shù)和長度實現(xiàn)對輸出微波的匹配吸收。在RBWO運行時，陰極2產生的相對論電子束與慢波結構 5和內導體6決定的最低階模式(TEM模式)的電磁波進行束波相互作用，產生的高功率微波從微波輸出口 8輸出。由于慢波結構5和內導體6組成的區(qū)域內電場的最低階模式的截止頻率為0，即對最低階模式不截止，慢波葉片內半徑&和內導體6半徑民只需滿足& > R3，就可產生低頻段高功率微波。該方案對慢波葉片外半徑R4的大小沒有限制，這對于縮小 RBffO的徑向尺寸有重要借鑒意義。但是，實際RBWO工作中，收集極7左端面距離慢波結構右側末端的距離L2只有2cm，電子直接轟擊收集極7左端面容易產生二次電子發(fā)射，影響微波的提取。此外，慢波結構5有五個正弦形狀慢波葉片，其耦合阻抗較小，不利于提高器件的束波作用效率，并且加工難度大，不利于工程實現(xiàn)。此外，這種L波段同軸RBWO不具有頻率可調節(jié)性。圖 2 ^Iflii^ltEvgeny Μ. Tot' meninov, Alexey I.Klimov, Ivan K. Kurkan, Sergei D.Polevin, and Vladislav V. Rostov. Repetitively Pulsed Relativistic BffO With EnhancedMechanical Frequency TunabiIity. IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, Vol. 36，No. 5，pp. 2609-2612]中公布的頻率機械可調RBffO頻率結構示意圖。該結構由陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、前置反射腔12、漂移段13、慢波結構 5、微波輸出口 8、螺線管磁場9組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。其中，陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、前置反射腔12、漂移段13、慢波結構5均為不銹鋼材料，螺線管磁場9采用漆包銅線繞制而成。陰極座1左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒3左端外接脈沖功率源的外導體。陰極2是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0. 1mm，內半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座1右端。截止頸4呈圓盤狀，內半徑為I^l〉!^。前置反射腔12呈圓盤狀，內半徑等于截止頸4內半徑&，外半徑R7滿足R7 > &。漂移段13也呈圓盤狀，內半徑等于截止頸4內半徑&，長度為L3。慢波結構5由八個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構，左側三個慢波葉片完全相同，右側五個慢波葉片完全相同，左側慢波葉片的最大外半徑R4、最小內半徑&與右側慢波葉片的最大外半徑&、最小內半徑&滿足& >R4，&>! 5。八個慢波葉片的長度相同，均為L1，為工作波長λ的二分之一左右。截止頸4、前置反射腔12、漂移段13和慢波結構5從陽極外筒3的右側沿軸向依次嵌入陽極外筒3并固定。慢波結構5右端與陽極外筒3之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 8。螺線管磁場 9為利用漆包線繞制而成的螺線管磁場，通過改變通電電流確定磁場大小。在該RBWO運行中，陰極2產生的相對論電子束與慢波結構5決定的最低階模式(TMtll模式)的電磁波進行束波相互作用，產生的高功率微波從微波輸出口 8輸出。但要利用這種RBWO產生2GHz的低頻段高功率微波，RBffO慢波葉片的徑向半徑&至少要大于5. 7cm，這樣就增大了徑向尺寸。此外，慢波結構5有八個慢波葉片組成，若應用在頻率在2GHz以下的低頻段，需要慢波結構的長度至少約為8倍的二分之一波長λ (超過60cm)，大大增加了 RBWO的軸向長度。 RBffO體積和重量的增加使螺線管磁場9的體積和重量相應增加，給加工和實驗帶來較大困難。但此RBWO可通過調節(jié)漂移段13的長度L3以調節(jié)輸出微波的頻率。
