一種介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，屬于高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱，由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結(jié)構(gòu)、螺線管磁場線圈組成。慢波結(jié)構(gòu)采用盤荷波導(dǎo)型慢波結(jié)構(gòu)，慢波結(jié)構(gòu)由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均為矩形結(jié)構(gòu)。填充介質(zhì)時，本發(fā)明不需要改動RBWO的原有結(jié)構(gòu)，只需在其慢波結(jié)構(gòu)的所有葉片之間填充介質(zhì)材料即可。該裝置能夠解決低頻相對論返波振蕩器體積、重量過大的問題，對于研制小尺寸、緊湊型相對論返波振蕩器、推進(jìn)高功率微波系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)程、拓展RBWO的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科研價值。
【專利說明】一種介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高功率微波源，尤其是一種介質(zhì)填充的緊湊型相對論返波振蕩器(Relativistic Backward Wave Oscillator, RBWO),屬于高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]相對論返波振蕩器(RBWO)具有高功率、高效率以及適合重復(fù)頻率工作等特點，是一種重要的高功率微波源，也是當(dāng)前國內(nèi)外高功率微波源研究的熱點之一。
[0003]相對論返波振蕩器中的慢波結(jié)構(gòu)常見的有以下三種:正弦形(例如文獻(xiàn)1:高梁，錢寶良，葛行軍.緊湊型P波段相對論返波振蕩器的粒子模擬，強(qiáng)激光與粒子束，2006，Vol.23，N0.4)、梯形(例如文獻(xiàn)2:葛行軍，高梁，曹亦兵等.L波段相對論返波振蕩器初步實驗研究，強(qiáng)激光與粒子束，2010，Vol.22，N0.3)和盤荷波導(dǎo)型(例如文獻(xiàn)3:張克潛，李德杰.《微波與光電子學(xué)中的電磁場理論》第二版，電子工業(yè)出版社，PP.387-390)。針對本發(fā)明，上述三種慢波結(jié)構(gòu)均適用。
[0004]具有盤荷波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的相對論返波振蕩器關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱，由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結(jié)構(gòu)、螺線管磁場線圈組成。其中，陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結(jié)構(gòu)均為不銹鋼材料，螺線管磁場線圈采用漆包銅線繞制。為了敘述方便，下文規(guī)定:陰極所在一端為RBWO的左端，另一端為RBWO的右端。
[0005]RBffO工作原理如下:在脈沖高電壓作用下，陰極產(chǎn)生一個環(huán)形強(qiáng)流相對論電子束。螺線管磁場線圈在陰極和慢波結(jié)構(gòu)區(qū)產(chǎn)生一個沿軸向水平向右的磁場，在慢波結(jié)構(gòu)右端磁場逐漸向外彎曲。在磁場洛倫茲力的約束作用下，陰極發(fā)射的相對論電子束沿著磁場方向向右運(yùn)動，相對論電子束經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面附近時，在慢波結(jié)構(gòu)腔內(nèi)激勵起-1次空間諧波并向左傳播。向左傳播的電磁波與向右傳播的電子束進(jìn)一步相互作用，電磁波從相對論電子束中獲得能量，功率不斷提高而形成高功率微波；最后，向左傳播的電磁波被截止頸反射回來再向右傳播，最終由微波輸出口輸出。在慢波結(jié)構(gòu)右端，相對論電子束沿著向外彎曲的磁場方向向外彎曲，轟擊到陽極外筒內(nèi)壁，從而被陽極外筒內(nèi)壁吸收。陽極外筒內(nèi)壁收集剩余電子束的區(qū)域稱之為收集極。
[0006]RBffO產(chǎn)生的微波頻率主要取決于慢波葉片的徑向深度，即慢波葉片的內(nèi)半徑與外半徑之差。在慢波葉片的內(nèi)半徑給定的條件下，慢波葉片的外半徑越大，微波頻率越低。隨著微波頻率的降低，要求慢波葉片的外半徑越來越大。慢波葉片外半徑的增大，又導(dǎo)致螺線管磁場線圈半徑的增大。對于P波段RBW0，往往由于外半徑過大而導(dǎo)致體積、重量超出工程應(yīng)用中對系統(tǒng)緊湊性的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提出一種介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，該裝置能夠解決低頻相對論返波振蕩器體積、重量過大的問題，對于研制小尺寸、緊湊型相對論返波振蕩器、推進(jìn)高功率微波系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)程、拓展RBWO的應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科研價值。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:在傳統(tǒng)RBWO慢波結(jié)構(gòu)的慢波葉片之間填充介質(zhì)材料即可。所填介質(zhì)材料要求具有較大的擊穿場強(qiáng)，相對介電常數(shù)滿足1.5〈 ε /10，可采用高分子聚乙烯、聚四氟乙烯、陶瓷等材料。
