一種l波段軸向虛陰極振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種L波段軸向虛陰極振蕩器，它包括陽極、可產(chǎn)生環(huán)形電子束的陰極、設(shè)置在陽極和陰極之間的絕緣體、陽極網(wǎng)、反饋階躍波導(dǎo)和微波輻射窗；所述的陰極、絕緣體和微波輻射窗均設(shè)置在陽極內(nèi)；所述的陽極、陰極、絕緣體和微波輻射窗圍成的空間抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超過10毫帕；陽極網(wǎng)設(shè)置在陰極與微波輻射窗之間，所述的陽極網(wǎng)、陽極和微波輻射窗形成微波傳輸腔，陰極產(chǎn)生的強流電子束在該微波傳輸腔內(nèi)形成虛陰極，所述的反饋階躍波導(dǎo)設(shè)置在陽極內(nèi)壁上且位于陽極網(wǎng)與虛陰極之間。本發(fā)明可使強流電子束在穿越陽極網(wǎng)后形成穩(wěn)定的虛陰極。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸向虛陰極振蕩器產(chǎn)生了單頻穩(wěn)定的高功率微波。
【專利說明】
一種L波段軸向虛陰極振蕩器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波器件領(lǐng)域，具體涉及一種L波段軸向虛陰極振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波是指頻率在I?300GHz范圍和峰值功率在100MW以上的電磁波，L波段是指頻率在I?2GHz的無線電波波段。隨著脈沖功率技術(shù)和等離子體物理的發(fā)展，高功率微波技術(shù)也迅速地發(fā)展起來，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了極大的進展，先后出現(xiàn)了很多種不同類型的高功率微波源。虛陰極振蕩器是高功率微波源重要的研究方向之一，在過去的二十多年時間里受到了國際上高度重視和廣泛研究。
[0003]通常被稱為虛陰極振蕩器完全不同于普通的微波源，因為它需要一個超過空間電荷限制流的電流。空間電荷限制流是指這樣一個電流，當注入電流超過這個電流時，靜電勢能超過電子束的動能，因此，虛陰極將電子反射，反射電子在實陰極與虛陰極之間振蕩，這稱作反射機制。虛陰極是不穩(wěn)定的，其位置和勢值也振蕩。這兩種機制能產(chǎn)生頻率近似相等的微波輻射。與其他微波源相比，虛陰極振蕩器具有概念和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。它產(chǎn)生高功率水平，而且極易調(diào)諧，因為它取決于電荷密度而不依賴于任何諧振條件。
[0004]虛陰極振蕩器是一種空間電荷器件，高電壓下陰極發(fā)射的強流電子束透過陽極網(wǎng)注入到漂移管中，由于電子具有強空間電荷效應(yīng)，只有低于空間電荷限制流強度的電子束才能夠穩(wěn)定的傳輸。當電子束流超過空間電荷限制電流的強度時，電子束在勢阱中的勢能將增大到足以抵消電子所具有的動能，造成束電子在陽極下游的某個位置大量群聚而形成虛陰極。虛陰極的形成一方面將阻止電子的繼續(xù)傳輸，把入射電子部分的反射，反射電子通過陽極網(wǎng)后又受到真實陰極的作用重新返回，于是反射電子在實陰極與虛陰極之間形成反射機制振蕩，產(chǎn)生微波輻射；另一方面電子的返回使虛陰極處勢值減小，電子束又能傳輸，進而又引起勢值增大，繼續(xù)阻止電子的進一步傳輸，使虛陰極的自身位置和勢值都發(fā)生振蕩，產(chǎn)生電磁福射。
[0005]虛陰極的形成和發(fā)展是一個不穩(wěn)定的動態(tài)非線性過程:一方面，它有一個與陰極對陽極大體相同的負電位，因此虛陰極區(qū)的電子要向陽極反射回去，這些反射電子穿過陽極到達陰極附近，又被陰極反推回來，來回發(fā)反射向外輻射微波，這就是人們所熟知的電子反射產(chǎn)生微波的機制；另一方面，電子被反射回去以后，虛陰極區(qū)的電子數(shù)密度小了，電勢要發(fā)生變化，勢阱的位置也要變化，與此同時，真實陰極發(fā)射的電子又不斷給虛陰極補充電子，使得虛陰極區(qū)電子數(shù)密度增加愛，從而導(dǎo)致虛陰極的電位和位置都發(fā)生變化，從宏觀上就表現(xiàn)為虛陰極隨空間和時間形成震蕩，從而激勵微波輻射，這就是虛陰極自身振蕩產(chǎn)生微波的機制。所以，虛陰極振蕩器是由虛陰極本身的時空振蕩以及電子在虛陰極和陰極之間的來回反射兩種機制共同產(chǎn)生微波的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在陽極網(wǎng)后面增加一反饋階躍波導(dǎo)，強流電子束在反饋階躍波導(dǎo)及陽極網(wǎng)的共同作用下，使強流電子束在穿越第陽極網(wǎng)后可形成穩(wěn)定的虛陰極，并且本軸向虛陰極振蕩器可產(chǎn)生單頻穩(wěn)定的高功率微波。