一种径向结构双电子束相对论返波管的制作方法

1.本发明涉及一种相对论返波管，具体涉及一种径向结构双电子束相对论返波管。


背景技术：

2.相对论返波管是一种非常具有潜力的高功率微波器件，国内外对相对论返波管的研究主要集中在提高工作效率、采用低磁场条件工作以及增加相对论返波管的输出功率等方面，其中输出功率以及工作效率一直是相对论返波管研制的重要指标，也是相对论返波管相对其它高功率微波器件的重要优势之一。针对输出功率，研究人员通常采用混合结构和非均匀慢波结构来提高单个器件(单个器件为单个相对论返波管，器件整体一般为多个相对论返波管组合)的输出功率，同时采用功率混合的方法进一步提高器件整体的输出功率水平。
3.随着相对论返波管输出功率的提高，器件内部的电场幅值增强，导致器件内部击穿、发生脉冲缩短的可能性增加，目前，可通过两种方式解决该问题：
4.1)采用大过模比器件结构提高器件的功率容量，但会导致器件内部模式的竞争更为剧烈；
5.2)使器件工作在tm
02
等高次模，以提高器件的功率容量，同时降低慢波结构内部的电场强度，该类高次模工作的器件一般将工作点选在π模附近，其慢波结构内激励电磁波的群速度接近零，从而使高模式更易起振，同时能起到抑制其它模式的作用，但采用这种设计方案会导致器件的工作带宽变窄。
6.采用径向结构的真空电子学器件能够提高电子束的电流，增加器件的输出功率，同时径向结构使得器件的横向尺寸变大，能够提高真空电子学器件的功率容量，收集极的尺寸也相应变大，有利于器件更为稳定地工作，基于上述优点，党方超在其2013年发表的硕士论文中，在该结构的基础上提出了低磁场约束情况下ku波段径向渡越器件，数值模拟结果表明外加引导磁场为0.6特斯拉时，输出功率达到2.2吉瓦，并且给出了外加引导磁场的设计方案。进一步的研究表明，采用径向慢波结构能够增加器件的输出功率，并且三维数值模拟结果表明不存在非轴对称模式。陈再高等人在专利号为zl201510702916.6的中国专利中，将径向结构应用于太赫兹频段真空电子器件的设计，提出了0.34太赫兹径向结构连续波太赫兹振荡器，数值模拟结果表明该结构能提高太赫兹波段真空电子学器件的输出功率，降低器件的加工难度，该发明采用了低能量的单一沿着径向传输的电子束，并且该器件结构主要是用于产生太赫兹频段的电磁波。为了进一步扩展器件在太赫兹频段的工作频率范围，陈再高等人在中国专利zl201611031076.6中提出了一种双频径向连续波太赫兹斜注管的设计方案，其器件结构采用低电压的两个扇形电子束，可产生太赫兹频段的电磁波，但是上述的这些相对论返波管相关器件，仍然难以满足当前对于高功率微波器件越来越高的输出功率要求。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决现有相对论返波管相关器件存在难以满足当前对于高功率微波器件越来越高的输出功率要求的技术问题，提供一种径向结构双电子束相对论返波管。
8.发明构思：
9.利用上、下阳极和高压二极管结构的阴极，以及上、下引导磁场产生装置，形成一种径向结构双电子束相对论返波管，该返波管为一种上下镜像对称结构，同时也是一种旋转对称结构。其上、下阳极采用相互平行且镜像对称设置的板状结构，二者之间的间隙，作为电子束
‑
电磁波通道a，采用高压二极管结构的阴极产生两个沿着径向传输的相对论电子束(即两个盘状电子束、双电子束)，两条相对论电子束在上、下引导磁场产生装置产生的径向均匀静磁场的引导下，通过与高频结构构成的高频互作用区，发生相互作用，将两条相对论电子束的动能转化为微波频段的电磁波能量，最后沿径向传输的两条相对论电子束在外部磁场的引导下轰击到金属过渡段内壁上被吸收，微波频段的电磁波通过相对设置的环状金属顶板和环状金属底板构成的输出波导传输出去。
10.为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
11.一种径向结构双电子束相对论返波管，其特殊之处在于：
12.包括上阳极、下阳极和高压二极管结构的阴极，以及上引导磁场产生装置和下引导磁场产生装置；所述上阳极与下阳极为相互平行且镜像对称设置的板状结构，二者之间的间隙，作为电子束