圖3為本發(fā)明緊湊型低頻段頻率可調RBWO的的A-A剖視圖，圖4為本發(fā)明的整體結構圖。本發(fā)明由陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、慢波結構5、內導體6、收集極7、 微波輸出口 8、螺線管磁場9、支撐桿11、模式轉換器14、輻射口 15和密封板16組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。其中，陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、慢波結構5、內導體6、收集極7、微波輸出口 8、支撐桿11均為不銹鋼材料，螺線管磁場9采用漆包銅線，模式轉換器14、輻射口 15為鋁材料，密封板16為聚四氟乙烯材料。陰極座1左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒3左端外接脈沖功率源的外導體。陰極2是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0. Imm,內半徑隊等于電子束的半徑，套在陰極座1右端。截止頸4呈圓盤狀，內半徑為 R2, R2 > R10慢波結構5由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構，梯形結構的最大外半徑&與最小內半徑&滿足R4 > & > &，梯形結構的長度L1約為工作波長 λ的二分之一。慢波葉片之間通過螺紋擰緊。截止頸4和慢波結構5從陽極外筒3的右側，沿軸向、緊貼陽極外筒3的內壁，依次嵌入陽極外筒3并固定。內導體6是一個表面光滑的圓柱體，半徑&的變化對工作頻率會產生影響，通過調節(jié)民，可以調節(jié)本發(fā)明輸出微波的頻率。內導體6右端通過外螺紋與收集極7相連，左端沿軸向插入慢波結構5中央，且與慢波結構5同軸，內導體6的左端面與截止頸4的右端面平齊。收集極7為圓筒狀，左端面挖有環(huán)形凹槽71，環(huán)形凹槽71的內半徑Rltl和外半徑R11根據(jù)陰極2的內半徑R1來選取，滿足R11Rltl，環(huán)形凹槽71的長度L4約為工作波長λ的三分之一。收集極7左端面的
中心車出外半徑為民的內螺紋，與內導體6右端的的外螺紋相連；收集極7右端是外半徑為&的圓筒，且?guī)嚷菁y，與模式轉換器14的左端面相連。模式轉換器14為圓筒狀，左端開口且?guī)饴菁y，右端為錐形結構(錐形角度90° < Q1SlSiT，90° < θ2< 180° )。 模式轉換器14使RBWO產生的TEM模式的高功率微波轉換成容易輻射的TMtll模式的高功率微波。內導體6右端的外螺紋旋入收集極7左端面的內螺紋處，模式轉換器14左端的外螺紋旋入收集極7右端的內螺紋處。支撐桿11共有兩排，第一排支撐桿放在距離收集極 7左端面為L5的位置，L5 > L4 ；第二排支撐桿與第一排支撐桿之間的距離L6約為工作波長λ的四分之一；采用兩排支撐桿既增強了支撐強度，又可以消除輸出口對微波的反射。收集極7、模式轉換器14由兩排支撐桿11支撐，從陽極外筒3的右端沿軸向嵌入陽極外筒3 內。其中，收集極7插入陽極外筒3中央且與陽極外筒3同軸，第一排支撐桿固定在距離收集極7左端面為L5的陽極外筒3的內壁上。輻射口 15為圓筒狀，左端為錐形結構(錐形角度0° < θ3<90° )，錐形結構的起始位置與模式轉換器14的起始位置平齊，錐形結構左端留有外螺紋，與陽極外筒3的右側通過螺紋擰緊。輻射口 15的右端為圓筒狀，圓筒內半徑為R12，R12 > &，輻射口的右端面挖有一個環(huán)形的密封槽151。。密封板16是一個圓盤， 其利用抽真空時輻射口 15內外的壓力差，通過密封槽151壓在輻射口 15上。密封板16起保持RBWO內部真空環(huán)境的效果。收集極7與陽極外筒3之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 8。 本發(fā)明運行時，陰極2產生的相對論電子束與由慢波結構5和內導體6決定的最低階模式 (TEM模式)的電磁波進行束波相互作用，產生功率為1. 15GW、頻率為1.58GHz的L波段的高功率微波從微波，經模式轉換器14轉換成容易輻射的TMtll模式的高功率微波，通過改變內導體6的半徑民可調節(jié)輸出微波的工作頻率。 國防科技大學設計了中心頻率為1. 58GHz (對應微波波長λ = 18. 99cm)的緊湊型L波段頻率可調RBW0。在強流加速器上開展了系統(tǒng)的實驗研究，當導引磁場為0. 85T、二極管電壓為711kV、電流為11. 6kA時，得到頻率1. 58GHz、功率1. 15GW、脈寬40ns的微波輸出，并且當內導體6的半徑民在0. 5-1. 75cm范圍內改變時，微波頻率在1. 65-1. 55GHz范圍內可調。這是首次關于L波段RBWO的實驗結果。此外，還進行了長脈沖實驗研究，在導引磁場0. 95T、二極管電壓705kV的條件下，獲得了頻率1. 58GHz、功率1. 2GW、脈寬85ns的微波輸出，結果表明器件具有長脈沖運行的潛力。由上述結果可知，本發(fā)明在結構緊湊的情況下實現(xiàn)了低頻段、高功率微波的長脈沖輸出，并且僅通過改變內導體半徑R3就可實現(xiàn)對輸出微波的頻率進行調節(jié)。
權利要求