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種L波段軸向虛陰極振蕩器，它包括陽極、可產(chǎn)生環(huán)形電子束的陰極、設(shè)置在陽極和陰極之間的絕緣體、陽極網(wǎng)、反饋階躍波導(dǎo)和微波輻射窗;所述的陰極、絕緣體和微波輻射窗均設(shè)置在陽極內(nèi)；所述的陽極、陰極、絕緣體和微波輻射窗圍成的空間抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超過10毫帕；陽極網(wǎng)設(shè)置在陰極與微波輻射窗之間，所述的陽極網(wǎng)、陽極和微波輻射窗形成微波傳輸腔，陰極產(chǎn)生的強流電子束在該微波傳輸腔內(nèi)形成虛陰極，所述的反饋階躍波導(dǎo)設(shè)置在陽極內(nèi)壁上且位于陽極網(wǎng)與虛陰極之間。本發(fā)明合理設(shè)置波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得虛陰極穩(wěn)定，且能夠產(chǎn)生單頻穩(wěn)定的高功率微波。陽極網(wǎng)的作用是在陰陽極高壓作用下，引導(dǎo)陰極發(fā)射產(chǎn)生的強流電子束軸向傳輸至陽極網(wǎng)，并使電子束穿過陽極網(wǎng)，在陽極網(wǎng)后形成虛陰極。
[0008]作為優(yōu)選方式，所述的L波段軸向虛陰極振蕩器的陽極和陰極分別與能夠產(chǎn)生400kV的電源或電路的正極和負極相連。
[0009]作為優(yōu)選方式，所述的陽極為管狀，陽極的一端為直管狀，另一端為喇叭狀(喇叭狀可解釋為管狀陽極由內(nèi)向外擴張或者管狀陽極由小端到大端平滑過渡)，該結(jié)構(gòu)可以使微波傳播更加順暢、微波更易擴散。
[0010]作為優(yōu)選方式，所述的陰極的發(fā)射端設(shè)置有用于發(fā)射環(huán)形電子束的環(huán)狀凸部，環(huán)狀電子束有助于提升束波轉(zhuǎn)換效率。
[0011]作為優(yōu)選方式，所述的環(huán)狀凸部軸向發(fā)射強流電子束內(nèi)外直徑分別為70mm，100mm，束流電壓為400kV束流強度為12kA。
[0012]作為優(yōu)選方式，所述的陽極網(wǎng)包括第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)，第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)均設(shè)置在陽極上，且第一陽極網(wǎng)與第二陽極網(wǎng)平行設(shè)置。采用雙層陽極網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并在陽極網(wǎng)后面增加一反饋階躍波導(dǎo)，使強流電子束在穿越第二陽極網(wǎng)后可形成穩(wěn)定的虛陰極。通過上述結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的單頻高功率微波更加穩(wěn)定。
[0013]作為優(yōu)選方式，所述的第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)的電子束透過率大于90%，更有利于束波轉(zhuǎn)換。
[0014]作為優(yōu)選方式，所述的第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)之間的距離為25mm。
[0015]作為優(yōu)選方式，所述的反饋階躍波導(dǎo)為圓環(huán)狀，反饋階躍波導(dǎo)的直徑為260mm，其軸向長度為18mm。
[0016]作為優(yōu)選方式，所述的陰極為平絨陰極;所述的微波輻射窗材料為聚四氟乙烯。材料易于獲得，有助于本發(fā)明的推廣應(yīng)用。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在陽極網(wǎng)后面增加了一反饋階躍波導(dǎo)，強流電子束在反饋階躍波導(dǎo)及陽極網(wǎng)的共同作用下，使強流電子束在穿越陽極網(wǎng)后可形成穩(wěn)定的虛陰極。通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸向虛陰極振蕩器產(chǎn)生了單頻穩(wěn)定的高功率微波。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1-絕緣體，2-陰極，3-第一陽極網(wǎng)，4-第二陽極網(wǎng)，5-反饋階躍波導(dǎo)，6-環(huán)形電子束，7-虛陰極，8-微波輻射窗。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖進一步詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述。
