CN106253031B

CN106253031B - 亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器

Info

Publication number: CN106253031B
Application number: CN201610666418.5A
Authority: CN
Inventors: 葛行军; 杨建华; 张军; 贺军涛; 钱宝良; 钟辉煌
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: CN106253031A

Abstract

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源，提供一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，包括阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、反射器、输出波导、螺线管磁场，在锥形波导之后设置厂字形收集极，在截止颈和慢波结构之间有2个前置谐振腔，在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个调制腔，在慢波结构末端和锥形波导之间还设置有1个后置谐振腔。本发明克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾输出微波脉宽长、功率转换效率高，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现亚微秒级脉宽、效率大于35％的微波输出，且该微波源结构紧凑、易于重复频率运行。

Description

亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器。

背景技术

目前，高功率微波(通常指峰值功率大于100MW、频率在1～300GHz之间的电磁波)在定向能武器、卫星和空间平台供能、小型深空探测器的发射、轨道飞行器高度改变推进***、电子高能射频加速器、材料加工与处理等国防和工业领域得到广泛应用。

高功率微波源是高功率微波***的核心器件，其运行是基于电子束的相干辐射。电子束的相干辐射分为切伦科夫辐射、渡越辐射、轫致辐射三类。基于切伦科夫辐射机理的高功率微波源主要为相对论切伦科夫振荡器和相对论切伦科夫放大器。基于渡越辐射机理的高功率微波源主要为相对论速调管振荡器和相对论速调管放大器。基于轫致辐射机理的高功率微波源主要为自由电子激光、虚阴极等。

相对论切伦科夫振荡器作为一种发展较为成熟的高功率微波源，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点，受到国际上广大科研人员的关注。提高相对论切伦科夫振荡器的单脉冲能量及平均功率水平是高功率微波领域发展的重要目标，通常可以通过提高器件峰值功率、重复频率和脉冲宽度三方面来实现。相关研究表明单一相对论切伦科夫振荡器的峰值功率水平很难大幅度提高，而重复频率运行频率要达到或超过kHz水平也非常困难。因此，延长输出微波的脉冲宽度成为相对论切伦科夫振荡器研究方向提高器件单脉冲能量和平均功率水平的重要手段。

研究长脉冲相对论切伦科夫振荡器具有代表性的是国防科学技术大学设计的器件【Jun Zhang,Zhen-Xing Jin,Jian-Hua Yang,Hui-Huang Zhong,Ting Shu,Jian-DeZhang,Bao-Liang Qian,Cheng-Wei Yuan,Zhi-Qiang Li,Yu-Wei Fan,Sheng-Yue Zhou,and Liu-Rong Xu.Recent Advance in Long-Pulse HPM Sources With RepetitiveOperation in S-,C-,and X-Bands.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，Vol.39，No.6，pp.1438-1445】(以下称为现有技术1)。该结构由阴极座、阴极、阳极外筒、截止颈、慢波结构、锥形波导、输出波导以及螺线管磁场组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。为了叙述方便，下文中将沿轴线方向上靠近阴极座的一侧称为左端，远离阴极座的一侧称为右端。其中慢波结构由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，第5个慢波叶片具有较大的最大外半径，5个慢波叶片的长度L₁相同。输出波导为内半径为R₇的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该器件结构简单，有利于高功率微波的稳定输出，并且器件采用较大半径的输出波导收集残余电子，降低了收集处电子的密度，减少了因电子轰击输出波导内壁而产生的二次电子的数量，进而削弱了等离子体对微波产生的影响，有利于实现长脉冲运行。实验结果表明，微波输出功率达到1GW，脉宽100ns，频率为3.6GHz。但是该器件功率转换效率较低，仅为20％，低于常规相对论切伦科夫振荡器的30％左右的功率转换效率。输出同样功率的微波，较低功率转换效率要求脉冲驱动源注入更高的电功率，故对脉冲驱动源的驱动能力提出较高要求，不利于其结构的紧凑化。因此，该技术方案不能实现长脉冲相对论切伦科夫振荡器的高效率运行，不利于实现高功率微波***的小型化和紧凑化。

