CN109935945B - 一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，包括两端封闭的外套筒，其内部设置发射区和束波互作用区；所述发射区设置环形的阴极，阴极位于外套筒的一端，与外套筒同轴；所述束波互作用区设置与外套筒同轴的外介质薄管、内介质薄管和介质薄管内导体；所述介质薄管内导***于内介质薄管内部，与外套筒相对阴极的另一端相连；所述内介质薄管位于外介质薄管内部；所述外介质薄管的外径与外套筒内径相同，外介质薄管的内径大于内介质薄管的外径；在高电压***极发射强流电子束，强流电子束在同轴磁场引导下进入束波互作用区，辐射产生高功率微波。采用本发明的一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，产生微波具有高峰值功率，短脉冲，效率高的特点。

Description

一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件
技术领域
本发明涉及一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，属于高功率微波器件技术领域。
背景技术
高功率微波一般是指峰值功率在 100MW 以上、工作频率为 1～300GHz 范围内的电磁波。随着高功率微波研究发展，对高功率微波源的***总效率提出了越来越高的要求。
通常用 Pf 2 因子衡量高功率微波器件的性能，即微波峰值功率与辐射电磁波频率平方的乘积。该因子的物理意义是从固定尺寸天线发射的微波信号在目标上的功率密度正比于Pf 2 。毫米波通常是指波长在 1mm～10mm 范围内的电磁波，其相应的频率范围为30GHz～300GHz。毫米波的波长介于光波和常规微波之间，具有光波的高探测精度和常规微波的全天候工作性能，因此兼有两者的优点而克服了各自的不足。
在介质中或沿介质表面运动的带电粒子，当速度超过该介质中的光速时，将产生自发受激辐射。在部分填充介质波导中传输电子束时，这种自发受激辐射可以分解为波导中的各种模式，当电子的速度接近且大于某个模式的相速时，这个模式与电子的相互作用被放大，从而产生相干受激辐射。
通过缩短驱动电子束脉冲的空间宽度，使得电子束脉冲的空间长度几和***互作用区长度值可比的话，那么将有可能出现一种密集型的相干辐射，该辐射取决于辐射波相对于电子束的滑移量，这种辐射是一种非稳态的，和时间增长量密切相关的，束波间的强相互作用，致使电子束与辐射波形成一种密切的相关性，迅速辐射出一种密集型、具有高峰值功率、超短脉冲时间宽度的相干辐射。
当电子束脉冲的时间宽度小于束波协作时间时，电子束陷入产生一个单一的电磁辐射脉冲。电子束脉冲通过介质结构时，由于辐射波脉冲与电子束脉冲的相对滑移，辐射波将与电子脉冲完全脱离。与此同时，长度近似等于辐射波波长的电子束团在通过介质结构时，由于电子束不同部分相互作用引起的自群聚，使得电子几乎全部集中在辐射波波长减速区里而被紧密关联起来，它将诱发一种密集型的单一相干辐射波脉冲。此时，多个电子与共同的辐射场相互作用，构成一个不可分割的合作整体。彼此合作的N个电子的辐射相位相同时，产生辐射相干叠加。
短脉冲电子束在器件内传输产生短脉冲高功率微波的条件为：电子束脉冲空间宽度几要小于束波互作用中辐射波相对电子束的总滑移长度；在定态极限情况下，辐射波脉冲的稳态增益。这就要求在稳态束波互作用情况下，电子束能与辐射波在互作用区必须实现有效的换能，电子束把能量交给辐射波，产生一个稳态增益比较大的受激辐射波。在器件设计中就要求电子束的径向位置不能距离慢波结构壁太远，否则束波藕合阻抗太小，太弱的束波互作用将不能实现有效的束波换能。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，产生微波具有高峰值功率，短脉冲的特点。
本发明采用的技术方案如下：
一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，包括两端封闭的外套筒，其内部设置发射区和束波互作用区；
所述发射区设置环形的阴极，阴极位于外套筒的一端，与外套筒同轴；
所述束波互作用区设置外介质薄管、内介质薄管和介质薄管内导体，外介质薄管、内介质薄管、介质薄管内导体与外套筒同轴；
所述介质薄管内导***于内介质薄管内部，与外套筒相对阴极的另一端相连；所述内介质薄管位于外介质薄管内部；
所述外介质薄管的外径与外套筒内径相同，外介质薄管的内径大于内介质薄管的外径；所述内介质薄管的内径与介质薄管内导体的直径相同；
在500kV电压***极发射脉冲宽度为0.5ns，电流强度为4kA的环形电子束，环形电子束在1T同轴磁场引导下进入束波互作用区，辐射产生脉宽为100ps，峰值功率为1GW，频率为22GHz的高功率微波。
作为优选，所述外介质薄管与内介质薄管的长度相同。
作为优选，所述外介质薄管和内介质薄管为金属材质。
作为优选，所述外介质薄管内径为12.8cm，外径为13.8cm，长度为18.6cm；内介质薄管内径为9.4cm，外径为10.4cm，长度为18.6cm。
作为优选，所述内介质薄管和外介质薄管的介电系数为2.03。
作为优选，所述外套筒和介质薄管内导体的材质为无磁不锈钢或无氧铜。