[0020]如圖1所示，一種L波段軸向虛陰極振蕩器，它包括陽極、可產(chǎn)生環(huán)形電子束6的陰極2、設(shè)置在陽極和陰極2之間的絕緣體1、陽極網(wǎng)、反饋階躍波導(dǎo)5和微波輻射窗8;絕緣體I的材料為尼龍，絕緣體I的作用是對器件陰陽極進行絕緣隔離;所述的陰極2、絕緣體I和微波輻射窗8均設(shè)置在陽極內(nèi)；所述的陽極、陰極2、絕緣體I和微波輻射窗8圍成的空間抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超過10毫帕，真空度優(yōu)選I?10毫帕；陽極網(wǎng)設(shè)置在陰極2與微波輻射窗8之間，所述的陽極網(wǎng)、陽極和微波輻射窗8形成微波傳輸腔，陰極2產(chǎn)生的強流電子束在該微波傳輸腔內(nèi)形成虛陰極7，所述的反饋階躍波導(dǎo)5設(shè)置在陽極內(nèi)壁上且位于陽極網(wǎng)與虛陰極7之間。
[0021]優(yōu)選地，所述的L波段軸向虛陰極7振蕩器的陽極和陰極2分別與能夠產(chǎn)生400kV的電源或電路的正極和負極相連。
[0022]優(yōu)選地，所述的陽極為管狀，陽極的一端為直管狀，另一端為喇叭狀。
[0023]優(yōu)選地，所述的陰極2的發(fā)射端設(shè)置有用于發(fā)射環(huán)形電子束6的環(huán)狀凸部。
[0024]優(yōu)選地，所述的環(huán)狀凸部的內(nèi)徑尺寸范圍為65mm?75mm;所述的環(huán)狀凸部的外徑尺寸范圍為95mm?105mm;進一步優(yōu)選，所述的環(huán)狀凸部的內(nèi)外徑尺寸分別為70mm和100mm，環(huán)狀凸部軸向發(fā)射強流電子束內(nèi)外直徑分別為70mm，100mm，束流電壓為400kV束流強度為12kA0
[0025]優(yōu)選地，所述的陽極網(wǎng)包括第一陽極網(wǎng)3和第二陽極網(wǎng)4，第一陽極網(wǎng)3和第二陽極網(wǎng)4均設(shè)置在陽極上，且第一陽極網(wǎng)3與第二陽極網(wǎng)4平行設(shè)置。第二陽極網(wǎng)4(軸向虛陰極7振蕩器中距離陰極2更近的一層陽極網(wǎng))的作用是在陰陽極高電壓作用下，引導(dǎo)陰極2發(fā)射產(chǎn)生的強流電子束軸向傳輸至陽極網(wǎng)，并使電子束穿透第一陽極網(wǎng)3和第二陽極網(wǎng)4，在第二陽極網(wǎng)4后形成虛陰極7。
[0026]優(yōu)選地，所述的第一陽極網(wǎng)3和第二陽極網(wǎng)4的電子束透過率大于90%。
[0027]優(yōu)選地，所述的第一陽極網(wǎng)3和第二陽極網(wǎng)4之間的距離為20mm?30mm，更優(yōu)選地，第一陽極網(wǎng)3和第二陽極網(wǎng)4之間的距離為25mm。
[0028]優(yōu)選地，所述的反饋階躍波導(dǎo)5為圓環(huán)狀，反饋階躍波導(dǎo)5的直徑為250mm?270_，其軸向長度為15?20mm;更優(yōu)選地，反饋階躍波導(dǎo)5的直徑為260mm，軸向長度為18mm。反饋階躍波導(dǎo)5設(shè)置在第二陽極網(wǎng)4與虛陰極7之間，更為優(yōu)選的是，反饋階躍波導(dǎo)5更靠近第二陽極網(wǎng)4，反饋階躍波導(dǎo)5的作用是對虛陰極7產(chǎn)生一突變阻抗，維持虛陰極7的形成穩(wěn)定。
[0029]優(yōu)選地，所述的陰極2為平絨陰極2，其作用是產(chǎn)生強流電子束;所述的微波輻射窗8材料為聚四氟乙烯。
[0030]對附圖標記的進一步說明:附圖標記6為陰極2發(fā)射產(chǎn)生并在陽極網(wǎng)引導(dǎo)下進行軸向傳輸?shù)沫h(huán)形電子束6。附圖標記7為強流電子束電流強度超過波導(dǎo)內(nèi)的空間電荷限制流后，在波導(dǎo)腔內(nèi)形成的虛陰極7，虛陰極7中部分電子可繼續(xù)向波導(dǎo)腔(即所述的陽極網(wǎng)、陽極和微波輻射窗8形成微波傳輸腔)下游傳輸，絕大部分電子被虛陰極7反射回陽極網(wǎng)。
