[发明专利]一种双端发射阴极结构的相对论磁控管

说明书

本发明公开了一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，属于微波技术领域。该相对论磁控管为全腔轴向提取结构，包括阳极外壳、高频结构、能量耦合槽缝、扇形波导、同轴波导、TEM‑TM01模式变换器、输出圆波导、引导磁场线圈以及阴极结构，其中阴极结构包括两个阴极端帽、对称设置的两个发射阴极、以及中心连接导体。本发明采用虚阴极方案可以有效地解决由于互作用区间中爆炸式发射产生的等离子体所带来的脉冲缩短、频率漂移、效率降低等问题，能够有效提高相对论磁控管的输出功率和功率转换效率。

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种应用于相对论磁控管的阴极结构。

背景技术

相对论磁控管由于其结构简单紧凑、高转换效率等特点而被广泛应用于各类高功率微波系统。但高功率微波器件一直以来都存在着脉冲缩短的问题。脉冲缩短是指输出微波脉冲相对于产生高功率微波的电子束脉冲提前终止的现象。针对高功率微波源的长脉冲输出需求，目前国内外正大力开展虚阴极相对论磁控管的研究。

现有一种基于虚阴极技术的相对论磁控管如图1所示(An efficient all cavityaxial extractionrelativistic magnetron with virtual cathode[J],R.Cheng,T.Li,F.Qin,L.Lei,D.Wang,H.Wang,F.M.Ghannouchi and B.Hu,IEEE Trans.ElectronDevices.,vol.67,no.5,pp.2165-2169,May.2020)。它包括阳极外筒1-1、高频结构1-2、能量耦合槽缝1-3、扇形波导1-4、同轴波导1-5、TEM-TM₀₁模式变换器1-6、输出圆波导1-7、引导磁场线圈1-8、磁镜场线圈1-9、阳极箔1-10、阴极连接结构1-11、环形阴极1-12。

工作时，环形阴极1-12发射环形相对论电子束，在引导磁场线圈1-8产生的磁场引导下，经由阴阳极间隙电场加速后穿过呈网格状的阳极箔1-10。在离开高频结构1-2区域后受磁镜场线圈1-9产生的强磁场作用而反射，反射电子在回到阴阳极间隙后又因为电场作用再次反射，电子因此而被约束在互作用区内。随着电子密度增加，受到空间电荷力的影响，电子动能降低，虚阴极形成。利用该技术，在电压650kV条件下仿真得到了0.97GW输出微波功率，束波转换效率为65％。

该方案中采用了磁场分布逐渐增强的磁镜场来约束电子，要求磁镜场的轴向磁场强度在极短距离内(1cm)由0.34T上升到1T以上，但是在实际工程中，这样的磁镜场很难实现，并且复杂的磁体系统不利于整个系统的小型化。由于发射阴极附近的高密度电子会减弱发射阴极表面的电场强度，使得发射电流减弱。为了提高输出功率，该方案采用了阳极箔结构来增强阴极表面的电场强度，从而获得更大的电流。然而，实验表明，阳极箔的电子通过率通常不超过70％，未能通过阳极箔的电子将不能进入高频结构内参与注波互作用，因此阳极箔的引入会带来电子能量的损耗造成器件效率降低。

发明内容

针对现有技术的不足，为了解决上述问题，本发明提出了一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，以实现更加方便且高效地在相对论磁控管中形成虚阴极。

本发明所采用的技术方案是：

一种双端发射阴极结构的相对论磁控管，所述相对论磁控管为全腔轴向提取结构，包括阳极外壳2-1、高频结构2-2、能量耦合槽缝2-3、扇形波导2-4、同轴波导2-5、TEM-TM₀₁模式变换器2-6、输出圆波导2-7、引导磁场线圈2-8以及阴极结构，其特征在于：

所述阴极结构包括上游阴极端帽3-1、上游阴极3-2、中心连接导体3-3、下游阴极3-4、下游阴极端帽3-5。

所述上游阴极端帽3-1右侧面与下游阴极端帽左侧面关于高频结构2-1轴向线中点对称。

所述上游阴极3-2与下游阴极3-4的形状相同，且关于高频结构2-1轴向线中点对称设置。