本發(fā)明涉及高功率微波技術領域的微波源器件，尤其是一種亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器。

背景技術：

目前，高功率微波(通常指峰值功率大于100MW、頻率在1～300GHz之間的電磁波)在定向能武器、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、材料加工與處理等國防和工業(yè)領域得到廣泛應用。

高功率微波源是高功率微波系統(tǒng)的核心器件，其運行是基于電子束的相干輻射。電子束的相干輻射分為切倫科夫輻射、渡越輻射、軔致輻射三類?；谇袀惪品蜉椛錂C理的高功率微波源主要為相對論切倫科夫振蕩器和相對論切倫科夫放大器。基于渡越輻射機理的高功率微波源主要為相對論速調管振蕩器和相對論速調管放大器?；谲愔螺椛錂C理的高功率微波源主要為自由電子激光、虛陰極等。

相對論切倫科夫振蕩器作為一種發(fā)展較為成熟的高功率微波源，具有高功率、高效率以及適合重復頻率工作等特點，受到國際上廣大科研人員的關注。提高相對論切倫科夫振蕩器的單脈沖能量及平均功率水平是高功率微波領域發(fā)展的重要目標，通?？梢酝ㄟ^提高器件峰值功率、重復頻率和脈沖寬度三方面來實現。相關研究表明單一相對論切倫科夫振蕩器的峰值功率水平很難大幅度提高，而重復頻率運行頻率要達到或超過kHz水平也非常困難。因此，延長輸出微波的脈沖寬度成為相對論切倫科夫振蕩器研究方向提高器件單脈沖能量和平均功率水平的重要手段。

研究長脈沖相對論切倫科夫振蕩器具有代表性的是國防科學技術大學設計的器件【Jun Zhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-De Zhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,and Liu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With Repetitive Operation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】(以下稱為現有技術1)。該結構由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結構、錐形波導、輸出波導以及螺線管磁場組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。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。其中慢波結構由5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4個慢波葉片完全相同，第5個慢波葉片具有較大的最大外半徑，5個慢波葉片的長度L₁相同。輸出波導為內半徑為R₇的圓波導，利用波導內壁收集殘余電子。該器件結構簡單，有利于高功率微波的穩(wěn)定輸出，并且器件采用較大半徑的輸出波導收集殘余電子，降低了收集處電子的密度，減少了因電子轟擊輸出波導內壁而產生 的二次電子的數量，進而削弱了等離子體對微波產生的影響，有利于實現長脈沖運行。實驗結果表明，微波輸出功率達到1GW，脈寬100ns，頻率為3.6GHz。但是該器件功率轉換效率較低，僅為20％，低于常規(guī)相對論切倫科夫振蕩器的30％左右的功率轉換效率。輸出同樣功率的微波，較低功率轉換效率要求脈沖驅動源注入更高的電功率，故對脈沖驅動源的驅動能力提出較高要求，不利于其結構的緊湊化。因此，該技術方案不能實現長脈沖相對論切倫科夫振蕩器的高效率運行，不利于實現高功率微波系統(tǒng)的小型化和緊湊化。

提高相對論切倫科夫振蕩器的功率轉換效率有多種途徑，例如采用非均勻慢波結構、加入諧振腔、采用等離子體加載等?！緞?，陳昌華，張玉龍，同軸引出相對論返波管，強激光與粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】(以下稱為現有技術2)中公布了一種同軸引出相對論切倫科夫振蕩器的結構。該結構中慢波結構由9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8個慢波葉片完全相同，第9個慢波葉片具有較大的最大外半徑，9個慢波葉片的長度L₁相同。該同軸引出相對論返波管還包括一個圓柱形的同軸提取結構，在同軸提取結構左端面挖有環(huán)形凹槽，利用凹槽內壁吸收殘余電子。由于該結構只是初步建立的數值仿真模型，同軸提取結構和輸出波導的連接方式沒有交代。粒子模擬結果得到輸出微波功率為2.0GW，頻率為9.28GHz，效率達45％。但是在對該器件的模擬結果中，輸出功率含有直流成分，因而模擬結果有較大誤差。器件慢波結構采用9個慢波葉片，導致軸向長度過大，不利于器件的小型化。此外，器件擬利用同軸提取結構左側的凹槽內壁吸收殘余電子，減少電子束直接轟擊輸出波導內壁產生的二次電子，進而削弱二次電子對器件工作過程的影響，實現微波的長脈沖輸出。但是電子束長時間轟擊后容易使凹槽內壁的不銹鋼材料升溫，進而產生等離子體，影響器件的工作。由于同軸提取結構位于器件的內部，不容易利用水循環(huán)進行冷卻，故不利于相對論切倫科夫振蕩器長脈沖、重復頻率工作。