‑
电磁波通道a；
13.所述阴极包括内轴，以及一上一下同轴设置于内轴上用于加载高电压的上盘状阴极和下盘状阴极，作为双电子束产生装置，用于产生两个沿着径向传输的盘状电子束；
14.所述上阳极包括同心设置且由内至外依次固连的上外筒、上谐振反射器、上周期性慢波结构、金属过渡段顶板和输出波导环状顶板；
15.所述下阳极包括同心设置且由内至外依次固连的下外筒、下谐振反射器、下周期性慢波结构、金属过渡段底板和输出波导环状底板；
16.所述上外筒和下外筒分别同轴设置于内轴的上下两端，且位于上盘状阴极和下盘状阴极的两侧；
17.上外筒的筒壁与内轴的上端作为上注入波端口，用于接上注入波电压，下外筒的筒壁与内轴的下端作为下注入波端口，用于接下注入波电压；
18.所述上周期性慢波结构和下周期性慢波结构，作为高频结构，形成高频互作用区，用于激励两个盘状电子束产生向内轴中心方向传输的太赫兹频段电磁波；
19.所述上谐振反射器和下谐振反射器，用于将被高频结构激励产生的向中心方向传输的太赫兹频段电磁波反射回高频结构；
20.所述上引导磁场产生装置和下引导磁场产生装置分别设置于上周期性慢波结构和下周期性慢波结构的上下两侧，用于产生径向均匀静态磁场，以引导两个盘状电子束分别从上周期性慢波结构和下周期性慢波结构的中心向外边沿传输，最后轰击到金属过渡段顶板以及金属过渡段底板被吸收。
21.进一步地，所述上周期性慢波结构和下周期性慢波结构的结构相同，均为在环状金属面上设置有周期性环状梯形慢波结构b。
22.进一步地，所述上谐振反射器与下谐振反射器的结构相同，均为在环状金属面上设置有径向截面为矩形的环状矩形槽c。
23.进一步地，所述输出波导环状顶板与输出波导环状底板，均为环状金属平板。
24.进一步地，所述上引导磁场产生装置和下引导磁场产生装置均为电磁线圈或永磁铁。
25.进一步地，两个所述盘状电子束的电压范围均在500kv至1.2mv之间，总电流范围在10ka至70ka之间。
26.进一步地，所述电磁线圈在高频互作用区产生的径向磁场幅度在0.3tesla到5.0tesla之间。
27.进一步地，所述上盘状阴极和下盘状阴极为电子枪。
28.进一步地，所有金属为无氧铜。
29.进一步地，所述内轴的半径为r1，r1＝1.0cm；
30.所述内轴的中心轴线分别与上外筒和下外筒内壁之间的径向距离均为r2，r2＝2.5cm；
31.所述内轴的中心轴线分别与上盘状阴极和下盘状阴极发射端面之间的径向距离均为r3，r3＝6.7cm；
32.所述上谐振反射器与下谐振反射器谐振反射腔d的径向宽度均为r4，r4＝0.9cm，深度为l2，l2＝0.8cm；
33.上谐振反射器的谐振反射腔远离中心的侧壁与相邻上周期性慢波结构内侧面之间的径向距离、下谐振反射器的谐振反射腔远离中心的侧壁与相邻下周期性慢波结构内侧面之间的径向距离，均为r5，r5＝0.7cm；
34.所述上盘状阴极所产生的上盘状电子束和下盘状阴极所产生的下盘状电子束的轴向宽度均为h2，h2＝0.5mm；
35.所述上盘状电子束下表面与下盘状电子束上表面之间的距离均为h3，h3＝9.0mm；
36.所述上盘状电子束上表面与上周期性慢波结构下表面之间的距离、所述下盘状电子束下表面与下周期性慢波结构上表面之间的距离，均为h1，h1＝3.0mm；
37.所述周期性环状梯形慢波结构b共有8个周期，每个周期的径向长度为r6，r6＝16mm；单个周期中的梯形为等腰梯形，高度为l4，l4＝4.0mm，较短底边的长度为r8，r8＝4.0mm，较长底边的长度为(r6
‑
r8)，(r6
‑
r8)＝12mm；
38.所述输出波导环状顶板下表面与输出波导环状底板上表面之间的距离为l7，l7＝36mm；
39.所述金属过渡段顶板和金属过渡段底板的结构相同，均包括依次设置的第一径向平面、第一下坡面、第二径向平面和第二下坡面；
40.所述金属过渡段顶板和金属过渡段底板的第一径向平面之间的距离为l5，l5＝20mm；
41.所述金属过渡段顶板和金属过渡段底板的第二径向平面之间的距离为l6，l6＝30mm；
