CN111341631B - 一种利用二次电子倍增的电磁波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用二次电子倍增的电磁波发生器将慢波结构或谐振腔分成两段或三段，在前后两段之间垂直***二次电子倍增片。二次电子倍增片沿厚度方向有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜，微通道的高度或者直径远小于二次电子倍增片厚度，即微通道长度，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数十个二次电子，二次电子倍增实现电子束电流倍增，即能量倍增，但是并不影响电子束已经产生的密度调制，故而能够获得更高功率，更高增益的电磁波输出。与此同时，不需要外加聚焦磁场，虽然分散后只有少量的电子能够打到二次电子倍增片上，但是由于二次电子倍增片的增益高达数万倍，所以已经足够能将电子束电流放大。

Description

一种利用二次电子倍增的电磁波发生器
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，涉及速调管、行波管、返波管等真空电子器件，更为具体地讲，涉及一种利用二次电子倍增的电磁波发生器。
背景技术
真空电子器件包括速调管、行波管、返波管等，采用热阴极发射电子束，电子束在谐振腔或慢波结构中进行速度调制，速度调制的电子束在传输过程中，速度快的电子追上速度慢的电子，形成群聚电子束团，群聚电子束团将能量交给电磁波，从而形成放大或振荡的电磁波输出。电子束在真空电子器件中传输时，需要磁场聚焦，一般采用螺线管或周期永磁磁场聚焦。
真空电子器件具有输出功率高，工作频率高、抗辐射、长寿命的优点，因此在无线通信、卫星通信、广播电视、航空航天、气象雷达、全球定位***(GPS)、深空探索、医用加速器、导弹制导、保密链路、战场监视、及电子对抗等方面有着极其广泛应用，特别是在各类战斗机、轰炸机、无人机、舰船、坦克和卫星***中更是不可或缺的，它是现代高端电子信息装备的心脏，具有不可替代的作用。
随着社会的发展，科技的进步，真空电子器件在各领域内应用广度和深度也在不断的增加，同时各个领域对真空放大器的体积，增益，功率，频率和带宽等方面也提出越来越高的要求：雷达，电子对抗***需要更高功率、更宽带宽、及更高增益的放大器；医疗成像及大数据传输需要更高频率、更宽带宽、更小体积的放大器；在太赫兹科技方面，迫切需求能够填补“太赫兹空隙”的高频率、大功率放大器；而卫星通信、深空探索方面，则需要更小体积、更高功率、更高增益的真空放大器；尤其是埃隆马斯克提出星链构想后，数万颗小卫星将今后数年飞向太空，而且每年有近万颗的替代，迫切需要近十万只放大器构成的通讯***，这不仅要求新型星载真空放大器体积小、质量轻、增益高，而且还要求结构简单，能够批量生产。总之，发展小体积、轻质量、高增益、大功率、宽频带、结构简单、能批量生产的新型真空电子器件具有重要的科学意义和迫切的现实需求。
现有的行波管、速调管、磁控管、回旋管等真空电子器件，即大功率电磁波发生器采用热阴极，需要额外加热阴极、发射的电子密度小，需要磁场聚焦，同时产生的电磁波的功率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种利用二次电子倍增的电磁波发生器，不需要磁场聚焦的同时，提高输出电磁波信号的功率和增益。
为实现上述发明目的，本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器，包括：
阴极，用于发射电子，形成电子束；
其特征在于，还包括：
一片或两片的二次电子倍增片，沿厚度方向(电子传输方向)有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜(微通道内壁膜)，微通道的高度或者直径远小于二次电子倍增片厚度，即微通道长度，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数十个二次电子(二次电子发射系数，一般远高于3)；
两段或三段慢波结构(主要针对行波管、返波管)或谐振腔(主要针对速调管、回旋管)，二次电子倍增片垂直***到前后连接的两段慢波结构或谐振腔之间，电子由阴极发射出来后，先受到第一段慢波结构或谐振腔的调制，产生初步的速度和密度调制，其后进入二次电子倍增片，电子在微通道中发生多次碰撞，产生数万倍的电子倍增，即实现了数万倍电子数量增长，也就是数万倍电流增长，由于电子进入到二次电子倍增片时，已经有密度调制，电流增长后依然有密度调制；二次电子倍增片后接第二段慢波结构或谐振腔，此时具有密度调制的电子束电流能够激发电磁波产生输出；如果增益或输出功率不满足需求，或可以利用第二段慢波结构或谐振腔再次对电子束电流进行调制，后再接二次电子倍增片和第三段慢波结构或谐振腔作为输出。