提高相对论切伦科夫振荡器的功率转换效率有多种途径，例如采用非均匀慢波结构、加入谐振腔、采用等离子体加载等。【刘国治，陈昌华，张玉龙，同轴引出相对论返波管，强激光与粒子束，2001，Vol.13，No.4，pp.467-470】(以下称为现有技术2)中公布了一种同轴引出相对论切伦科夫振荡器的结构。该结构中慢波结构由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，第9个慢波叶片具有较大的最大外半径，9个慢波叶片的长度L₁相同。该同轴引出相对论返波管还包括一个圆柱形的同轴提取结构，在同轴提取结构左端面挖有环形凹槽，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构和输出波导的连接方式没有交代。粒子模拟结果得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45％。但是在对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件慢波结构采用9个慢波叶片，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，影响器件的工作。由于同轴提取结构位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于相对论切伦科夫振荡器长脉冲、重复频率工作。

因此，尽管人们已经开始研究高效率或长脉冲相对论切伦科夫振荡器，但很少见到成熟且简单易行的方案，尤其是同时实现亚微秒级长脉冲、高效率相对论切伦科夫振荡器的技术方案尚未有公开报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，克服通常相对论切伦科夫振荡器难以兼顾输出微波脉宽长、功率转换效率高，解决同轴提取结构易产生等离子体影响工作效率的问题，在使用较少慢波叶片下的情况下实现亚微秒级脉宽、效率大于35％的微波输出，且该微波源结构紧凑、易于重复频率运行。

本发明的技术方案是：

一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，包括阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308、调制腔311、后置谐振腔312、厂字形收集极313、反射器314，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体；

阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，内半径R₁等于电子束半径，套在阴极座301右端；截止颈304呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁，具体尺寸需要根据工作波长λ优化设计；第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b均呈圆盘状，第一前置谐振腔310a内半径R₂和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₂，长度L₅一般取值为工作波长λ的0.15-0.35倍，第二前置谐振腔310b内半径等于第一前置谐振腔310a内半径R₂，其外半径为R₁₂，满足R₁₁＞R₁₂＞R₂，长度L₆一般取值为工作波长λ的0.1-0.3倍；慢波结构305由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，前2个慢波叶片相同，后3个慢波叶片相同，后3个慢波叶片外半径R₆比前2个慢波叶片外半径R₃大，满足R₆＞R₃，后3个慢波叶片的长度L₈比前2个慢波叶片长度L₁短，满足L₈＜L₁，L₁一般取值为工作波长λ的0.4-0.6倍，L₈一般取值为工作波长的0.3至0.5倍；在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个形状为圆盘状的调制腔311，调制腔311的半径R₁₃大于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R₆，调制腔311半径R₁₃为工作波长的0.65至0.85倍，调制腔311宽度L₇为工作波长的0.05至0.15倍；在慢波结构305和锥形波导306之间设置有1个形状为圆盘状的后置谐振腔312，后置谐振腔312的半径等于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R₆，后置谐振腔312的宽度L₉一般取值为工作波长λ的0.05-0.15倍；锥形波导306的左侧半径为R₁₄，右侧半径为R₁₅，R₁₄＜R₁₅，长度为L₂，L₂一般取值为工作波长λ的0.9-1.1倍；锥形波导306之后接厂字形收集极313，厂字形收集极313的外半径等于锥形波导306的右侧半径R₁₅，R₁₅小于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R₆，厂字形收集极313上端封闭处宽度L₁₀等于工作波长λ，下端敞口处的宽度L₁₁取值为工作波长的0.4至0.6倍，所述厂字形收集极313内部台阶宽度L₁₂取值为工作波长的0.2至0.3倍；所述厂字形收集极313右侧斜边宽度L₁₃取值为工作波长的1.1至1.4倍；厂字形收集极313与输出波导307之间设置反射器314，反射器314的内半径R₁₈小于阴极302半径R₁，反射器314下端的宽度L₁₄取值为工作波长的1.1至1.4倍，反射器314右侧斜边的宽度L₁₅取值为工作波长的0.75至0.95倍；输出波导307为内半径为R₇的圆波导，R₇＞R₁₃。

所述阴极座301、阳极外筒303、截止颈304、、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、厂字形收集极313和反射器314均采用不锈钢或无氧铜或钛或钼等金属材料制成，阴极302采用石墨或不锈钢或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板制成，螺线管磁场308采用铜线或铝线绕制而成。

本发明的工作原理是：阴极产生的相对论电子束与由慢波结构决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生高功率微波经由输出波导辐射出去。