42.所述金属过渡段顶板的第一下坡面与第二下坡面之间的径向距离为r10，r10＝3.0mm；
43.所述金属过渡段顶板的第二下坡面与输出波导环状顶板下表面之间的径向距离为r11，r11＝54mm。
44.本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
45.1、为了提高微波波段相对论返波管的输出功率，本发明提供的径向结构双电子束相对论返波管，采用双电子束的工作模式，相比单电子束，双电子束阴极能够通过将返波管的注入波功率提高一倍，将其产生的电流提高一倍，从而提高返波管的输出功率。
46.2、本发明提供了径向结构双电子束相对论返波管，其采用上下镜像且旋转对称的径向结构，并采用了由上、下周期性慢波结构形成的径向高频结构，使得返波管的整体结构尺寸变大，不仅提高了返波管的功率容量，还大幅降低了相对论电子束所产生的高强度电场带来的击穿概率。
47.3、本发明提供了径向结构双电子束相对论返波管，采用沿着径向正方向(即电子束传输方向)传输的电子束，电子束在传输过程中，密度不断自动降低，电子束内部的互斥力降低，电子束传输的稳定性提高，从而缓解了高能电子束将能量转化为电磁波能量后，电子束因速度降低而出现电子束过群聚的现象，避免了电子束沿着径向反方向(朝向中心方向)运动轰击阴极的问题，从而提高了相对论返波管的寿命。
48.4、本发明提供了径向结构双电子束相对论返波管，在平板金属上加工周期慢波结构较为方便，有利于提高梯形慢波结构的加工精度，也便于返波管的装配。
49.5、本发明提供了径向结构双电子束相对论返波管中，高频结构能够有效抑制返波管结构的大过模比引起的模式竞争问题，可以通过增加盘状阴极的半径，来大幅增加阴极发射面的面积，使发射的电流更大，进一步提高返波管的注入波功率。
50.6、本发明提供了径向结构双电子束相对论返波管，采用由爆炸阴极(电子枪)产生的沿着径向正方向传输的双电子束，与沿着径向设置的高频互作用区发生非线性相互作用，将电子束的动能转化为微波频段的电磁波能量，从而产生频率在x波段、输出功率大于5吉瓦的电磁波。
附图说明
51.图1为本发明径向结构双电子束相对论返波管的结构示意图，图中将部分角度切除，以便观察其内部结构，且未示出上引导磁场产生装置和下引导磁场产生装置；
52.图2为本发明中下阳极的结构示意图，图中部分角度切除；
53.图3为本发明中阴极的结构示意图，图中部分角度切除；
54.图4为本发明中阴极及其发出的两个盘状电子束的结构示意图，图中部分角度切除；
55.图5为本发明实施例中径向结构双电子束相对论返波管的径向剖面图，图中金属过渡段顶板和金属过渡段底板均包括依次设置的第一径向平面、第一下坡面、第二径向平面和第二下坡面；
56.图6为本发明实施例中的阴极，以及两个阳极分别的外筒和谐振反射器部分的结构示意图；
57.图7为本发明实施例中上、下周期性慢波结构组成的高频结构及在其中传输的双电子束的示意图；
58.图8为本发明实施例中上、下周期性慢波结构的结构示意图；
59.图9为本发明实施例中两个阳极的金属过渡段和输出波导部分的结构示意图；
60.图5至图9的坐标中，z轴对应内轴的中心轴线，r轴对应双电子束的径向方向；
61.图10为本发明实施例中径向结构双电子束相对论返波管在x波段的工作频率示意图；
62.图11为本发明实施例中径向结构双电子束相对论返波管在x波段的输出功率示意图；
63.图12为本发明实施例中径向结构双电子束相对论返波管在x波段的电子束相空间示意图；
64.附图标记如下：
[0065]1‑
上外筒、2
‑
内轴、3
‑
上盘状阴极、4
‑
上谐振反射器、5
‑
上周期性慢波结构、6
‑
输出波导环状顶板、7
‑
上盘状电子束、8
‑
上引导磁场产生装置、9
‑
下外筒、10
‑
下盘状阴极、11
‑
下谐振反射器、12
‑
下周期性慢波结构、13
‑
输出波导环状底板、14
‑
下盘状电子束、15
‑
下引导磁场产生装置、16
‑
金属过渡段顶板、17
‑
金属过渡段底板。
具体实施方式
[0066]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