本发明的目的是这样实现的。
本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器将慢波结构或谐振腔分成两段或三段，在前后两段之间垂直***二次电子倍增片。二次电子倍增片沿厚度方向(电子传输方向)有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜(微通道内壁膜)，微通道的高度或者直径远小于二次电子倍增片厚度，即微通道长度，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数十个二次电子(二次电子发射系数，一般远高于3)，这样可以将产生数万倍的电子倍增，即实现了数万倍电子数量增长，也就是数万倍的电流增长，由于电子进入到二次电子倍增片时，已经有密度调制，电流增长后依然有密度调制。二次电子倍增片后接第二段慢波结构或谐振腔，此时具有密度调制的电子束电流能够激发电磁波产生输出；如果增益或输出功率不满足需求，或可以利用第二段慢波结构或谐振腔再次对电子束电流进行调制，后再接二次电子倍增片和第三段慢波结构或谐振腔作为输出。本发明中慢波结构或谐振腔和二次电子倍增片交错。二次电子倍增实现电子束电流倍增，即能量倍增，但是并不影响电子束已经产生的密度调制，故而能够获得更高功率，更高增益的电磁波输出。与此同时，由于***了二次电子倍增片，所以真空电子器件不需要外加聚焦磁场，因为即使是电子束是分散的，这也不影响电子束密度变化，虽然分散后只有少量的电子能够打到二次电子倍增片上，但是由于二次电子倍增片的增益高达数万倍，所以已经足够能将电子束电流放大。
此外，由于不需要外加聚焦磁场以及输出电磁波功率、增益提高，电磁波发生器体积、质量都可以大幅度减小。其体积与现有电磁波发生器相比，缩小了至原有的一半、增益也将扩大至原来的2倍，并且结构也更简单，可以满足小卫星，相控阵***等对小体积、轻质量、高增益、可批量生产的新型真空电子器件的迫切需求。
附图说明
图1是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器一种具体实施方式(折叠波导慢波结构)的结构示意图；
图2是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器另一种具体实施方式(谐振腔)的结构示意图；
图3是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器另一种具体实施方式(矩形栅慢波结构)的结构示意图；
图4是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器另一种具体实施方式(螺旋线慢波结构)的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器一种具体实施方式(折叠波导慢波结构)的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器，包括：阴极1、两段慢波结构2以及一片二次电子倍增片3。在本实施例中，慢波结构为折叠波导慢波结构，阴极1为热阴极。
二次电子倍增片3沿厚度方向(电子传输方向)有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜(微通道内壁膜)，微通道的高度或者直径远小于二次电子倍增片厚度，即微通道长度，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数个二次电子(二次电子发射系数，一般δ>3)；二次电子倍增片3垂直***到前后连接的两段折叠波导慢波结构2。
阴极1发射电子，形成电子束。电子由阴极1发射出来后，先受到第一段折叠波导慢波结构2的调制，产生初步的速度和密度调制，其后进入二次电子倍增片3，电子在微通道中发生多次碰撞，产生数万倍的电子倍增，形成具有密度调制的放大数万倍的电子束电流4，二次电子倍增片3后接第二段折叠波导慢波结构2，此时具体密度调制的放大数万倍的电子束电流4能够激发产生放大数万倍的电磁波输出。
在本实施例中，二次电子倍增片3半径为1mm，厚度1mm，阴极1发射初始电子束，第一段折叠波导慢波结构2调制后，通过二次电子倍增片3，再用第二段折叠波导慢波结构2产生2-8GHz电磁波。
图2是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器另一种具体实施方式(谐振腔)的结构示意图。