因此，盡管人們已經開始研究高效率或長脈沖相對論切倫科夫振蕩器，但很少見到成熟且簡單易行的方案，尤其是同時實現亞微秒級長脈沖、高效率相對論切倫科夫振蕩器的技術方案尚未有公開報道。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：本發(fā)明提供一種亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器，克服通常相對論切倫科夫振蕩器難以兼顧輸出微波脈寬長、功率轉換效率高，解決同軸提取結構易產生等離子體影響工作效率的問題，在使用較少慢波葉片下的情況下實現亞微秒級脈寬、效率大于35％的微波輸出，且該微波源結構緊湊、易于重復頻率運行。

本發(fā)明的技術方案是：

一種亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器，包括陰極座301、陰極302、陽極外筒303、截止頸304、第一前置諧振腔310a、第二前置諧振腔310b、慢波結構305、錐形波導306、輸出波導307、螺線管磁場308、調制腔311、后置諧振腔312、廠字形收集極313、 反射器314，整個結構關于中心軸線旋轉對稱，陰極座301左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒303左端外接脈沖功率源的外導體；

陰極302是一個薄壁圓筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，內半徑R₁等于電子束半徑，套在陰極座301右端；截止頸304呈圓盤狀，內半徑為R₂，R₂>R₁，具體尺寸需要根據工作波長λ優(yōu)化設計；第一前置諧振腔310a、第二前置諧振腔310b均呈圓盤狀，第一前置諧振腔310a內半徑R₂和外半徑R₁₁滿足R₁₁>R₂，長度L₅一般取值為工作波長λ的0.15-0.35倍，第二前置諧振腔310b內半徑等于第一前置諧振腔310a內半徑R₂，其外半徑為R₁₂，滿足R₁₁>R₁₂>R₂，長度L₆一般取值為工作波長λ的0.1-0.3倍；慢波結構305由5個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構，前2個慢波葉片相同，后3個慢波葉片相同，后3個慢波葉片外半徑R₆比前2個慢波葉片外半徑R₃大，滿足R₆>R₃，后3個慢波葉片的長度L₈比前2個慢波葉片長度L₁短，滿足L₈<L₁，L₁一般取值為工作波長λ的0.4-0.6倍，L₈一般取值為工作波長的0.3至0.5倍；在第2個慢波葉片和第3個慢波葉片之間設置有1個形狀為圓盤狀的調制腔311，調制腔311的半徑R₁₃大于慢波結構305慢波葉片的最大外半徑R₆，調制腔311半徑R₁₃為工作波長的0.65至0.85倍，調制腔311寬度L₇為工作波長的0.05至0.15倍；在慢波結構305和錐形波導306之間設置有1個形狀為圓盤狀的后置諧振腔312，后置諧振腔312的半徑等于慢波結構305慢波葉片的最大外半徑R₆，后置諧振腔311的寬度L₉一般取值為工作波長λ的0.05-0.15倍；錐形波導306的左側半徑為R₁₄，右側半徑為R₁₅，R₁₄＜R₁₅，長度為L₂，L₂一般取值為工作波長λ的0.9-1.1倍；錐形波導306之后接廠字形收集極313，廠字形收集極313的外半徑等于錐形波導306的右側半徑R₁₅，R₁₅小于慢波結構305慢波葉片的最大外半徑R₆，廠字形收集極313上端封閉處寬度L₁₀等于工作波長λ，下端敞口處的寬度L₁₁取值為工作波長的0.4至0.6倍，所述廠字形收集極313內部臺階寬度L₁₂取值為工作波長的0.2至0.3倍；所述廠字形收集極313右側斜邊寬度L₁₃取值為工作波長的1.1至1.4倍；廠字形收集極313與輸出波導307之間設置反射器314，反射器314的內半徑R₁₈小于陰極302半徑R₁，反射器314下端的寬度L₁₄取值為工作波長的1.1至1.4倍，反射器314右側斜邊的寬度L₁₅取值為工作波長的0.75至0.95倍；輸出波導307為內半徑為R₇的圓波導，R₇>R₁₃。