[0009]采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果:
[0010]1.本發(fā)明在慢波結(jié)構(gòu)葉片之間填充一定的介質(zhì)材料后，可以降低RBWO產(chǎn)生的微波頻率；
[0011]2.本發(fā)明介質(zhì)填充相對論返波振蕩器可以有效減小低頻RBWO的徑向尺寸，獲得緊湊型低頻RBWO ；
[0012]3.所填介質(zhì)材料的徑向尺寸及其相對介電常數(shù)ε越大，填充后微波頻率降低的越多；
[0013]3.本發(fā)明可使低頻RBWO裝置的體積減小約30%，重量減小約15%，可顯著提高RBffO裝置的緊湊性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1.傳統(tǒng)RBWO沿中心軸線的剖視圖；
[0015]圖2.本發(fā)明所述介質(zhì)填充RBWO沿中心軸線的剖視圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖以盤荷波導(dǎo)型慢波結(jié)構(gòu)為例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步說明，實際上本發(fā)明并不局限于具有盤荷波導(dǎo)型慢波結(jié)構(gòu)的相對論返波振蕩器，本發(fā)明也適用于具有正弦形或梯形慢波結(jié)構(gòu)的相對論返波振蕩器。
[0017]圖1所示為傳統(tǒng)RBWO沿中心軸線的剖視圖。傳統(tǒng)RBWO由陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、慢波結(jié)構(gòu)5、螺線管磁場線圈6組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。其中，陰極座1、陰極2、陽極外筒3、截止頸4、慢波結(jié)構(gòu)5均為不銹鋼材料，螺線管磁場線圈6采用漆包銅線繞制而成。
[0018]陰極座I為一半徑為Rtl的實心圓柱體，陰極座I左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，右端用于固定陰極2,陰極2為一個外半徑為R1的薄壁圓筒，長度約為(20?50)mm,壁厚約為0.1mm，滿足R1 = &。陰極2與陰極座I通過焊接連接。陽極外筒3左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。截止頸4呈圓盤狀，軸向厚度根據(jù)工作需要確定。截止頸4的內(nèi)半徑為R2,外半徑為R3，滿足R2>Ri。截止頸4左端面距離陰極2右端面距離為Ltl, L0為(20?50)mm ；截止頸4右端面距離慢波結(jié)構(gòu)5從左邊數(shù)第一個慢波葉片左端面的距離為L1, L1為(15?30)mm。慢波結(jié)構(gòu)5采用盤荷波導(dǎo)型慢波結(jié)構(gòu)，即慢波結(jié)構(gòu)的慢波葉片為空心圓盤，每個慢波葉片的厚度均為d，d為(3?10) mm，每個慢波葉片的內(nèi)半徑均為R4，外半徑均為R5，滿足R5 = R3>R4>R2>R1 = R。。對于低頻RBW0，慢波葉片的數(shù)目一般為(3?9)個，具體情況視工作需要而定。本實施例中慢波結(jié)構(gòu)5由5個慢波葉片組成。相鄰兩個慢波葉片之間的間距均為L2, L2為(15?30)mm ;陽極外筒3的內(nèi)半徑為R6，滿足R6 = R5 = R3。裝配時，截止頸
4、慢波結(jié)構(gòu)5的慢波葉片依次從陽極外筒3的右側(cè)、沿軸向、緊貼陽極外筒3的內(nèi)壁，嵌入陽極外筒3內(nèi)。螺線管磁場線圈6從陽極外筒3的右側(cè)嵌套安裝在陽極外筒3的外壁上。
[0019]圖2為本發(fā)明所述介質(zhì)填充返波振蕩器沿中心軸線的剖視圖。
[0020]本發(fā)明不需要改動傳統(tǒng)RBWO的原有結(jié)構(gòu)，只需在其慢波結(jié)構(gòu)5的所有葉片之間填充介質(zhì)材料7即可。所填介質(zhì)材料7為圓盤狀，厚度為L3，滿足L3 = L2 ;介質(zhì)材料7的內(nèi)半徑為 R7，外半徑為 R8，滿足 R8>R7>R4，R8 = R3 = R5 = R6。
[0021]在保持RBWO其它結(jié)構(gòu)尺寸不變的條件下，所填充介質(zhì)材料7的相對介電常數(shù)1.5〈 ε /10,相對介電常數(shù)ε r越大,頻率下降越多；所填充介質(zhì)材料7的徑向尺寸越大,頻率下降越多。由于葉片之間存在強(qiáng)電場，所填介質(zhì)材料7的擊穿場強(qiáng)越大越好。
[0022]以一個L波段RBTO為例，假定慢波結(jié)構(gòu)5的外半徑R3為132mm，內(nèi)半徑R4為78mm，慢波結(jié)構(gòu)5的間距L2為20mm，無填充介質(zhì)材料7時產(chǎn)生的微波頻率為1.97GHz。
