一种高频段磁绝缘线振荡器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高功率微波技术中的微波源技术领域，具体涉及一种微波起振和饱和 快、且具有高功率容量的高频段磁绝缘线振荡器。
【背景技术】
[0002] 磁绝缘线振荡器（magnetically insulated transmission line oscillator，简 称MI L0)是一种GW级高功率微波源。与其他微波源相比，MI L0因其无需外加导引磁场，具有 结构紧凑、重量轻等优点而成为最具发展应用前景的HPM器件之一。
[0003] Pf2因子(微波功率P与微波频率f平方的乘积)作为对高功率微波器件性能的一个 度量标准，其意义是，从固定尺寸天线发射的微波信号作用在目标上的功率密度正比于该 因子。从这个意义上讲，频率的提尚甚至比功率的提尚更能影响微波源的品质。同时，尚功 率微波源器件的尺寸大小与微波波长同量级，随着频率的提高，微波的波长缩短，器件的尺 寸也会大幅度缩小，这将有利于高功率微波源器件的实际应用。
[0004] 目前，MIL0的研究主要集中在低频段如L、S、C等较低的微波频段，且均已实现了大 于1GW的稳定微波输出。近几年来，MIL0的研究有向更高频段如X、Ku波段发展的趋势，但总 的来说关于高频段MIL0的研究还较少，仅停留在简单的粒子模拟和初步实验，还没有人对 高频段MIL0开展系统充分的研究。在已报道的Ku波段MIL0研究中【Jie Wen，Dai-bing Chen,Dong Wang and Fen Qin.Preliminary experimental research on Ku-band MILO [J] ? IEEE Trans .Plasma Sci ?，2013，41 (9): 2501-2505 ?】，其实验输出微波功率仅在 100MW 量级，脉宽小于20ns，存在严重的脉宽缩短问题。在基本结构方面，目前高频段MILO主要沿 用低频段MIL0的基本结构，仍然采用均匀扼流腔结构和均匀慢波周期结构，仅在整体尺寸 上进行了缩小。然而，高频段MIL0采用传统低频段MIL0的结构会存在一个问题：阴极起始点 位置发射的电子束不能掠过主慢波结构第一个腔的表面，这将会使得器件起振和饱和较 慢。
[0005] MIL0的平板电极模型结构如图1所示【郭焱华.C波段磁绝缘线振荡器的理论与实 验研究[D]，绵阳：中国工程物理研究院博士学位论文，2005】，从阴极发射出来的单个电子 受到阴阳极间的电场E和与E正交的磁场B的作用，其轨迹方程为摆线方程： \'~ R H -cosr<> t) 、
[0006] ' ， （1) z. = R (roc 1-sinroc 1)
[0007] 其中，
，为电子回旋半径，为电子沿阴极表面滚动的角速度，其 滚动圆半径即为R。。
[0008] 在MIL0里，当阴极发射的电子刚好掠过阳极慢波结构表面时，器件能获得最大的 束波转换效率，此时为临界状态。而对应临界状态的情况，摆线(单个电子运动轨迹)的每一 拱的拱高为阴阳极间距h，且h = 2Rc，拱宽为23i*Rc。半个拱宽即为电子从阴极表面发射到运 动到阳极面的轴向移动距离。
[0009] 对于高频段MIL0,其阴阳极间距与低频段MILO的阴阳极间距接近;但是其慢波结 构周期却比低频段MIL0的慢波结构周期小许多。文献【Tao Jiang,Jiande Zhang,Juntao He,Zhiqiang Li,and Junpu Ling.Experimental research on Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator[J] .Phys Plasmas,2015,22,102112?】中提出 的Ku波段MILO的阴阳极间距和慢波结构周期分别为1.4cm和0.65cm。因此可以计算得出单 个电子运动轨迹的拱宽约4.4cm，半个拱宽约2.2cm，其比相应的慢波结构周期要大得多。由 于扼流腔叶片半径要小于慢波结构叶片内半径，因此，阴极起始点位置发射的电子束掠过 扼流腔结构后不能掠过主慢波结构的第一个腔的表面，这将会造成器件的微波起振和饱和 较慢。而微波源中微波起振和饱和慢会造成输入电脉宽的浪费，使得微波源器件输出微波 脉宽较短和能量效率较低。