所述陰極座301、陽極外筒303、截止頸304、、慢波結構305、錐形波導306、輸出波導307、廠字形收集極313、反射器314均采用不銹鋼或無氧銅或鈦或鉬等金屬材料制成，陰極302采用石墨或不銹鋼或耐熱玻璃布-環(huán)氧樹脂覆銅箔板制成，螺線管磁場308采用銅線或鋁線繞制而成。

本發(fā)明的工作原理是：陰極產生的相對論電子束與由慢波結構決定的TM₀₁模式的電磁波 進行束波相互作用，產生高功率微波經由輸出波導輻射出去。

與現有技術相比，采用本發(fā)明可達到以下技術效果：

(1)采用廠字形收集極，主要作用如下：

(a)廠字形收集極利用下端敞口處引入電子束，利用上端封閉處的內壁收集殘余電子束。經過束波相互作用，電子束因失去能量(交給微波場)速度降低，又加上收集極半徑較大，故殘余電子抵達收集極內壁時已經發(fā)散，轟擊收集極內壁的電子密度明顯降低。因此，可以削弱因電子束轟擊內壁產生的二次電子對輸出微波脈寬的影響，抑制脈沖縮短現象，有利于實現長脈沖；

(b)通過調節(jié)廠字形收集極上端、下端的寬度以及臺階的寬度，可以改變高功率微波源末端的不連續(xù)性調節(jié)相位，增強電子束與電磁波之間的相互作用。從圖5～7中可見，調節(jié)廠字形收集極上端、下端的寬度以及臺階的寬度，能對束波作用產生具有最優(yōu)效果的峰值。

(2)采用1個調制腔，主要作用如下：

(a)優(yōu)化后的調制腔表面具有較強的軸向電場，可以與電子束發(fā)生相互作用，把電子束能量交給微波場，提高功率轉換效率。從圖8～9中可見，調節(jié)調制腔寬度和外半徑，能對束波作用產生具有最優(yōu)效果的峰值。

(b)電子束在調制腔中傳輸時，將電子束在器件初始段中獲得的速度調制轉化為密度調制而形成群聚，在器件后段，具有較好群聚狀態(tài)的束與波將發(fā)生有效相互作用，因此可以提高功率轉換效率。從圖10中可見，在器件后段，電子束具有較好群聚狀態(tài)。

(3)采用1個后置諧振腔增加反射，主要作用如下：

(a)群聚良好的電子束靠近后置腔時，電子束的勢能迅速降低，電子束動能迅速增大，即被加速，這意味著電子束可以進一步把能量交給微波場，有利于提高功率轉換效率；

(b)優(yōu)化后的后置諧振腔有利于提高腔體的品質因素，在諧振條件下能提高束波作用效率，可在慢波葉片個數較少的情況下實現高效的微波激勵，確保實現小型化和高效率。