[0023]如果采用填充的介質(zhì)材料7為高分子聚乙烯(相對介電常數(shù)ε ^為2.3)，其內(nèi)半徑R7為90mm，外半徑R8為132mm，厚度L3為20mm，可使RBWO的微波輸出頻率降低為1.82GHz。如果不采用介質(zhì)填充，而是采用增加慢波結(jié)構(gòu)5外半徑R5的方法降低微波頻率，則需要使其外半徑R5從132mm增加至158mm。因此，在輸出微波頻率均為1.82GHz的條件下，假定RBffO的長度不變，外半徑R5從158mm降為132mm，則RBWO裝置的體積減小了 30%。此外，慢波結(jié)構(gòu)外半徑R5從158mm降為132mm,可使螺線管磁場線圈6的內(nèi)外半徑減小相同的尺寸，使RBWO的重量減小15%左右。
[0024]如果采用填充的介質(zhì)材料7為陶瓷材料(相對介電常數(shù)L為6.0)，其內(nèi)半徑R7為90mm，外半徑R8為132mm，厚度L3為20mm，可使RBWO的微波輸出頻率降低為1.33GHz。如果不采用介質(zhì)填充，而是采用增加慢波結(jié)構(gòu)5外半徑R5的方法降低微波頻率，則需要使其外半徑R5從132mm增加至186mm。因此，在輸出微波頻率均為1.33GHz的條件下，假定RBWO的長度不變，外半徑R5從186mm降為132mm，則RBWO裝置的體積減小了 50%。此外，慢波結(jié)構(gòu)外半徑R5從186mm降為132mm,可使螺線管磁場線圈6的內(nèi)外半徑減小相同的尺寸,使RBffO的重量減小27%左右。
[0025]由此可見，采用本發(fā)明可以有效減小RBWO裝置的體積和重量，使RBWO裝置更加緊湊。
【權(quán)利要求】
1.一種介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，其特征在于:所述相對論返波振蕩器由陰極座(I)、陰極(2)、陽極外筒(3)、截止頸(4)、慢波結(jié)構(gòu)(5)、螺線管磁場線圈(6)和介質(zhì)材料(7)組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱，其中，陰極座(I)、陰極(2)、陽極外筒(3)、截止頸(4)、慢波結(jié)構(gòu)(5)均為不銹鋼材料，螺線管磁場線圈(6)采用漆包銅線繞制而成； 所述陰極座(I)為一半徑為R0的實心圓柱體，陰極座(I)左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，右端用于固定陰極(2)，所述陰極(2)為一個外半徑為R1的薄壁圓筒，長度約為(20?50)_，壁厚約為0.1_，滿足R1 = Rtl，陰極⑵與陰極座⑴通過焊接連接；所述陽極外筒(3)左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體；所述截止頸(4)呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2，外半徑為R3，滿MR3>R2，截止頸⑷左端面距離陰極⑵右端面距離為U，L0為(20?50)mm，截止頸(4)右端面距離慢波結(jié)構(gòu)(5)從左邊數(shù)第一個慢波葉片左端面的距離為L1A1為(15?30)mm ;所述慢波結(jié)構(gòu)(5)采用盤荷波導(dǎo)型慢波結(jié)構(gòu)，每個慢波葉片的厚度均為d，d為(3?10)mm，每個慢波葉片的內(nèi)半徑均為R4，外半徑均為R5，滿足R5 = R3>R4>R2>Ri = R0 ;對于低頻RBWO，慢波葉片的數(shù)目一般為(3?9)個，具體情況視工作需要而定，相鄰兩個慢波葉片之間的間距均為L2,L2為(15?30)mm ;所述陽極外筒(3)的內(nèi)半徑為R6，滿足R6 = R5 = R3 ;裝配時，截止頸(4)、慢波結(jié)構(gòu)(5)的慢波葉片之間依次從陽極外筒(3)的右側(cè)、沿軸向、緊貼陽極外筒(3)的內(nèi)壁，嵌入陽極外筒(3);所述螺線管磁場線圈(6)從陽極外筒(3)的右側(cè)嵌套安裝在陽極外筒(3)的外壁上； 在所述慢波結(jié)構(gòu)(5)的所有葉片之間填充有介質(zhì)材料(7)，所填充介質(zhì)材料(7)的相對介電常數(shù)為ε r，滿足1.5〈 ε r<10,內(nèi)半徑為R7，外半徑為R8，滿足R8>R7>R4，R8 = R3 = R5 =R6，介質(zhì)材料的厚度L3與慢波結(jié)構(gòu)(5)相鄰兩個慢波葉片之間的間距L2相等。
2.一種如權(quán)利要求1所述介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，其特征在于:所述慢波結(jié)構(gòu)(5)采用正弦形慢波結(jié)構(gòu)。
3.—種如權(quán)利要求1所述介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，其特征在于:所述慢波結(jié)構(gòu)(5)采用梯形慢波結(jié)構(gòu)。
4.一種如權(quán)利要求1、2或3所述介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，其特征在于:所述慢波結(jié)構(gòu)(5)中慢波葉片的個數(shù)為5個。
5.一種如權(quán)利要求1、2或3所述介質(zhì)填充緊湊型相對論返波振蕩器，其特征在于:所述介質(zhì)材料(7)為高分子聚乙烯、聚四氟乙烯或陶瓷。
【文檔編號】H01J25/46GK104362060SQ201410690196
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】樊玉偉, 王曉玉, 赫亮, 張軍, 李偉, 李志強(qiáng), 靳振興, 葛行軍, 巨金川 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)