[发明专利]高效率低磁场双模工作相对论返波管

说明书

为解决现有的低磁场双模工作相对论返波管因兼顾束波相互作用和模式控制而转换效率较低的技术问题，发明提供了一种高效率低磁场双模工作相对论返波管，包括环形阴极、磁场线圈、阴极反射环、依次设置在环形阴极后端的双预调制腔、双段非均匀慢波结构和输出波导；阴极反射环的内半径R₀对TM₀₁模截止，且满足R₀＜0.382c/f；阴极反射环置于环形阴极内，且与环形阴极端部的距离L₀满足λ_g1/2＜L₀＜λ_g2，λ_g1和λ_g2分别为TM₀₁模和TM₀₂模的导波波长；双预调制腔包括两个半径不等的调制腔单元，其外半径分别为R₁和R₂，内半径分别为r₁和r₂，且满足1.25λ＜R₂＜R₁＜1.4λ，1.15λ≤r₁,r₂≤1.25λ，λ为微波波长；双段非均匀慢波结构由8‑10个慢波单元构成，其外半径和内半径分别为R_sn和r_sn，且满足：1.3λ≤R_sn≤1.4λ,1.15λ≤r_sn≤1.3λ。

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，特别是涉及一种高效率低磁场双模工作相对论返波管。

背景技术

相对论返波管具有输出微波功率和转换效率高、稳定可靠、适合重复频率工作等特点，是当前最有潜力的高功率微波器件之一。针对高功率微波产生装置轻小型化的迫切需求，目前国内外正在大力开展低磁场(即外加磁场低于回旋共振磁场)相对论返波管研究。

现有的一种低磁场双模工作相对论返波管如附图1所示(Two-waveCherenkovoscillator with moderately oversized slow-wave structure[J],V.V.Rostov,A.V.Gunin,R.V.Tsygankov,I.V.Romanchenko,M.I.Yalandin,IEEE Transactions onPlasma Science,vol.46,no.1,pp.33-42,January 2018)。它包括环形阴极101、空心阴极反射器102、匹配节103、双段均匀慢波结构104、输出波导105和磁场线圈106。环形阴极101位于结构前端，在高压脉冲作用下向外发射环形相对论电子束；空心阴极反射器102置于环形阴极101内部；匹配节103、双段均匀慢波结构104和输出波导105依次置于环形阴极101后侧；磁场线圈106安装在整个结构的外围，用于产生约束环形相对论电子束的导引磁场。

工作时，环形阴极101发射环形相对论电子束，在磁场线圈106产生的磁场引导下，经过匹配节103，获得一定的预调制，进一步与双段均匀慢波结构104中的TM₀₁模和TM₀₂模相互作用。TM₀₁模被锁在双段均匀慢波结构104中，部分TM₀₂模直接从输出波导105输出，部分TM₀₂模经过匹配节103向环形阴极101传输，被空心阴极反射器102反射后，最终进入输出波导105输出。利用该技术，在磁场1T时，束波转换效率30％。

该技术采用了双模工作，TM₀₂模输出方式。为了锁住TM₀₁模，采用了双段均匀慢波结构104，两段慢波结构完全相同；为了将TM₀₂模反射输出同时尽可能不反射TM₀₁模，采用了匹配节103和空心阴极反射器102，同时部分TM₀₁模式会被空心阴极反射器左端的微波吸波材料吸收(未在图中给出)。这种同时兼顾束波相互作用和模式控制的设计思想不利于提高束波转换效率。

发明内容