(4)采用2個前置諧振腔，主要作用如下：

(a)與僅有1個前置諧振腔相比，利用2個經優(yōu)化后的前置諧振腔可以對向二極管區(qū)方向傳輸的微波的反射系數為1，即可實現全反射；

(b)與僅有1個前置諧振腔相比，采用2個前置諧振腔結構，電子束距離諧振腔的徑向距離經優(yōu)化可以更大，既能避免電子束刮擦或轟擊前置諧振腔，又能削弱腔體表面的射頻場強度，因而可以有效削弱由于陰極等離子體的徑向膨脹而造成的微波脈寬縮短，有利于實現長脈沖微波輸出。從圖11～13可見，采用1個前置諧振腔，腔體表面最強場為1.4MV/cm，實驗后，前置諧振腔右側被電子束刮擦與射頻擊穿的痕跡明顯，此時微波脈寬150ns～160ns左右；從圖14～16可見，采用2個前置諧振腔，腔體表面最強場降低為0.9MV/cm，實驗后，截止頸右側被電子束刮擦與射頻擊穿的痕跡不明顯，此時微波脈寬200ns～210ns左右。因此， 采用2個前置反射腔增大電子束距離截止頸的徑向距離，即避免電子束刮擦或轟擊，又削弱器件內部射頻場，有利于長脈沖微波輸出。

(c)可以對電子束進行較為充分的預調制，有利于隨后的束波相互作用，提高器件功率轉換效率。與采用多個(3個以上)前置諧振腔相比，利用2個前置諧振腔帶來的固有振蕩模式較少，不容易產生模式競爭，并且有利于器件的小型化。

(5)采用反射器，通過調節(jié)反射器下端的寬度和斜面的寬度，可以改變高功率微波源末端的不連續(xù)性調節(jié)相位，增強電子束與電磁波之間的相互作用。

附圖說明

圖1為背景介紹中現有技術1公開的相對論切倫科夫振蕩器的結構示意圖；

圖2為背景介紹中現有技術2公開的相對論切倫科夫振蕩器的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的A-A剖視結構示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的A-A剖視立體示意圖；

圖5為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的廠字形收集極上端的寬度L₁₀對輸出微波效率的影響結果示意圖；

圖6為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的廠字形收集極下端的寬度L₁₁對輸出微波效率的影響結果示意圖；

圖7為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的廠字形收集極臺階的寬度L₁₂對輸出微波效率的影響結果示意圖；

圖8為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的調制腔的寬度L₇對輸出微波效率的影響結果示意圖；

圖9為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的調制腔的半徑R₁₃對輸出微波效率的影響結果示意圖；

圖10為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的仿真中電子束的調制狀態(tài)圖；

圖11為本發(fā)明提供的與亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例進行對比的采用1個前置諧振腔的仿真中器件內電場的分布；

圖12為本發(fā)明提供的與亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例進行對比的采用1個前置諧振腔實驗后照片；

圖13為本發(fā)明提供的與亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例進行對比的采用1個前置諧振腔實驗波形；

圖14為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的采用2個前置諧振腔的仿真中器件內的電場分布；

圖15為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的采用2個前置諧振腔實驗后照片；

圖16為本發(fā)明提供的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的采用2個前置諧振腔實驗波形。

具體實施方式

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。

圖1為現有技術1中公布的長脈沖相對論切倫科夫振蕩器的結構示意圖。該結構由陰極座101、陰極102、陽極外筒103、截止頸104、慢波結構105、錐形波導106、輸出波導107、螺線管磁場108組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。其中慢波結構5由5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4個慢波葉片完全相同，最大外半徑為R₃，最小內半徑為R₄；第5個慢波葉片最大外半徑為R₃，最小內半徑為R₅，平均半徑為R₆，滿足R₃>R₆>R₅>R₄，5個慢波葉片的長度L₁相同。輸出波導107為內半徑為R₇的圓波導，利用波導內壁收集殘余電子。該方案結構簡單，實驗中實現了脈寬為100ns的長脈沖高功率微波輸出，這對于研制長脈沖相對論切倫科夫振蕩器有重要借鑒意義。但是該器件功率轉換效率較低，僅為20％，低于通常相對論切倫科夫振蕩器的30％的功率轉換效率，不能實現長脈沖相對論切倫科夫振蕩器的高效率運行，不利于高功率微波系統(tǒng)的小型化和緊湊化，影響其應用范圍的拓展。

