[发明专利]同轴提取长脉冲相对论返波振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波技术领域的微波源器件，尤其是一种同轴提取长脉冲相对论返波振荡器RBWO(Relativistic Backward-Wave Oscillator)。

背景技术

近年来，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）在众多领域中的诱人前景引起了许多国家的广泛关注和大量研究投入，并已取得极大的技术进步。目前，已经提出的高功率微波应用多种多样：高功率微波定向能武器、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系统、电子高能射频加速器、材料加工与处理等。

作为高功率微波系统的核心器件，高功率微波源利用强流相对论电子束与器件内部腔体的谐振模式相互作用，进而辐射高功率微波。提高高功率微波源的单脉冲能量及平均功率水平是技术高功率微波领域始终追求的目标，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。上世纪九十年代，在经历了高功率微波发展的鼎盛时期后，人们意识到单一高功率微波源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高功率微波研究领域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RBWO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-De Zhang,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 Repetitive Operation 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RBWO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RBWO的高效率运行，不利于实现高功率微波系统的小型化和紧凑化。