在本实施例中，如图2所示，利用二次电子倍增的电磁波发生器与图1所示结构类似，只是采用三段谐振腔501、502、503，两片二次电子倍增片301、302。二次电子倍增片301、302垂直***到前后连接的两段谐振腔501、502、503之间，即二次电子倍增片301垂直***到前后连接的两段谐振腔501、502之间，二次电子倍增片302垂直***到前后连接的两段谐振腔502、503之间。
二次电子倍增片301、302为椭圆形片，长轴为5.5mm，短轴为1.2mm，厚度为2mm，阴极1产生初始电子束团，经过第一段谐振腔501调制，通过第一片二次电子倍增片301倍增，再通过第二段谐振腔502调制，并再次通过第二片二次电子倍增片302倍增，最后在第三段谐振腔503中产生32-40GHz的电磁波输出。
图3是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器另一种具体实施方式(矩形栅慢波结构)的结构示意图。
在本实施例中，如图3所示，利用二次电子倍增的电磁波发生器与图2所示结构类似，只是采用三段矩形栅慢波结构601、602、603，两片二次电子倍增片301、302为矩形片，长宽为5*2mm，厚度为0.5mm，阴极1产生初始电子束团，经过第一段矩形栅慢波结构601调制，通过第一片二次电子倍增片301倍增，再通过第二段矩形栅慢波结构602调制，并再次通过第二片二次电子倍增片302倍增，最后在第三段矩形栅慢波结构603中产生10-20GHz的电磁波输出。
图4是本发明利用二次电子倍增的电磁波发生器另一种具体实施方式(螺旋线慢波结构)的结构示意图。
在本实施例中，如图4所示，利用二次电子倍增的电磁波发生器与图2所示结构类似，只是采用四段螺旋线慢波结构701、702、703、704，三片二次电子倍增片301、302、303，为圆形片，半径为1mm，厚度为0.6mm，阴极1产生初始电子束团，经过第一段螺旋线慢波结构701调制，通过第一片二次电子倍增片301倍增，再通过第二段螺旋线慢波结构702调制，并再次通过第二片二次电子倍增片302倍增，再通过第三段螺旋线慢波结构703调制，并再次通过第三片二次电子倍增片303倍增，最后在第四段螺旋线慢波结构704中产生65-75GHz的电磁波输出。也就是说，本发明在两段、三段的基础上还可以进一步扩展。
以上为四个实例，实际应用过程中，根据设计不同，二次电子倍增片及慢波结构材质可以采用无氧铜、不锈钢、钨、钼等金属材料、合金材料或氮化镓、砷化镓、金刚石等半导体材料。慢波结构或谐振腔根据设计和应用的不同，可以是螺旋线、折叠波导、矩形双栅，矩形单栅、单谐振腔、多谐振腔、矩形腔、椭圆腔等，并不影响本发明的适用性。二次电子倍增片可以为圆柱形，矩形，高椭圆形、环形等。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种利用二次电子倍增的电磁波发生器，包括：
阴极，用于发射电子，形成电子束；
其特征在于，还包括：
一片或两片的二次电子倍增片，沿厚度方向也就是电子传输方向有多个微米直径微通道，微通道内壁涂敷有二次电子倍增膜作为微通道内壁膜，微通道的高度或者直径远小于二次电子倍增片厚度，二次电子倍增片厚度即微通道长度，电子会在微通道内壁发生多次碰撞，每次碰撞会产生数十个二次电子，二次电子倍增膜的二次电子发射系数高于3；
两段或三段行波管或返波管的慢波结构或者速调管或回旋管的谐振腔，用于对电子束进行速度调制，二次电子倍增片垂直***到前后连接的两段慢波结构或谐振腔之间，电子由阴极发射出来后，先受到第一段慢波结构或谐振腔的调制，产生初步的速度和密度调制，其后进入二次电子倍增片，电子在微通道中发生多次碰撞，产生数万倍的电子倍增，即实现了数万倍电子数量增长，也就是数万倍电流增长，由于电子进入到二次电子倍增片时，已经有密度调制，电流增长后依然有密度调制；二次电子倍增片后接第二段慢波结构或谐振腔，此时具有密度调制的电子束电流能够激发电磁波产生输出；如果增益或输出功率不满足需求，利用第二段慢波结构或谐振腔再次对电子束电流进行调制，后再接二次电子倍增片和第三段慢波结构或谐振腔作为输出。
2.根据权利要求1所述的利用二次电子倍增的电磁波发生器，其特征在于，所述二次电子倍增片及慢波结构材质选自金属材料无氧铜、不锈钢、钨、钼或合金材料或半导体材料氮化镓、砷化镓、金刚石；慢波结构或谐振腔根据设计和应用的不同，选自螺旋线、折叠波导、矩形双栅、矩形单栅、单谐振腔、多谐振腔、矩形腔、椭圆腔，二次电子倍增片选自圆柱形、矩形、椭圆形、环形。
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