[发明专利]可工作在长脉冲状态下同轴渡越时间振荡器电子收集极

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，是可用于Ku波段渡越时间振荡器，有利于增加微波脉冲宽度的电子收集极，属于高功率微波技术领域。

背景技术

本发明的应用背景是重频运行高功率微波源。高功率微波源是一种利用强流相对论电子束在真空高频结构中与高频结构的本征模相互作用机制，把高能电子束的能量转化为高频电磁波能量的器件，在军事和工业中都有重要应用。目前，高功率微波器件的能量效率普遍较低，强流相对论电子束在经过束波相互作用交出部分能量后仍具有较高的动能，电子束收集极的作用便是接收这部分与高频电磁场相互作用后的强流电子束。然而电子束收集极在工作过程中受高速电子的轰击会沉积大量的热能，导致收集极上的温度骤然升高，引起材料表面吸附气体的解吸附甚至材料本身发生蒸发和汽化，而收集极高温热脱附和材料汽化不仅会污染真空环境，更可能导致有害等离子体的产生。对于M型器件，阳极等离子体会导致束流崩溃、模式跳变和束波同步条件被破坏等一系列问题；对于O型器件，收集极等离子不但可以吸收和反射微波，而且还可能沿导引磁场进入束波作用区影响微波产生。因此，任何减少收集极热负载的措施在高功率微波领域都是关键的，特别是在器件重复频率长时间运行中，必须考虑束流轰击收集极产生大量热能的散热问题，在脉冲串内把热量散开。

Ku波段电磁波是指波长范围在16mm～25mm之间的电磁波，与之对应的频率范围是12GHz～18GHz。Ku波段的波长介于光波和常规微波之间，有着频谱范围宽、波束较窄、沿直线传播、全天候工作、器件尺寸小的特点，在雷达、遥感、辐射、通信、测量等方面有着可观的应用潜力与价值。

虽然Ku波段电磁波有着上述特点，但普通Ku波段器件仍然有缺陷。微波源在收集强流电子束时，由于束流密度及能量过高，容易引起电子的反射、散射、次级电子反射及等离子体的产生，在外加导引磁场的引导下，它们还有可能扩散到输出腔中，引起输出腔电磁边界条件的改变，影响正常的束波互作用。而在Ku波段，由于电子束厚度、电子收集面等参数的减小，电子束沉积在收集面上的能量密度将进一步增大，更容易引起以上不利现象。同时，由于应用于Ku波段的强流电子束的空间抖动需要控制在更小范围内，所需的导引磁场一般比较高。

研究降低渡越时间器件电子收集极处的电流密度，增加脉宽，具有代表性的是国防科技大学设计的Ku波段的电子收集极【令钧溥.Ku波段低磁场同轴渡越时间振荡器的研究[D].国防科学技术大学,2014.】(以下称为现有技术1)。这种电子收集极结构通过一段漂移管截止微波的工作模式，将收集处做成斜面，增大电子收集面积，并增加电子吸收腔收集反射、散射电子与次级电子发射。在导引磁场0.7T，电压410kV，电流8kA的条件下，得到了功率1GW，频率14.2GHz的Ku波段高功率微波输出，转换效率30％，微波脉宽26ns。但是，在实验中发现，微波源器件提取腔处仍弥漫大量粉尘，微波仍然出现了提前截止的现象。

由上可知，虽然采用带斜面的收集极可以降低电流密度，但由于电子吸收面是斜向下的，所以仍然会有反射、散射电子与次级发射的电子返回到束波互作用区域，影响微波输出。目前，关于如何利用电子收集极结构减少电子反射、散射与二次电子发射干扰微波输出的结构，研究较少，尤其是同时实现降低电流密度与电子散射反射的结构的可用于Ku波段渡越时间振荡器的电子收集极的技术方案尚未有公开报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明特提出一种可用于Ku波段同轴渡越时间振荡器的电子收集极结构，克服传统电子收集极电流密度大，能量沉积高与电子散射，反射，二次电子发射干扰微波输出的问题，在不影响微波能量输出的前提下，及时高效地将强流电子束轰击收集极内表面沉积的大量热能传递出去，并且可以有效的回收电子束。本发明通过利用螺线管磁场边缘处磁感线弯斜向上，使得收集电子表面斜向上的电子收集极结构，从而降低收集处电流密度，减少了能量沉积，降低了反射、散射电子，产生的等离子体，二次电子返回到束波互作用区域，防止对微波输出产生影响。

本发明的技术方案是：

一种可用于Ku波段同轴渡越时间振荡器的电子收集极，包括电子收集斜面与相适应的导引磁场；

该电子收集极，可应用于Ku波段同轴渡越时间振荡器，这种渡越时间振荡器包括阴极座1、阴极2、内导体3、外导体4，内导体3位于外导体4内部中空部分，电子收集极5位于内导体3中，整个同轴渡越时间振荡器的结构关于中心轴线旋转对称，阴极座1的左端连接脉冲功率源的内导体，阴极2套在阴极座1右端，外导体4左端外接脉冲功率源的外导体；