[0067]
本发明的径向结构双电子束相对论返波管，涉及基于真空电子学原理的高功率微波电子器件，通过采用两个沿着径向传输的相对论电子束与金属材质的高频结构相互作用，将电子束的动能转化为电磁波的能量，输出微波频段的电磁波。如图1至图4所示，其具体结构包括上阳极、下阳极和高压二极管结构的阴极，以及上引导磁场产生装置8和下引导磁场产生装置15；所述上阳极与下阳极为相互平行且镜像对称设置的板状结构，二者之间的间隙，作为电子束
‑
电磁波通道a(即束
‑
波互作用通道)；所述阴极包括内轴2，以及一上一下同轴设置于内轴2上用于加载高电压的上盘状阴极3和下盘状阴极10，作为双电子束产生装置(上盘状阴极3和下盘状阴极10为电子枪)，用于产生两个沿着径向传输的盘状电子束(即两个相对论电子束、双电子束)，两个盘状电子束的电压范围均为500kv～1.2mv，总电流范围为10ka～70ka。
[0068]
所述上阳极包括同心设置且由内至外依次固连的上外筒1、上谐振反射器4、上周期性慢波结构5、金属过渡段顶板16和输出波导环状顶板6；所述下阳极包括同心设置且由内至外依次固连的下外筒9、下谐振反射器11、下周期性慢波结构12、金属过渡段底板17和输出波导环状底板13；所述上外筒1和下外筒9分别同轴设置于内轴2的上下两端，且位于上盘状阴极3和下盘状阴极10的两侧；上外筒1的筒壁与内轴2的上端作为上注入波端口，用于接上注入波电压，下外筒9的筒壁与内轴2的下端作为下注入波端口，用于接下注入波电压；所述上谐振反射器4的内端部与上外筒1固连且垂直于上外筒1的筒壁，所述下谐振反射器11的内端部与下外筒9固连且垂直于下外筒9的筒壁，也即，上外筒1与下外筒9、上谐振反射器4与下谐振反射器11、上周期性慢波结构5与下周期性慢波结构12、金属过渡段顶板16与金属过渡段底板17、输出波导环状顶板6与输出波导环状底板13分别上下镜像对称设置(即相对设置)，形成上述的上阳极与下阳极镜像对称设置方式。所述上周期性慢波结构5和下周期性慢波结构12的结构相同，均为在环状金属面上设置有周期性环状梯形慢波结构b；所
述上谐振反射器4与下谐振反射器11的结构相同，均为在环状金属面上设置有径向截面为矩形的环状矩形槽c；所述输出波导环状顶板6与输出波导环状底板13，均为环状金属平板。所有金属均采用无氧铜，其电导率较高，所引入的欧姆损耗较小。
[0069]
所述上周期性慢波结构5和下周期性慢波结构12，作为高频结构，形成高频互作用区，用于激励两个盘状电子束产生向内轴2中心方向传输的太赫兹频段电磁波；所述上谐振反射器4和下谐振反射器11，用于将被高频结构激励产生的向中心方向传输的太赫兹频段电磁波反射回高频结构；所述上引导磁场产生装置8和下引导磁场产生装置15分别设置于上周期性慢波结构5和下周期性慢波结构12的上下两侧，用于产生径向均匀静态磁场，以引导两个盘状电子束分别从上周期性慢波结构5和下周期性慢波结构12的中心向外边沿传输，最后轰击到金属过渡段顶板16以及金属过渡段底板17被吸收，即金属过渡段顶板16以及金属过渡段底板17的作用是将动能转化为电磁波能量后的电子束进行收集，同时将电子束在慢波结构区域被激励产生的沿着径向传播的电磁波转化为在输出波导(输出波导环状顶板6和输出波导环状底板13构成输出波导)中传输的电磁波。该径向结构双电子束相对论返波管是一种上下镜像对称结构，同时也是一种以内轴2的中心轴线为旋转中心线的旋转对称结构。
[0070]
所述上引导磁场产生装置8和下引导磁场产生装置15均为电磁线圈或永磁铁，由于永磁铁能够产生的外部引导磁场较小，因此器件可以工作在低磁场的状态，采用电磁线圈能够产生较高的外部引导磁场，高能电子束能够得到更好的约束，电磁线圈在高频互作用区产生的径向磁场的幅度在0.3tesla～5.0tesla范围内。
[0071]
本发明中，高压二极管结构的阴极为上下对称结构，注入到二者中的电压也相同，因此产生的两个盘状电子束的电参数相同；上、下谐振反射器的结构参数也相同(两个环状矩形槽c的位置以及尺寸相同)。双电子束产生装置产生的两个速度沿着径向的盘状电子束，在引导磁场的作用下从上、下谐振反射器的内边沿，沿着谐振反射器的径向，朝上、下谐振反射器的外边沿方向传输，最后两条电子束分别轰击到金属过渡段顶板16以及金属过渡段底板17被吸收。上述返波管能够在微波频段产生频率范围为8～12ghz、输出功率大于5吉瓦的高功率电磁波。