与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

(1)采用厂字形收集极，主要作用如下：

(a)厂字形收集极利用下端敞口处引入电子束，利用上端封闭处的内壁收集残余电子束。经过束波相互作用，电子束因失去能量(交给微波场)速度降低，又加上收集极半径较大，故残余电子抵达收集极内壁时已经发散，轰击收集极内壁的电子密度明显降低。因此，可以削弱因电子束轰击内壁产生的二次电子对输出微波脉宽的影响，抑制脉冲缩短现象，有利于实现长脉冲；

(b)通过调节厂字形收集极上端、下端的宽度以及台阶的宽度，可以改变高功率微波源末端的不连续性调节相位，增强电子束与电磁波之间的相互作用。从图5～7中可见，调节厂字形收集极上端、下端的宽度以及台阶的宽度，能对束波作用产生具有最优效果的峰值。

(2)采用1个调制腔，主要作用如下：

(a)优化后的调制腔表面具有较强的轴向电场，可以与电子束发生相互作用，把电子束能量交给微波场，提高功率转换效率。从图8～9中可见，调节调制腔宽度和外半径，能对束波作用产生具有最优效果的峰值。

(b)电子束在调制腔中传输时，将电子束在器件初始段中获得的速度调制转化为密度调制而形成群聚，在器件后段，具有较好群聚状态的束与波将发生有效相互作用，因此可以提高功率转换效率。从图10中可见，在器件后段，电子束具有较好群聚状态。

(3)采用1个后置谐振腔增加反射，主要作用如下：

(a)群聚良好的电子束靠近后置腔时，电子束的势能迅速降低，电子束动能迅速增大，即被加速，这意味着电子束可以进一步把能量交给微波场，有利于提高功率转换效率；

(b)优化后的后置谐振腔有利于提高腔体的品质因素，在谐振条件下能提高束波作用效率，可在慢波叶片个数较少的情况下实现高效的微波激励，确保实现小型化和高效率。

(4)采用2个前置谐振腔，主要作用如下：

(a)与仅有1个前置谐振腔相比，利用2个经优化后的前置谐振腔可以对向二极管区方向传输的微波的反射系数为1，即可实现全反射；

(b)与仅有1个前置谐振腔相比，采用2个前置谐振腔结构，电子束距离谐振腔的径向距离经优化可以更大，既能避免电子束刮擦或轰击前置谐振腔，又能削弱腔体表面的射频场强度，因而可以有效削弱由于阴极等离子体的径向膨胀而造成的微波脉宽缩短，有利于实现长脉冲微波输出。从图11～13可见，采用1个前置谐振腔，腔体表面最强场为1.4MV/cm，实验后，前置谐振腔右侧被电子束刮擦与射频击穿的痕迹明显，此时微波脉宽150ns～160ns左右；从图14～16可见，采用2个前置谐振腔，腔体表面最强场降低为0.9MV/cm，实验后，截止颈右侧被电子束刮擦与射频击穿的痕迹不明显，此时微波脉宽200ns～210ns左右。因此，采用2个前置反射腔增大电子束距离截止颈的径向距离，即避免电子束刮擦或轰击，又削弱器件内部射频场，有利于长脉冲微波输出。

(c)可以对电子束进行较为充分的预调制，有利于随后的束波相互作用，提高器件功率转换效率。与采用多个(3个以上)前置谐振腔相比，利用2个前置谐振腔带来的固有振荡模式较少，不容易产生模式竞争，并且有利于器件的小型化。

(5)采用反射器，通过调节反射器下端的宽度和斜面的宽度，可以改变高功率微波源末端的不连续性调节相位，增强电子束与电磁波之间的相互作用。

附图说明

图1为背景介绍中现有技术1公开的相对论切伦科夫振荡器的结构示意图；

图2为背景介绍中现有技术2公开的相对论切伦科夫振荡器的结构示意图；

图3为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的A-A剖视结构示意图；

图4为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的A-A剖视立体示意图；

图5为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的厂字形收集极上端的宽度L₁₀对输出微波效率的影响结果示意图；

图6为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的厂字形收集极下端的宽度L₁₁对输出微波效率的影响结果示意图；

图7为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的厂字形收集极台阶的宽度L₁₂对输出微波效率的影响结果示意图；

图8为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的调制腔的宽度L₇对输出微波效率的影响结果示意图；

图9为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的调制腔的半径R₁₃对输出微波效率的影响结果示意图；