作为优选，所述阴极的内径大于内介质薄管的外径，阴极的外径小于外介质薄管的内径。
作为优选，所述阴极为石墨材质。
作为优选，所述阴极的内径为11.4cm,外径为11.8cm。
作为优选，所述环形电子束脉冲内传播长度略小于介质薄管长度。
作为优选，所述同轴介质填充短脉冲高功率微波器件内部为真空状态，真空度为毫帕量级。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：利用电子束脉冲传播宽度与介质互作用区长度近乎一致的情况下，***束波间产生强相互作用，致使电子束与辐射波形成一种密切的相关性，迅速辐射出一种密集型、具有高峰值功率、超短脉冲时间宽度的相干辐射。该强相干辐射具有高峰值功率，短脉冲，效率高的特点，具有实际应用意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是同轴介质填充短脉冲高功率微波器件正面剖视图。
图中标记：1-外筒体、2-阴极、3-外介质薄管、4-内介质薄管、5-介质薄管内导体、6-环形电子束。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 所示，本实施例的一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，包括两端封闭的外套筒，其内部设置发射区和束波互作用区；外套筒的材质为无磁不锈钢，内径为13.8cm。
发射区设置环形的阴极，阴极位于外套筒的一端，与外套筒同轴，环形的开口面向束波互作用区；所述阴极的内径大于内介质薄管的外径，阴极的外径小于外介质薄管的内径；阴极为石墨材质，内径为11.4cm,外径为11.8cm。
束波互作用区设置外介质薄管、内介质薄管和介质薄管内导体，外介质薄管、内介质薄管、介质薄管内导体与外套筒同轴；
外介质薄管的内径为12.8cm，外径为13.8cm，长度为18.6cm；内介质薄管的内径为9.4cm，外径为10.4cm,长度为18.6cm；内介质薄管和外介质薄管为金属材质，介电系数为2.03，外介质薄管与内介质薄管之间形成环形通道。
介质薄管内导***于内介质薄管内部，与外套筒相对阴极的另一端相连；介质薄管内导体的直径为9.4cm，材质为无磁不锈钢。
用真空获得装置将同轴介质填充短脉冲高功率微波器件内真空度处理到毫帕量级。阴阳极之间施加高电压500kV，阴极发射产生内外径分别为11.4cm，11.8cm，脉冲宽度为0.5ns，束流强度为4.0kA的环形电子束，环形电子束脉冲内传播长度略小于介质薄管长度。环形电子束在1T同轴磁场引导下传输进入束波互作用区，将能量转交给微波场，产生辐射脉宽为100ps，峰值功率为1GW，频率为22GHz的高功率微波。
作为优选，在另一实施例中，外筒体和介质薄管内导体为无氧铜材质。
综上所述，采用本发明的一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，利用电子束脉冲传播宽度与介质互作用区长度近乎一致的情况下，***束波间产生强相互作用，致使电子束与辐射波形成一种密切的相关性，迅速辐射出一种密集型、具有高峰值功率、超短脉冲时间宽度的相干辐射。该强相干辐射具有高峰值功率，短脉冲，效率高的特点，具有实际应用意义。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，其特征在于：包括两端封闭的外套筒，其内部设置发射区和束波互作用区；
所述发射区设置环形的阴极，阴极位于外套筒的一端，与外套筒同轴；
所述束波互作用区设置外介质薄管、内介质薄管和介质薄管内导体，外介质薄管、内介质薄管、介质薄管内导体与外套筒同轴；
所述介质薄管内导***于内介质薄管内部，与外套筒相对阴极的另一端相连；所述内介质薄管位于外介质薄管内部；
所述外介质薄管的外径与外套筒内径相同，外介质薄管的内径大于内介质薄管的外径；所述内介质薄管的内径与介质薄管内导体的直径相同；所述外介质薄管内径为12.8cm，外径为13.8cm，长度为18.6cm；内介质薄管内径为9.4cm，外径为10.4cm，长度为18.6cm；所述内介质薄管和外介质薄管的介电系数为2.03；
所述阴极的内径为11.4cm，外径为11.8cm；
在500kV电压***极发射脉冲宽度为0.5ns，电流强度为4kA的环形电子束，环形电子束在1T同轴磁场引导下进入束波互作用区，环形电子束脉冲内传播长度略小于内介质薄管长度，辐射产生脉宽为100ps，峰值功率为1GW，频率为22GHz的高功率微波。
2.如权利要求1所述的同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，其特征在于：所述外套筒和介质薄管内导体的材质为无磁不锈钢或无氧铜。
3.如权利要求1所述的同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，其特征在于：阴极为石墨材质。
4.如权利要求1所述的同轴介质填充短脉冲高功率微波器件，其特征在于：所述同轴介质填充短脉冲高功率微波器件内部为真空状态，真空度为毫帕量级。
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