1.一種緊湊型低頻段頻率可調相對論返波振蕩器，它關于中心軸線旋轉對稱，包括陰極座(1)、陰極⑵、陽極外筒(3)、截止頸(4)、慢波結構(5)、內導體(6)、收集極(7)、微波輸出口(8)、螺線管磁場(9)、支撐桿(11)；陰極座(1)左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒(3)左端外接脈沖功率源的外導體；陰極(2)是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0. Imm,內半徑隊等于電子束的半徑，套在陰極座(1)右端；截止頸(4)呈圓盤狀，內半徑為R2，& > R1 ； 其特征在于它還包括模式轉換器(14)、輻射口(15)和密封板(16)；慢波結構(5)由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構，梯形結構的最大外半徑R4與最小內半徑&滿足R4 > & > &，梯形結構的長度L1為工作波長λ的二分之一，慢波葉片之間通過螺紋擰緊；截止頸(4)和慢波結構( 從陽極外筒(3)的右側，沿軸向、緊貼陽極外筒(3) 的內壁，依次嵌入陽極外筒C3)并固定；內導體(6)是一個表面光滑的圓柱體，通過調節(jié)內導體(6)的半徑民來調節(jié)輸出微波的頻率，內導體(6)右端通過外螺紋與收集極(7)相連， 左端沿軸向插入慢波結構(5)中央，且與慢波結構(5)同軸，內導體(6)的左端面與截止頸 (4)的右端面平齊；收集極(7)為圓筒狀，左端面挖有環(huán)形凹槽(71)，環(huán)形凹槽(71)的內半徑Rltl和外半徑R11滿足R11 >R:> R10,環(huán)形凹槽(71)的長度L4為工作波長λ的三分之一，收集極(7)左端面的中心車出外半徑為民的內螺紋，與內導體(6)右端的的外螺紋相連，收集極(7)右端是外半徑為&的圓筒，且?guī)嚷菁y，與模式轉換器(14)的左端面相連； 模式轉換器(14)左端為圓筒狀，左端開口且?guī)饴菁y，右端為錐形結構；內導體(6)右端的外螺紋旋入收集極(7)左端面的內螺紋處，模式轉換器(14)左端的外螺紋旋入收集極(7) 右端的內螺紋處；收集極⑵、模式轉換器(14)由兩排支撐桿(11)支撐，從陽極外筒(3)的右端沿軸向嵌入陽極外筒(3)內，收集極(7)插入陽極外筒(3)中央且與陽極外筒(3)同軸，第一排支撐桿(11)固定在距離收集極(7)左端面為L5的陽極外筒(3)的內壁上，L5 > L4,第二排支撐桿(11)與第一排支撐桿(11)之間的距離L6為工作波長λ的四分之一；輻射口(15)為圓筒狀，左端為錐形結構，錐形結構的起始位置與模式轉換器(14)的起始位置平齊，錐形結構左端留有外螺紋，與陽極外筒C3)的右側通過螺紋擰緊；輻射口(1 的右端為圓筒狀，圓筒內半徑為隊2，R12 ，輻射口的右端面挖有一個環(huán)形的密封槽(151)；密封板(16)是一個圓盤，利用抽真空時輻射口(15)內外的壓力差，通過密封槽(151)壓在輻射口(15)上；收集極(7)與陽極外筒(3)之間的圓環(huán)空間為微波輸出口(8)。
2.如權利要求1所述的一種緊湊型低頻段頻率可調相對論返波振蕩器，其特征在于所述陰極座(1)、陰極⑵、陽極外筒(3)、截止頸(4)、慢波結構(5)、內導體(6)、收集極(7)、 微波輸出口(8)、支撐桿(11)均為不銹鋼材料，螺線管磁場(9)采用漆包銅線，模式轉換器 (14)、輻射口(15)為鋁材料，密封板(16)為聚四氟乙烯材料。
3.如權利要求1所述的一種緊湊型低頻段頻率可調相對論返波振蕩器，其特征在于所述模式轉換器(14)右端錐形結構的錐形角度θ ρ θ 2滿足90° < Q1Sl8Cr，90° < θ2 < 180° 。
4.如權利要求1所述的一種緊湊型低頻段頻率可調相對論返波振蕩器，其特征在于所述輻射口(15)左端的錐形結構的錐形角度θ3滿足0° < θ3<90°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種緊湊型低頻段頻率可調相對論返波振蕩器，目的是解決通常低頻段RBWO尺寸較大、輸出微波頻率不易調節(jié)等問題。本發(fā)明關于中心軸線旋轉對稱，由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結構、內導體、收集極、微波輸出口、螺線管磁場、支撐桿、模式轉換器、輻射口和密封板組成。慢波結構由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構。收集極左端面挖有環(huán)形凹槽；模式轉換器左端為圓筒狀，右端為錐形結構；支撐桿共有兩排；輻射口為圓筒狀，左端為錐形結構，右端為圓筒狀；密封板壓在輻射口上；通過調節(jié)內導體半徑R3來調節(jié)輸出微波的頻率。本發(fā)明結構緊湊，工作頻率方便可調，有利于實現(xiàn)微波的長脈沖輸出。
文檔編號H01J23/26GK102208315SQ20111010666
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權日2011年4月26日
發(fā)明者張軍, 葛行軍, 鐘輝煌, 錢寶良, 高梁 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學