一种反馈增强的相对论返波管

摘要

为了提高相对论返波管的束波转换效率，本发明提高一种反馈增强的相对论返波管。包括返波管管体、环形阴极、谐振反射器、慢波结构、提取腔、输出波导和磁场线圈；还包括依次位于提取腔与输出波导之间的圆波导及波导腔；波导腔用于将部分输出微波反射至提取腔内；波导腔由两个梯形腔构成；波导腔的内半径分别为r1、r2、r3和R12；内半径r1和r2对TM03模截止；内半径r3和R12对TM01模导通，TM02模截止；圆波导的内半径R11对TM01模导通，对TM02模截止；圆波导的轴向长度L至少半个导波波长内可调，满足λg/2＜L，其中λg为TM01模的导波波长。通过改变圆波导的轴向长度可以有效调节微波反馈的相位，当反馈增强时可以增强提取腔内的工作场强，进一步实现更充分的电子束减速，提高器件束波转换效率。

权利要求

1.一种反馈增强的相对论返波管，包括返波管管体、环形阴极(1)、谐振反射器(2)、慢波结构(3)、提取腔(4)、输出波导(6)和磁场线圈(7)；

所述环形阴极(1)位于返波管管体前侧，在高压脉冲作用下向返波管管体内发射环形相对论电子束(8)；所述谐振反射器(2)、慢波结构(3)、提取腔(4)、输出波导(6)依次置于环形阴极(1)后侧；所述磁场线圈(7)安装在环形阴极(1)、谐振反射器(2)、慢波结构(3)、提取腔(4)及输出波导(6)的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场；

其特征在于：

还包括依次位于提取腔(4)与输出波导(6)之间的圆波导(9)及波导腔(5)；所述波导腔(5)用于将部分输出微波反射至提取腔(4)内；

所述波导腔(5)由两个梯形腔构成；

所述波导腔(5)的内半径从前往后依次分别为r1、r3、r2和R12；内半径r1和r2对TM03模截止；内半径r3和R12对TM01模导通，TM02模截止；

所述圆波导(9)的内半径R11对TM01模导通，对TM02模截止；所述圆波导(9)的轴向长度L至少半个导波波长内可调，满足λg/2＜L，其中λg为TM01模的导波波长。

2.根据权利要求1所述反馈增强的相对论返波管，其特征在于：r1和r2满足条件：r1，r2＜

1.377c/f；r3和R12满足条件：0.382c/f＜r3，R12＜0.879c/f，其中c为光速，f为频率。

3.根据权利要求2所述反馈增强的相对论返波管，其特征在于：R11满足条件：0.382c/f＜R11＜0.879c/f，其中c为光速，f为频率。

说明书

一种反馈增强的相对论返波管

技术领域

[0001] 本发明属于高功率微波技术领域，特别是涉及一种反馈增强的相对论返波管。

背景技术

[0002] 相对论返波管是当前最有潜力的高功率微波(high power microwave，以下简称HPM)器件之一，其具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率脉冲工作等特点，是国内外HPM器件研究的重点。

[0003] 肖仁珍等人于2009年发明了速调型相对论返波管，其基本构型如附图1所示(R.Z.Xiao,C.H.Chen,X.W.Zhang,and J.Sun,J.Appl.Phys.105,053306(2009).)。它包括环形阴极1、谐振反射器2、慢波结构3、提取腔4、输出波导5和磁场线圈6。环形阴极1位于装置前端，在高压脉冲作用下向管内发射环形相对论电子束；谐振反射器2、慢波结构3、提取腔4和输出波导5依次置于环形阴极1后侧；磁场线圈6安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。

[0004] 工作时，由环形阴极1发射环形相对论电子束，在磁场线圈6产生的磁场引导下，经过谐振反射器2，获得一定的预调制。随即进入非均匀慢波结构3中，与电磁波产生初步相互作用，调制逐渐加深。接下来，电子束进入提取腔4，电子束的能量充分转化为微波能量，作用后的电子束被收集在空心圆波导5上。产生的部分微波向环形阴极1方向传输，被谐振反射器2反射，重新经过慢波结构3和提取腔4后由输出波导5输出。

[0005] 利用已有的技术，在0.32T磁场引导下，在二极管电压880kV，电流13.9kA时，可产生3.3GW的微波功率，微波频率为4.35GHz，束波转换效率为28％。H.D.Wang,R.Z.Xiao,C.H.Chen,Y.C.Shi,and G.S.Zhang.Preliminary  investigation  of a magneticallyinsulated relativistic backward waveoscillator operating in the C-band with lowmagnetic field,Phys.Plasmas 27,043101(2020)。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种反馈增强的相对论返波管，以进一步提高相对论返波管的束波转换效率。

[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0008] 一种反馈增强的相对论返波管，包括返波管管体、环形阴极、谐振反射器、慢波结构、提取腔、输出波导和磁场线圈；

[0009] 所述环形阴极位于返波管管体前侧，在高压脉冲作用下向返波管管体内发射环形相对论电子束；所述谐振反射器、慢波结构、提取腔、输出波导依次置于环形阴极后侧；所述磁场线圈安装在环形阴极、谐振反射器、慢波结构、提取腔及输出波导的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场；