圖2為現有技術2中公布的高效率相對論切倫科夫振蕩器的結構示意圖。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值仿真模型，沒有具體技術方案。該結構由陰極座201、陰極202、陽極外筒203、截止頸204、慢波結構205、錐形波導206、輸出波導207、螺線管磁場208、同軸提取結構209組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。其中慢波結構205由9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8個慢波葉片完全相同，最大外半徑為R₃，最小內半徑為R₄；第9個慢波葉片最大外半徑為R₃，最小內半徑為R₅，平均半徑為R₆，滿足R₃>R₆>R₅>R₄。9個慢波葉片的長度L₁相同。輸出波導為內半徑為R₇的圓波導。同軸提取結構9為外半徑為R₈的圓柱，在同軸提取結構209左端面挖有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的內半徑R₉和外半徑R₁₀滿足R₁₀>R₁>R₉，利用凹槽內壁吸收殘余電子。由于該結構只是初步建立的數值仿真模型，同軸提取結構209和輸出波導207的連接方式沒有交代。利用該方案建立仿真模型，通過模擬得到輸出微波功率為2.0GW，頻率為 9.28GHz，效率達45％(高于通常相對論切倫科夫振蕩器的30％的功率轉換效率)，這對于研制高效率相對論切倫科夫振蕩器有重要借鑒意義。但是，對該器件的模擬結果中，輸出功率含有直流成分，因而模擬結果有較大誤差。器件采用9個慢波結構205，導致軸向長度過大，不利于器件的小型化。此外，器件擬利用同軸提取結構209左側的凹槽內壁吸收殘余電子，減少電子束直接轟擊輸出波導207內壁產生的二次電子，進而削弱二次電子對器件工作過程的影響，實現微波的長脈沖輸出。但是電子束長時間轟擊后容易使凹槽內壁的不銹鋼材料升溫，進而產生等離子體，進而影響器件內部束波作用過程，引起脈沖縮短。由于同軸提取結構209位于器件的內部，不容易利用水循環(huán)進行冷卻，故不利于相對論切倫科夫振蕩器長脈沖、重復頻率工作。

圖3為本發(fā)明亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器優(yōu)選實施例的A-A剖視結構示意圖，圖4為本實施方式的A-A剖視立體示意圖。本發(fā)明由陰極座301、陰極302、陽極外筒303、截止頸304、第一前置諧振腔310a、第二前置諧振腔310b、慢波結構305、錐形波導306、輸出波導307、螺線管磁場308、調制腔311、后置諧振腔312、廠字形收集極313、反射器314組成，整個結構關于中心軸線旋轉對稱。陰極座301左端外接脈沖功率源的內導體，陽極外筒303左端外接脈沖功率源的外導體。

陰極302是一個薄壁圓筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，在本實施例中取值為0.1mm，內半徑R₁等于電子束的半徑，套在陰極座301右端。截止頸304呈圓盤狀，內半徑為R₂，R₂>R₁，具體尺寸需要根據工作波長λ優(yōu)化設計。

第一前置諧振腔310a、第二前置諧振腔310b均呈圓盤狀，第一前置諧振腔310a內半徑R₂和外半徑R₁₁滿足R₁₁>R₂，長度L₅一般取值為工作波長λ的0.15-0.35倍，在本實施例中L₅為工作波長λ的0.25倍；第二前置諧振腔310b內半徑R₂和外半徑R₁₂滿足R₁₁>R₁₂>R₂，長度L₆一般取值為工作波長λ的0.1-0.3倍，在本實施例中L₅為工作波長λ的0.2倍。

慢波結構305由5個慢波葉片組成，，每個慢波葉片的內表面均是梯形結構。其中，前2個慢波葉片相同，后3個慢波葉片相同，后3個慢波葉片外半徑R₆比前2個慢波葉片外半徑R₃大，滿足R₆>R₃；后3個慢波葉片的長度L₈比前2個慢波葉片長度L₁短，滿足L₈<L₁。L₁一般取值為工作波長λ的0.4-0.6倍，后3個慢波葉片的長度L₈為工作波長的0.3至0.5倍。在本實施例中，L₁為工作波長λ的0.53倍，L₈為工作波長λ的0.44倍。相鄰慢波葉片之間可以通過臺階座連接或螺紋連接實現緊密配合。

