[发明专利]一种带轴向信号输入的会切磁场大回旋电子枪

说明书

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域中与回旋放大器(回旋脉塞器)配套用电子枪，特别是一种设有轴向(微波、毫米波)信号输入波导管的会切磁场大回旋电子枪。

背景技术

回旋放大器作为大功率毫米波、亚毫米波的新型器件，自问世以来已得到迅速发展，回旋器件的系列产品已研制成功，其波段已到毫米波及亚毫米波段，功率高达数兆瓦，平均功率已达到数百千瓦，在毫米波波段，这是普通微波管所不能比拟的。但是当回旋放大器进一步向更高频段发展时，则由于频带较窄，转换效率较低以及因工作磁场随频率的增加而增加，以至毫米波普通回旋放大器工作磁场高达万高斯以上，强磁场导致设备庞大、成本昂贵、操作繁杂，难以小型化等问题。从而大大地限制了回旋放大器在诸如常规雷达、受控核聚变等方面的应用。回旋放大器(回旋脉塞器)包括电子枪(大回旋CUSP电子枪也称为绕轴旋转电子枪)及与之连成一体的谐振腔，传统的回旋放大器主要采用常规的磁控注入电子枪和在谐振腔(互作用段)横(径)向输入信号的方式；其中电子枪提供一个初始层流性好的电子注，该电子注具有一定的初始旋转能量及尽可能小的速度零散等；但由于初始的旋转能量不足，因此，在继后的谐振腔(互作用段)使电子注通过一纵向磁场增大的漂移运动实现其绝热压缩、进一步提高电子的旋转能量。在谐振腔内，由磁控注入电子枪产生的螺旋电子注在此区间与横向输入的信号发生能量交换，电子注将横向能量转变为纵向能量并叠加于波场中，将输入的微波或毫米波信号放大后输出。此类回旋放大器将初始电子注的产生与信号输入分别在两个相对独立的部件内进行，其中，电子枪虽然具有结构简单、功能单一，所提供的初始电子注层流性好等特点；但由于在谐振腔(互作用段)采用横向输入信号，因而必须在谐振腔外环面上径向设置用于信号输入的波导管，从而不但增大了回旋放大器的半径及体积，使其难以小型化，也增加了与之配套的超导永磁体及其循环冷却系统等外设装置的设计和加工工艺的难度，同时也给高性能回旋脉塞器件的设计带来诸多不便。因而，上述电子枪存在功能单一，只能与设有横向(信号输入)波导管的谐振腔(互作用段)配套制成回旋放大器，所制成的回旋放大器(脉塞器)体积大、且难以小型化，同时也给高性能回旋放大器的设计带来困难等。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，改进设计一种带轴向信号输入的会切磁场大回旋电子枪，在增设轴向信号输入波导管及模式转换机构的基础上、扩大(绕轴旋转)电子枪的功能；即采用电子枪阴极同轴信号输入，阳极后过渡段进行模式转换的信号输入方式，有效缩小与之配套的谐振腔(互作用段)和整套回旋放大器(脉塞器)的体积，实现回旋放大器小型化并降低高性能回旋大器件的设计难度等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术存在的弊端，在传统电子枪的基础上，在电子枪后端阴极上增设一根与其同轴线的、用于信号输入的波导管；将原采用由谐振腔(互作用段)横(径)向输入信号、改为由电子枪后端阴极中心轴向输入，同时在阳极头末段的腔体内壁上增设一螺旋状的模式转换机构，当(微波、毫米)波信号从电子枪阴极中心轴向输入电子枪内，在阳极头末段内置的模式转换机构中得到高效转换(TE_mn-TE₁₁模式)，然后再送入谐振腔作后续放大处理；以此扩大了电子枪的功能、有效地缩小与之配套的谐振腔和整套回旋放大器的体积；本方案中信号虽然是从电子枪后端轴向输入，但此时电子注刚发射出来(形成)，其回旋频率还远远没有达到谐振条件，在电子枪内所形成(产生)的电子注与输入信号的高频场之间相互影响极小，可确保输入信号的质量和电子注参数的稳定性。因此，本发明大回旋电子枪包括作为阳极的电子枪体及设于枪体内的阳极头、过渡段(腔)，位于枪体后端并与枪体同一轴线设置的阴极，以及将阴极与枪体连接成一体的陶瓷环，关键是在阴极的轴心线位置还设有一中心孔及其用于信号输入的波导管，而在阳极头与过渡段(腔)之间还增设有一螺旋状模式转换机构；波导管与设于阴极上的中心孔固定联接并与电子枪的内腔连通，而模式转换机构则直接设于阳极头与过渡段(腔)之间的电子枪腔体的内壁上。

上述螺旋状模式转换机构为2-6个螺距(波段)的螺旋转换机构。而螺旋转换机构的螺旋槽的轴向曲面为余弦面、即轴截面上的轮廓线为余弦线。