[0072]
当然，本发明的径向结构双电子束相对论返波管还可以应用于其它频段相对论返波管的器件研制。
[0073]
下面以9.18ghz电磁波的产生为实施例设计本发明的径向结构双电子束相对论返波管，该返波管能在工作电压为870kv，外部引导磁场为2.8tesla时，产生6吉瓦的输出功率。
[0074]
如图5至图9所示，所述内轴2的半径为r1，r1为1.0cm；内轴2的中心轴线分别与上外筒1和下外筒9内壁之间的径向距离均为r2，r2为2.5cm；内轴2的中心轴线分别与上盘状阴极3和下盘状阴极10发射端面之间的径向距离均为r3，r3为6.7cm；上谐振反射器4下表面与下谐振反射器11上表面之间的距离为l1，l1为1.6cm；上谐振反射器4与下谐振反射器11谐振反射腔d的径向宽度均为r4，r4为0.9cm，深度为l2，l2为0.8cm，上谐振反射器4的谐振反射腔远离中心的侧壁与相邻上周期性慢波结构5内侧面之间的径向距离、下谐振反射器11的谐振反射腔远离中心的侧壁与相邻下周期性慢波结构12内侧面之间的径向距离，均为r5，r为0.7cm；上盘状阴极3所产生的上盘状电子束7和下盘状阴极10所产生的下盘状电子
束14的轴向宽度均为h2，h2为0.5mm；上盘状电子束7下表面与下盘状电子束14上表面之间的距离均为h3，h3为9.0mm；上周期性慢波结构5下表面与下周期性慢波结构12上表面之间的距离为l3，l3为1.6cm；上盘状电子束7上表面与上周期性慢波结构5下表面之间的距离、下盘状电子束14下表面与下周期性慢波结构12上表面之间的距离，均为h1，h1为3.0mm；周期性环状梯形慢波结构b共有8个周期，每个周期的径向长度为r6，r6为16mm；单个周期中的梯形为等腰梯形，高度为l4，l4为4.0mm，较短底边的长度为r8，r8为4.0mm，较长底边的长度为(r6
‑
r8)，(r6
‑
r8)＝12mm，图中r7＝(r6
‑
r8)＝12mm，梯形腰的径向尺寸为r9，r9为4.0mm；所述输出波导环状顶板6下表面与输出波导环状底板13上表面之间的距离为l7，l7为36mm；金属过渡段顶板16和金属过渡段底板17的结构相同，均包括依次设置的第一径向平面、第一下坡面、第二径向平面和第二下坡面；金属过渡段顶板16和金属过渡段底板17的第一径向平面之间的距离为l5，l5为20mm；金属过渡段顶板16和金属过渡段底板17的第二径向平面之间的距离为l6，l6为30mm；金属过渡段顶板16的第一下坡面与第二下坡面之间的径向距离为r10，r10为3.0mm；金属过渡段顶板16的第二下坡面与输出波导环状顶板6下表面之间的径向距离为r11，r11为54mm。
[0075]
电磁线圈在高频互作用区产生的径向磁场幅度为2.8tesla，由上、下注入波端口注入的波电压均为650kv，上盘状电子束7和下盘状电子束14的电流大小均为24ka，两电子束的能量均为870kv，双电子束在外部磁场的引导下与高频慢波结构(即高频结构)发生非线性的波
‑
束相互作用，产生9.18ghz的太赫兹频段电磁波，径向传输的上盘状电子束7和下盘状电子束14最后分别在外部磁场的引导下轰击在金属过渡段顶板16和金属过渡段底板17上被吸收，太赫兹频段电磁波经由输出波导环状底板13和输出波导环状顶板6构成的输出波导沿径向传输。
[0076]
图10和、图11和图12为采用粒子模拟软件仿真的计算结果。其中，图10为返波管在x波段的工作频率示意图，表明该器件结构能产生频率为9.18ghz的电磁波，图11为返波管在x波段的输出功率示意图，表明该器件结构能产生6吉瓦的输出功率，图12为返波管在x波段的电子束沿着径向的相空间示意图，表明双电子束得到了很好的调制，且没有回流轰击盘状阴极。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。