在第2個慢波葉片和第3個慢波葉片之間設置有1個形狀為圓盤狀的調制腔311，調制腔311的半徑R₁₃大于慢波結構305慢波葉片的最大外半徑R₆；所述調制腔311半徑R₁₃為工作波長的0.65至0.85倍，在本實施例中R₁₃為工作波長的0.78倍。調制腔311寬度L₇為工作波長的0.05至0.15倍，在本實施例中L₇為工作波長的0.08倍。

在所述慢波結構305和錐形波導306之間還設置有1個形狀為圓盤狀的后置諧振腔312，所述后置諧振腔312的半徑等于慢波結構305慢波葉片的最大外半徑R₆；所述后置諧振腔311的寬度L₉一般取值為工作波長λ的0.05-0.15倍，在本實施例中，L₉為工作波長的0.11倍。

錐形波導306的左側半徑為R₁₄，右側半徑為R₁₅，R₁₄＜R₁₅；長度為L₂，L₂一般取值為工作波長λ的0.9-1.1倍，在本實施例中L₂等于工作波長λ。

錐形波導306之后接廠字形收集極313，廠字形收集極313的外半徑等于錐形波導306的右側半徑R₁₅，R₁₅小于慢波結構305慢波葉片的最大外半徑R₆。所述廠字形收集極313上端封閉處寬度L₁₀等于工作波長λ；下端的敞口處寬度L₁₁為工作波長的0.4至0.6倍，在本實施例中L₁₁等于工作波長λ的0.5倍；所述廠字形收集極313內部臺階寬度L₁₂為工作波長的0.2至0.3倍，在本實施例中L₁₂等于工作波長λ的0.25倍；所述廠字形收集極313右側斜邊寬度L₁₃為工作波長的1.1至1.4倍，在本實施例中L₁₃等于工作波長λ的1.3倍。

廠字形收集極313與輸出波導307之間設置反射器314，反射器314的內半徑R₁₈小于陰極302半徑R₁。所述反射器314下端的寬度L₁₄范圍是工作波長的1.1至1.4倍，在本實施例中L₁₄等于工作波長λ的1.26倍；所述反射器314右側斜邊的寬度L₁₅是工作波長的0.75至0.95倍，在本實施例中L₁₅等于工作波長λ的0.85倍。

輸出波導307為內半徑為R₇的圓波導，R₇>R₁₃。。

截止頸304、前置諧振腔310a和310b、慢波結構305、調制腔311、后置諧振腔312、廠字形收集極313、錐形波導306、反射器314與輸出波導307之間通過螺紋連接或臺階座連接固定后，從陽極外筒303的右側、沿軸向、緊貼陽極外筒303的內壁，嵌入陽極外筒303并固定。截止頸304左端面的外側與陽極外筒303緊密接觸提供第一支撐點，廠字形收集極313外側通過法蘭與陽極外筒303連接提供第二支撐點并起到沿軸向定位的作用。輸出波導307的右端接天線，可參照不同波長的要求，根據通用的天線設計方法設計仿真得到天線的具體結構，由于是通用方法，不存在技術秘密。本發(fā)明運行時，陰極302產生的相對論電子束與由慢波結構305決定的TM₀₁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經由輸出波導307輻射出去。

進一步地，所述陰極座301、陽極外筒303、截止頸304、、慢波結構305、錐形波導306、輸出波導307、廠字形收集極313、反射器314均采用不銹鋼或無氧銅或鈦或鉬等金屬材料，陰極302采用石墨或無磁不銹鋼或耐熱玻璃布-環(huán)氧樹脂覆銅箔板制成，螺線管磁場308采用銅線或鋁線繞制而成。