图10为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的仿真中电子束的调制状态图；

图11为本发明提供的与亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例进行对比的采用1个前置谐振腔的仿真中器件内电场的分布；

图12为本发明提供的与亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例进行对比的采用1个前置谐振腔实验后照片；

图13为本发明提供的与亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例进行对比的采用1个前置谐振腔实验波形；

图14为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的采用2个前置谐振腔的仿真中器件内的电场分布；

图15为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的采用2个前置谐振腔实验后照片；

图16为本发明提供的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的采用2个前置谐振腔实验波形。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术1中公布的长脉冲相对论切伦科夫振荡器的结构示意图。该结构由阴极座101、阴极102、阳极外筒103、截止颈104、慢波结构105、锥形波导106、输出波导107、螺线管磁场108组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构5由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧4个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₃，最小内半径为R₄；第5个慢波叶片最大外半径为R₃，最小内半径为R₅，平均半径为R₆，满足R₃＞R₆＞R₅＞R₄，5个慢波叶片的长度L₁相同。输出波导107为内半径为R₇的圆波导，利用波导内壁收集残余电子。该方案结构简单，实验中实现了脉宽为100ns的长脉冲高功率微波输出，这对于研制长脉冲相对论切伦科夫振荡器有重要借鉴意义。但是该器件功率转换效率较低，仅为20％，低于通常相对论切伦科夫振荡器的30％的功率转换效率，不能实现长脉冲相对论切伦科夫振荡器的高效率运行，不利于高功率微波***的小型化和紧凑化，影响其应用范围的拓展。

图2为现有技术2中公布的高效率相对论切伦科夫振荡器的结构示意图。虽然该论文公布了该结构的组成，但该结构只是初步建立的数值仿真模型，没有具体技术方案。该结构由阴极座201、阴极202、阳极外筒203、截止颈204、慢波结构205、锥形波导206、输出波导207、螺线管磁场208、同轴提取结构209组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。其中慢波结构205由9个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，左侧8个慢波叶片完全相同，最大外半径为R₃，最小内半径为R₄；第9个慢波叶片最大外半径为R₃，最小内半径为R₅，平均半径为R₆，满足R₃＞R₆＞R₅＞R₄。9个慢波叶片的长度L₁相同。输出波导为内半径为R₇的圆波导。同轴提取结构9为外半径为R₈的圆柱，在同轴提取结构209左端面挖有环形凹槽，环形凹槽的内半径R₉和外半径R₁₀满足R₁₀＞R₁＞R₉，利用凹槽内壁吸收残余电子。由于该结构只是初步建立的数值仿真模型，同轴提取结构209和输出波导207的连接方式没有交代。利用该方案建立仿真模型，通过模拟得到输出微波功率为2.0GW，频率为9.28GHz，效率达45％(高于通常相对论切伦科夫振荡器的30％的功率转换效率)，这对于研制高效率相对论切伦科夫振荡器有重要借鉴意义。但是，对该器件的模拟结果中，输出功率含有直流成分，因而模拟结果有较大误差。器件采用9个慢波结构205，导致轴向长度过大，不利于器件的小型化。此外，器件拟利用同轴提取结构209左侧的凹槽内壁吸收残余电子，减少电子束直接轰击输出波导207内壁产生的二次电子，进而削弱二次电子对器件工作过程的影响，实现微波的长脉冲输出。但是电子束长时间轰击后容易使凹槽内壁的不锈钢材料升温，进而产生等离子体，进而影响器件内部束波作用过程，引起脉冲缩短。由于同轴提取结构209位于器件的内部，不容易利用水循环进行冷却，故不利于相对论切伦科夫振荡器长脉冲、重复频率工作。

图3为本发明亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器优选实施例的A-A剖视结构示意图，图4为本实施方式的A-A剖视立体示意图。本发明由阴极座301、阴极302、阳极外筒303、截止颈304、第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、螺线管磁场308、调制腔311、后置谐振腔312、厂字形收集极313、反射器314组成，整个结构关于中心轴线旋转对称。阴极座301左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒303左端外接脉冲功率源的外导体。

阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚一般取0.1mm-2mm，在本实施例中取值为0.1mm，内半径R₁等于电子束的半径，套在阴极座301右端。截止颈304呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁，具体尺寸需要根据工作波长λ优化设计。