[0031]本發(fā)明采用雙層陽極網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并在陽極網(wǎng)后面增加一反饋階躍波導(dǎo)5，強流電子束在反饋階躍波導(dǎo)5及陽極網(wǎng)的共同作用下，使強流電子束在穿越第二陽極網(wǎng)4后可形成穩(wěn)定的虛陰極7，通過這種結(jié)構(gòu)，軸向虛陰極7振蕩器可產(chǎn)生單頻穩(wěn)定的高功率微波。
[0032]本發(fā)明的優(yōu)選實施過程是:用真空獲得裝置將軸向虛陰極7振蕩器內(nèi)真空度處理到毫帕量級。陰陽極之間施加高電壓或極高電壓(如400kV)，當電壓強度達到陰極2材料的電子發(fā)射閾值時，平絨陰極2發(fā)射產(chǎn)生環(huán)形軸向強流電子束(電子束的束流強度為12kA)。強流電子束在第一層陽極網(wǎng)引導(dǎo)下軸向傳輸透過第二層陽極網(wǎng)，并在階躍波導(dǎo)作用下，在第二層陽極網(wǎng)后形成穩(wěn)定的虛陰極7振蕩，電子束將能量交給微波場，產(chǎn)生高功率微波(頻率為1.53GHz )，高功率微波經(jīng)天線(微波輻射窗8)輻射出去。
[0033]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當指出的是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:它包括陽極、可產(chǎn)生環(huán)形電子束的陰極、設(shè)置在陽極和陰極之間的絕緣體、陽極網(wǎng)、反饋階躍波導(dǎo)和微波輻射窗;所述的陰極、絕緣體和微波輻射窗均設(shè)置在陽極內(nèi)；所述的陽極、陰極、絕緣體和微波輻射窗圍成的空間抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超過10毫帕；陽極網(wǎng)設(shè)置在陰極與微波輻射窗之間，所述的陽極網(wǎng)、陽極和微波福射窗形成微波傳輸腔，陰極產(chǎn)生的強流電子束在該微波傳輸腔內(nèi)形成虛陰極，所述的反饋階躍波導(dǎo)設(shè)置在陽極內(nèi)壁上且位于陽極網(wǎng)與虛陰極之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的L波段軸向虛陰極振蕩器的陽極和陰極分別與能夠產(chǎn)生400kV的電源或電路的正極和負極相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的陽極為管狀，陽極的一端為直管狀，另一端為喇叭狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的陰極的發(fā)射端設(shè)置有用于發(fā)射環(huán)形電子束的環(huán)狀凸部。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的環(huán)狀凸部軸向發(fā)射強流電子束內(nèi)外直徑分別為70_，100_，束流電壓為400kV束流強度為12kA。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的陽極網(wǎng)包括第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)，第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)均設(shè)置在陽極上，且第一陽極網(wǎng)與第二陽極網(wǎng)平行設(shè)置。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)的電子束透過率大于90%。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的第一陽極網(wǎng)和第二陽極網(wǎng)之間的距離為25mm。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的反饋階躍波導(dǎo)為圓環(huán)狀，反饋階躍波導(dǎo)的直徑為260mm，其軸向長度為18_。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種L波段軸向虛陰極振蕩器，其特征在于:所述的陰極為平絨陰極;所述的微波輻射窗材料為聚四氟乙烯。
【文檔編號】H01J25/02GK105914118SQ201610512743
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】張運儉, 孟凡寶, 丁恩燕, 楊周柄, 陸巍
【申請人】中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所