本實施例實現了中心頻率為3.73GHz(對應微波波長λ＝8cm)的亞微秒級長脈沖高效率相對論切倫科夫振蕩器(相應的尺寸設計為：R₁＝39mm，R₂＝48mm，R₃＝54mm，R₄＝45mm， R₆＝61mm，R₇＝64mm，R₁₁＝66mm，R₁₂＝60mm，R₁₃＝62mm，R₁₄＝44mm，R₁₅＝56mm，R₁₆＝53mm，R₁₇＝43mm，R₁₈＝37mm，L₁＝42mm，L₅＝20mm，L₆＝16mm，L₇＝6mm，L₈＝35mm，L₉＝8.8mm，L₁₀＝80mm，L₁₁＝40mm，L₁₂＝20mm，L₁₃＝105mm，L₁₄＝101mm，L₁₅＝68mm)。粒子模擬中，在二極管電壓900kV、電流9.7kA、導引磁場1.5T的條件下，輸出微波功率3.2GW，功率轉換效率36.7％，脈寬260ns(電脈寬300ns)。由上述結果可知，本發(fā)明克服了通常相對論切倫科夫振蕩器只能單一追求高效率或長脈沖的缺點，能同時兼顧亞微秒級長脈沖和高效率高功率微波輸出，并且實現了結構的小型化，對于設計該類型器件具有重要的借鑒意義。

參見圖5，可知廠字形收集極313上端的寬度L₁₀對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₀增大能使輸出微波效率先增大后減小，當L₁₀＝80mm時達到最高輸出效率。

參見圖6，可知廠字形收集極313下端的寬度L₁₁對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₁增大能使輸出微波效率先增大后減小，當L₁₁＝40mm時達到最高輸出效率。

參見圖7，可知廠字形收集極313臺階的寬度L₁₂對輸出微波效率存在影響，隨著L₁₂增大能使輸出微波效率先增大后減小，當L₁₂＝20mm時達到最高輸出效率。

參見圖8，可知調制腔311的寬度L₇對輸出微波效率存在影響，隨著L₇增大能使輸出微波效率先增大后減小，當L₇＝6mm時達到最高輸出效率。

參見圖9，可知調制腔311的外半徑R₁₃對輸出微波效率存在影響，隨著R₁₃增大能使輸出微波效率先增大后減小，當R₁₃＝62mm時達到最高輸出效率。

參見圖10，可知調制腔311使電子束在初始段中獲得的速度調制轉化為密度調制而形成群聚，因此器件初始段群聚不明顯，器件后段電子束具有較好群聚狀態(tài)，有利于束與波將發(fā)生有效相互作用。

參見圖11～13，為與本發(fā)明優(yōu)選實施例進行對比的采用1個前置諧振腔310’的仿真與實驗結果。由圖11可見，采用1個前置諧振腔310’，腔體表面最強場集中在前置諧振腔內部后端，約為1.4MV/cm；由圖12可見，實驗后，前置諧振腔310’右側被電子束刮擦與射頻擊穿的痕跡明顯；由圖13可見，微波脈寬150ns～160ns左右，發(fā)生較明顯的脈沖縮短現象。

參見圖14～16，為本發(fā)明優(yōu)選實施例采用2個前置諧振腔310的仿真與實驗結果。由圖14可見，采用2個前置諧振腔310，腔體表面最強場集中在前置諧振腔內部后端，約為0.9MV/cm；由圖15可見，實驗后，前置諧振腔310右側被電子束刮擦與射頻擊穿的痕跡不明顯；由圖16可見，微波脈寬200ns～210ns左右，輸出微波脈寬延長了約50ns。因此，采用2個前置反射腔310增大電子束距離截止頸的徑向距離，即避免電子束刮擦或轟擊，又削弱器件內部射頻場，有利于長脈沖微波輸出。

當然，在本優(yōu)選實施例中，截止頸304、第一前置諧振腔310a、第二前置諧振腔310b、慢波結構305、調制腔311、后置諧振腔312、廠字形收集極313、錐形波導306、反射器314與輸出波導307之間也可以采用其他連接方式，器件結構也可采用其它材料加工，以上所述 僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。

本領域技術人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進行若干改變和修改，而不脫離所附權利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經在附圖和說明書中詳細圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發(fā)明并不限于所公開的實施例。

通過對附圖，說明書和權利要求書的研究，在實施本發(fā)明時本領域技術人員可以理解和實現所公開的實施例的變形。在權利要求書中，術語“包括”不排除其他步驟或元素。在彼此不同的從屬權利要求中引用的某些措施的事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權利要求書中的任何參考標記不構成對本發(fā)明的范圍的限制。