第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b均呈圆盘状，第一前置谐振腔310a内半径R₂和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₂，长度L₅一般取值为工作波长λ的0.15-0.35倍，在本实施例中L₅为工作波长λ的0.25倍；第二前置谐振腔310b内半径R₂和外半径R₁₂满足R₁₁＞R₁₂＞R₂，长度L₆一般取值为工作波长λ的0.1-0.3倍，在本实施例中L₅为工作波长λ的0.2倍。

慢波结构305由5个慢波叶片组成，，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构。其中，前2个慢波叶片相同，后3个慢波叶片相同，后3个慢波叶片外半径R₆比前2个慢波叶片外半径R₃大，满足R₆＞R₃；后3个慢波叶片的长度L₈比前2个慢波叶片长度L₁短，满足L₈＜L₁。L₁一般取值为工作波长λ的0.4-0.6倍，后3个慢波叶片的长度L₈为工作波长的0.3至0.5倍。在本实施例中，L₁为工作波长λ的0.53倍，L₈为工作波长λ的0.44倍。相邻慢波叶片之间可以通过台阶座连接或螺纹连接实现紧密配合。

在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个形状为圆盘状的调制腔311，调制腔311的半径R₁₃大于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R₆；所述调制腔311半径R₁₃为工作波长的0.65至0.85倍，在本实施例中R₁₃为工作波长的0.78倍。调制腔311宽度L₇为工作波长的0.05至0.15倍，在本实施例中L₇为工作波长的0.08倍。

在所述慢波结构305和锥形波导306之间还设置有1个形状为圆盘状的后置谐振腔312，所述后置谐振腔312的半径等于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R₆；所述后置谐振腔312的宽度L₉一般取值为工作波长λ的0.05-0.15倍，在本实施例中，L₉为工作波长的0.11倍。

锥形波导306的左侧半径为R₁₄，右侧半径为R₁₅，R₁₄＜R₁₅；长度为L₂，L₂一般取值为工作波长λ的0.9-1.1倍，在本实施例中L₂等于工作波长λ。

锥形波导306之后接厂字形收集极313，厂字形收集极313的外半径等于锥形波导306的右侧半径R₁₅，R₁₅小于慢波结构305慢波叶片的最大外半径R₆。所述厂字形收集极313上端封闭处宽度L₁₀等于工作波长λ；下端的敞口处宽度L₁₁为工作波长的0.4至0.6倍，在本实施例中L₁₁等于工作波长λ的0.5倍；所述厂字形收集极313内部台阶宽度L₁₂为工作波长的0.2至0.3倍，在本实施例中L₁₂等于工作波长λ的0.25倍；所述厂字形收集极313右侧斜边宽度L₁₃为工作波长的1.1至1.4倍，在本实施例中L₁₃等于工作波长λ的1.3倍。

厂字形收集极313与输出波导307之间设置反射器314，反射器314的内半径R₁₈小于阴极302半径R₁。所述反射器314下端的宽度L₁₄范围是工作波长的1.1至1.4倍，在本实施例中L₁₄等于工作波长λ的1.26倍；所述反射器314右侧斜边的宽度L₁₅是工作波长的0.75至0.95倍，在本实施例中L₁₅等于工作波长λ的0.85倍。

输出波导307为内半径为R₇的圆波导，R₇＞R₁₃。。

截止颈304、前置谐振腔310a和310b、慢波结构305、调制腔311、后置谐振腔312、厂字形收集极313、锥形波导306、反射器314与输出波导307之间通过螺纹连接或台阶座连接固定后，从阳极外筒303的右侧、沿轴向、紧贴阳极外筒303的内壁，嵌入阳极外筒303并固定。截止颈304左端面的外侧与阳极外筒303紧密接触提供第一支撑点，厂字形收集极313外侧通过法兰与阳极外筒303连接提供第二支撑点并起到沿轴向定位的作用。输出波导307的右端接天线，可参照不同波长的要求，根据通用的天线设计方法设计仿真得到天线的具体结构，由于是通用方法，不存在技术秘密。本发明运行时，阴极302产生的相对论电子束与由慢波结构305决定的TM₀₁模式的电磁波进行束波相互作用，产生的高功率微波从微波经由输出波导307辐射出去。

进一步地，所述阴极座301、阳极外筒303、截止颈304、、慢波结构305、锥形波导306、输出波导307、厂字形收集极313和反射器314均采用不锈钢或无氧铜或钛或钼等金属材料，阴极302采用石墨或无磁不锈钢或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板制成，螺线管磁场308采用铜线或铝线绕制而成。

