[发明专利]一种L波段轴向虚阴极振荡器

说明书

技术领域

本发明涉及高功率微波器件领域，具体涉及一种L波段轴向虚阴极振荡器。

背景技术

高功率微波是指频率在1～300GHz范围和峰值功率在100MW以上的电磁波，L波段是指频率在1～2GHz的无线电波波段。随着脉冲功率技术和等离子体物理的发展，高功率微波技术也迅速地发展起来，尤其是在高功率微波源的研制方面取得了极大的进展,先后出现了很多种不同类型的高功率微波源。虚阴极振荡器是高功率微波源重要的研究方向之一，在过去的二十多年时间里受到了国际上高度重视和广泛研究。

通常被称为虚阴极振荡器完全不同于普通的微波源，因为它需要一个超过空间电荷限制流的电流。空间电荷限制流是指这样一个电流，当注入电流超过这个电流时，静电势能超过电子束的动能，因此，虚阴极将电子反射，反射电子在实阴极与虚阴极之间振荡，这称作反射机制。虚阴极是不稳定的，其位置和势值也振荡。这两种机制能产生频率近似相等的微波辐射。与其他微波源相比，虚阴极振荡器具有概念和结构简单等优点。它产生高功率水平，而且极易调谐，因为它取决于电荷密度而不依赖于任何谐振条件。

虚阴极振荡器是一种空间电荷器件，高电压下阴极发射的强流电子束透过阳极网注入到漂移管中，由于电子具有强空间电荷效应，只有低于空间电荷限制流强度的电子束才能够稳定的传输。当电子束流超过空间电荷限制电流的强度时，电子束在势阱中的势能将增大到足以抵消电子所具有的动能，造成束电子在阳极下游的某个位置大量群聚而形成虚阴极。虚阴极的形成一方面将阻止电子的继续传输，把入射电子部分的反射，反射电子通过阳极网后又受到真实阴极的作用重新返回，于是反射电子在实阴极与虚阴极之间形成反射机制振荡，产生微波辐射；另一方面电子的返回使虚阴极处势值减小，电子束又能传输，进而又引起势值增大，继续阻止电子的进一步传输，使虚阴极的自身位置和势值都发生振荡，产生电磁辐射。

虚阴极的形成和发展是一个不稳定的动态非线性过程：一方面，它有一个与阴极对阳极大体相同的负电位，因此虚阴极区的电子要向阳极反射回去，这些反射电子穿过阳极到达阴极附近，又被阴极反推回来，来回发反射向外辐射微波，这就是人们所熟知的电子反射产生微波的机制；另一方面，电子被反射回去以后，虚阴极区的电子数密度小了，电势要发生变化，势阱的位置也要变化，与此同时，真实阴极发射的电子又不断给虚阴极补充电子，使得虚阴极区电子数密度增加爱，从而导致虚阴极的电位和位置都发生变化，从宏观上就表现为虚阴极随空间和时间形成震荡，从而激励微波辐射，这就是虚阴极自身振荡产生微波的机制。所以，虚阴极振荡器是由虚阴极本身的时空振荡以及电子在虚阴极和阴极之间的来回反射两种机制共同产生微波的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明在阳极网后面增加一反馈阶跃波导，强流电子束在反馈阶跃波导及阳极网的共同作用下，使强流电子束在穿越第阳极网后可形成稳定的虚阴极，并且本轴向虚阴极振荡器可产生单频稳定的高功率微波。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种L波段轴向虚阴极振荡器，它包括阳极、可产生环形电子束的阴极、设置在阳极和阴极之间的绝缘体、阳极网、反馈阶跃波导和微波辐射窗；所述的阴极、绝缘体和微波辐射窗均设置在阳极内；所述的阳极、阴极、绝缘体和微波辐射窗围成的空间抽真空形成真空腔，真空腔的真空度不超过10毫帕；阳极网设置在阴极与微波辐射窗之间，所述的阳极网、阳极和微波辐射窗形成微波传输腔，阴极产生的强流电子束在该微波传输腔内形成虚阴极，所述的反馈阶跃波导设置在阳极内壁上且位于阳极网与虚阴极之间。 本发明合理设置波导结构，使得虚阴极稳定，且能够产生单频稳定的高功率微波。阳极网的作用是在阴阳极高压作用下，引导阴极发射产生的强流电子束轴向传输至阳极网，并使电子束穿过阳极网，在阳极网后形成虚阴极。

作为优选方式，所述的L波段轴向虚阴极振荡器的阳极和阴极分别与能够产生400kV的电源或电路的正极和负极相连。

作为优选方式，所述的阳极为管状，阳极的一端为直管状，另一端为喇叭状（喇叭状可解释为管状阳极由内向外扩张或者管状阳极由小端到大端平滑过渡），该结构可以使微波传播更加顺畅、微波更易扩散。

作为优选方式，所述的阴极的发射端设置有用于发射环形电子束的环状凸部，环状电子束有助于提升束波转换效率。

作为优选方式，所述的环状凸部轴向发射强流电子束内外直径分别为70mm，100mm，束流电压为400kV束流强度为12kA。