[0010] 其特殊之处在于：

[0011] 还包括依次位于提取腔与输出波导之间的圆波导及波导腔；所述波导腔用于将部分输出微波反射至提取腔内；

[0012] 所述波导腔由两个梯形腔结构构成；即波导腔沿返波管管体的纵向截面为两个梯形；

[0013] 所述波导腔的内半径分别为r1、r2、r3和R12；内半径r1和r2对TM03模截止；内半径r3和R12对TM01模导通，TM02模截止；

[0014] 所述圆波导的内半径R11对TM01模导通，对TM02模截止；所述圆波导的轴向长度L至少半个导波波长内可调，满足λg/2＜L，其中λg为TM01模的导波波长。

[0015] 进一步地，r1和r2满足条件r1,r2＜1.377c/f；r3和R12满足条件0.382c/f＜r3,R12＜0.879c/f；其中c为光速，f为频率。

[0016] 进一步地，R11满足0.382c/f＜R11＜0.879c/f，其中c为光速，f为频率。

[0017] 本发明一种反馈增强的相对论返波管与现有技术相比，具有以下优点：

[0018] 1、本发明在输出波导中增加波导腔，用于将部分输出微波反射至提取腔内，为提取腔提供一定的微波反馈，进一步调节提取腔内部的电场分布；

[0019] 2、本发明通过改变波导腔与提取腔之间的圆波导的轴向长度可以有效调节微波反馈的相位，当反馈增强时可以增强提取腔内的工作场强，进一步实现更充分的电子束减速，提高器件束波转换效率。

附图说明

[0020] 图1为现有技术的传统速调型相对论返波管结构示意图；

[0021] 图中附图标记为：1-环形阴极，2-谐振反射器，3-慢波结构，4-提取腔，5-输出波导，6-磁场线圈。

[0022] 图2为本发明的一个优选实施例结构示意图；

[0023] 图中附图标记为：1-环形阴极，2-谐振反射器，3-慢波结构，4-提取腔，5-波导腔，6-输出波导，7-磁场线圈，8-环形相对论电子束，9-圆波导。

[0024] 图3为本发明的波导腔结构示意图；

[0025] 图4为本发明的波导腔实施例反射特性；

[0026] 图5为本发明的波导腔实施例提供的微波反馈相位对相对论返波管输出功率的影响。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明一种反馈增强的相对论返波管做详细描述。

[0028] 图2给出了本发明的一个实施例示意图。它包括环形阴极1、谐振反射器2、慢波结构3、提取腔4、圆波导9、波导腔5、输出波导6和磁场线圈7。

[0029] 环形阴极1位于返波管管体前侧，在高压脉冲作用下向管体内发射环形相对论电子束8；谐振反射器2、慢波结构3、提取腔4、圆波导9、波导腔5及输出波导6依次置于环形阴极后侧；磁场线圈7安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。

[0030] 工作时，环形阴极1产生环形相对论电子束，在磁场线圈7产生的磁场引导下，经过谐振反射器2，电子束获得合适的预调制，进入非均匀慢波结构3，与TM01模发生同步相互作用，向环形阴极1方向传输的TM01模微波经谐振反射器2反射后，重新进入谐振反射器2、非均匀慢波结构3和提取腔4中。产生的大部分微波紧接着经过圆波导9与波导腔5从输出波导6输出，而产生的另一部分微波被波导腔5反射，重新进入到提取腔4中形成驻波，使得电子束获得更充分的减速。

[0031] 波导腔5与提取腔4之间的圆波导9内半径R11对TM01模导通，对TM02模截止，其半径满足0.382c/f＜R11＜0.879c/f，其中c为光速，f为频率；圆波导9的轴向长度L至少半个导波波长内可调，满足λg/2＜L，其中λg为TM01模的导波波长。波导腔5由两个梯形腔构成，即波导腔沿返波管管体的纵向截面为两个梯形；双梯形波导腔内半径分别为r1、r2、r3和R12，内半径分r1与r2对TM03模截止，满足条件r1,r2＜1.377c/f；内半径R12和r3对TM01模导通，TM02模截止，满足条件0.382c/f＜r3,R12＜0.879c/f。

[0032] 在一个具体实施例中，上述相对论返波管工作频率为4.35GHz，波导腔由两个梯形腔结构构成，其各主要结构参数如下：R11＝48mm，L＝65mm，R12＝53.5mm，r1＝59.5mm，r2＝51.5mm，r3＝60mm，d1＝8.7mm，d2＝4mm，d3＝7.5mm，d4＝5mm，d5＝8mm，d6＝3mm。图4给出了该波导腔的S11曲线，对于频率为4.35GHz的微波，可以对功率比例约为4.7％的微波实现反射。

[0033] 在外加磁场0.32T，二极管电压880kV，电流13.7kA时，产生微波功率4.3GW，频率4.35GHz，束波转换效率35％，输出模式为TM01模。与已有技术在磁场0.32T下，束波转换效率
28％相比，本实施例在低磁场下转换效率有了较大提高。通过调节圆波导的轴向长度L可以改变微波反馈的相位，图5给出了相对论返波管输出功率随反馈相位变化的关系。在该具体实施例中，波导腔反馈相位以及返波管输出功率随轴向长度L的变化周期为42mm，输出功率分别在L＝23mm和L＝65mm时达到峰值。