本实施例实现了中心频率为3.73GHz(对应微波波长λ＝8cm)的亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器(相应的尺寸设计为：R₁＝39mm，R₂＝48mm，R₃＝54mm，R₄＝45mm，R₆＝61mm，R₇＝64mm，R₁₁＝66mm，R₁₂＝60mm，R₁₃＝62mm，R₁₄＝44mm，R₁₅＝56mm，R₁₆＝53mm，R₁₇＝43mm，R₁₈＝37mm，L₁＝42mm，L₅＝20mm，L₆＝16mm，L₇＝6mm，L₈＝35mm，L₉＝8.8mm，L₁₀＝80mm，L₁₁＝40mm，L₁₂＝20mm，L₁₃＝105mm，L₁₄＝101mm，L₁₅＝68mm)。粒子模拟中，在二极管电压900kV、电流9.7kA、导引磁场1.5T的条件下，输出微波功率3.2GW，功率转换效率36.7％，脉宽260ns(电脉宽300ns)。由上述结果可知，本发明克服了通常相对论切伦科夫振荡器只能单一追求高效率或长脉冲的缺点，能同时兼顾亚微秒级长脉冲和高效率高功率微波输出，并且实现了结构的小型化，对于设计该类型器件具有重要的借鉴意义。

参见图5，可知厂字形收集极313上端的宽度L₁₀对输出微波效率存在影响，随着L₁₀增大能使输出微波效率先增大后减小，当L₁₀＝80mm时达到最高输出效率。

参见图6，可知厂字形收集极313下端的宽度L₁₁对输出微波效率存在影响，随着L₁₁增大能使输出微波效率先增大后减小，当L₁₁＝40mm时达到最高输出效率。

参见图7，可知厂字形收集极313台阶的宽度L₁₂对输出微波效率存在影响，随着L₁₂增大能使输出微波效率先增大后减小，当L₁₂＝20mm时达到最高输出效率。

参见图8，可知调制腔311的宽度L₇对输出微波效率存在影响，随着L₇增大能使输出微波效率先增大后减小，当L₇＝6mm时达到最高输出效率。

参见图9，可知调制腔311的外半径R₁₃对输出微波效率存在影响，随着R₁₃增大能使输出微波效率先增大后减小，当R₁₃＝62mm时达到最高输出效率。

参见图10，可知调制腔311使电子束在初始段中获得的速度调制转化为密度调制而形成群聚，因此器件初始段群聚不明显，器件后段电子束具有较好群聚状态，有利于束与波将发生有效相互作用。

参见图11～13，为与本发明优选实施例进行对比的采用1个前置谐振腔310’的仿真与实验结果。由图11可见，采用1个前置谐振腔310’，腔体表面最强场集中在前置谐振腔内部后端，约为1.4MV/cm；由图12可见，实验后，前置谐振腔310’右侧被电子束刮擦与射频击穿的痕迹明显；由图13可见，微波脉宽150ns～160ns左右，发生较明显的脉冲缩短现象。

参见图14～16，为本发明优选实施例采用2个前置谐振腔310的仿真与实验结果。由图14可见，采用2个前置谐振腔310，腔体表面最强场集中在前置谐振腔内部后端，约为0.9MV/cm；由图15可见，实验后，前置谐振腔310右侧被电子束刮擦与射频击穿的痕迹不明显；由图16可见，微波脉宽200ns～210ns左右，输出微波脉宽延长了约50ns。因此，采用2个前置反射腔310增大电子束距离截止颈的径向距离，即避免电子束刮擦或轰击，又削弱器件内部射频场，有利于长脉冲微波输出。

当然，在本优选实施例中，截止颈304、第一前置谐振腔310a、第二前置谐振腔310b、慢波结构305、调制腔311、后置谐振腔312、厂字形收集极313、锥形波导306、反射器314与输出波导307之间也可以采用其他连接方式，器件结构也可采用其它材料加工，以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims

1.一种亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述振荡器包括阴极座(301)、阴极(302)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、第一前置谐振腔(310a)、第二前置谐振腔(310b)、慢波结构(305)、锥形波导(306)、输出波导(307)、螺线管磁场(308)、调制腔(311)、后置谐振腔(312)、厂字形收集极(313)、反射器(314)，整个结构关于中心轴线旋转对称，阴极座(301)左端外接脉冲功率源的内导体，阳极外筒(303)左端外接脉冲功率源的外导体；

阴极(302)是一个薄壁圆筒，壁厚取0.1mm-2mm，内半径R₁等于电子束半径，套在阴极座(301)右端；截止颈(304)呈圆盘状，内半径为R₂，R₂＞R₁；第一前置谐振腔(310a)、第二前置谐振腔(310b)均呈圆盘状，第一前置谐振腔(310a)内半径R₂和外半径R₁₁满足R₁₁＞R₂，长度L₅取值为工作波长λ的0.15-0.35倍，第二前置谐振腔(310b)内半径等于第一前置谐振腔(310a)内半径R₂，其外半径为R₁₂，满足R₁₁＞R₁₂＞R₂，长度L₆取值为工作波长λ的0.1-0.3倍；慢波结构(305)由5个慢波叶片组成，每个慢波叶片的内表面均是梯形结构，前2个慢波叶片相同，后3个慢波叶片相同，后3个慢波叶片外半径R₆比前2个慢波叶片外半径R₃大，满足R₆＞R₃，后3个慢波叶片的长度L₈比前2个慢波叶片长度L₁短，满足L₈＜L₁，L₁取值为工作波长λ的0.4-0.6倍，L₈取值为工作波长的0.3至0.5倍；在第2个慢波叶片和第3个慢波叶片之间设置有1个形状为圆盘状的调制腔(311)，调制腔(311)的半径R₁₃大于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R₆，调制腔(311)半径R₁₃为工作波长的0.65至0.85倍，调制腔(311)宽度L₇为工作波长的0.05至0.15倍；在慢波结构(305)和锥形波导(306)之间设置有1个形状为圆盘状的后置谐振腔(312)，后置谐振腔(312)的半径等于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R₆，后置谐振腔(312)的宽度L₉取值为工作波长λ的0.05-0.15倍；锥形波导(306)的左侧半径为R₁₄，右侧半径为R₁₅，R₁₄＜R₁₅，长度为L₂，L₂取值为工作波长λ的0.9-1.1倍；锥形波导(306)之后接厂字形收集极(313)，厂字形收集极(313)的外半径等于锥形波导(306)的右侧半径R₁₅，R₁₅小于慢波结构(305)慢波叶片的最大外半径R₆，厂字形收集极(313)上端封闭处宽度L₁₀等于工作波长λ，下端敞口处的宽度L₁₁取值为工作波长的0.4至0.6倍，所述厂字形收集极(313)内部台阶宽度L₁₂取值为工作波长的0.2至0.3倍；所述厂字形收集极(313)右侧斜边宽度L₁₃取值为工作波长的1.1至1.4倍；厂字形收集极(313)与输出波导(307)之间设置反射器(314)，反射器(314)的内半径R₁₈小于阴极(302)半径R₁，反射器(314)下端的宽度L₁₄取值为工作波长的1.1至1.4倍，反射器(314)右侧斜边的宽度L₁₅取值为工作波长的0.75至0.95倍；输出波导(307)为内半径为R₇的圆波导，R₇＞R₁₃。

2.根据权利要求1所述亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述阴极座(301)、阳极外筒(303)、截止颈(304)、慢波结构(305)、锥形波导(306)、输出波导(307)、厂字形收集极(313)和反射器(314)均采用不锈钢或无氧铜或钛或钼制成，阴极(302)采用石墨或不锈钢或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板制成，螺线管磁场(308)采用铜线或铝线绕制而成。

3.根据权利要求1或2所述亚微秒级长脉冲高效率相对论切伦科夫振荡器，其特征在于：所述振荡器的参数如下，工作波长λ＝8cm，R₁＝39mm，R₂＝48mm，R₃＝54mm，R₄＝45mm，R₆＝61mm，R₇＝64mm，R₁₁＝66mm，R₁₂＝60mm，R₁₃＝62mm，R₁₄＝44mm，R₁₅＝56mm，R₁₆＝53mm，R₁₇＝43mm，R₁₈＝37mm，L₁＝42mm，L₅＝20mm，L₆＝16mm，L₇＝6mm，L₈＝35mm，L₉＝8.8mm，L₁₀＝80mm，L₁₁＝40mm，L₁₂＝20mm，L₁₃＝105mm，L₁₄＝101mm，L₁₅＝68mm。