[0010] 因此，高频段MIL0研究具有重要的现实意义，而针对高频段MIL0起振和饱和较慢 的问题还有待深入的研究。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题是:针对目前高频段MIL0采用与低频段MIL0相似的结构 (均匀周期慢波结构和均匀扼流腔结构），而由于高频段MIL0的周期较小，使得阴极起始发 射点所发射的电子束很难掠过第一个互作用腔表面，而造成微波起振和饱和较慢的问题， 提出了一种新型的高频段MIL0结构，该MIL0结构采用了一种渐变扼流腔结构和增大第一个 互作用腔的间距，而使得阴极起始点发射的电子束能掠过第一个腔的表面，使得微波能够 快速起振和饱和;并且该MIL0结构还能有效减小射频场，能够减小慢波结构的射频击穿风 险，有效的提高了器件的功率容量；另外，该MIL0结构还增大了阴极长度，能减小阴极平均 发射电流密度，有助于提高阴极表面电子发射的均匀性和提高阴极寿命。这些改进对于提 高高频段MIL0的输出功率和脉宽都有重要的意义。
[0012] 本发明采用的技术方案为：
[0013] -种高频段磁绝缘线振荡器(MIL0)，为圆周对称同轴结构，由外筒、渐变扼流腔结 构、主慢波结构、提取腔结构、阴极、负载阴极及电子收集极(负载阳极)组成。外筒与渐变扼 流腔结构、主慢波结构、提取腔结构、阴极、负载阴极及电子收集极均同轴;外筒左端与脉冲 功率源的外筒连接，外筒右端与模式转换器的外筒连接;阴极左端与外筒左端对齐，连接脉 冲功率源的高压内筒；阴极右端与负载阴极左端相接;扼流腔结构外侧、主慢波结构外侧及 提取腔结构外侧均与外筒内壁紧密结合；电子收集极右端与外筒右端对齐，连接模式转换 器内筒；
[0014] 所述外筒的轴向长度为1〇，内半径为匕，外半径为Ral，Ra〈Ral;
[0015] 所述渐变扼流腔结构由第一扼流腔叶片、第二扼流腔叶片及其与外筒形成的空腔 组成，第一扼流腔叶片的内半径为Rel，第二扼流腔叶片的内半径为匕 2，1^〈1^，第一扼流腔 叶片的左侧端面与外筒左端的轴向距离为18;本发明将第一扼流腔叶片的内半径R el设计得 比第二扼流腔叶片的内半径Re2小，这样第一扼流腔叶片离阴极距离近，电场较大，有助于拉 近阴极起始点发射的电子束，使其更靠近主慢波结构的表面;将第二扼流腔叶片的内半径 R e2设计得较大，使得阴极起始点发射的电子束能很好的掠过第二扼流腔叶片而更靠近主慢 波结构的第一个互作用腔的表面；
[0016] 所述主慢波结构由N个慢波叶片、各慢波叶片间形成的空腔及第一个慢波叶片与 扼流腔结构的第二扼流腔叶片形成的空腔(第一个互作用腔)组成，N2 6,所述N个慢波叶片 具有相同的内半径Rin;
[0017] 所述提取腔结构由M个提取腔叶片、提取腔叶片间形成的空腔及第一个提取腔叶 片与主慢波结构的最后一个慢波叶片形成的空腔组成，N2 M2 2，M个提取腔叶片分别取不 同内半径Rdl、Rd2、Rd3、…、RdM，且满足关系Rdl〈Rd2〈Rd3〈…〈RdM;
[0018] 所述渐变扼流腔结构、主慢波结构及提取腔结构中所有叶片的外半径相同，均等 于外筒的内半径匕，叶片厚度均为《，所有叶片的内侧均倒角，倒角半径为^〈〇.5?;除了 主慢波结构的第一个互作用腔的两个叶片之间的间距为d外，其余叶片间的间距均为cU，满 足关系:dMOw，所有叶片的内半径满足关系:R el〈Re2〈Rin〈Rdi〈Rd2〈Rd3〈"_〈RdM;本发明主慢波 结构的第一个互作用腔的间距d设计得较大，使得阴极起始点发射的电子束能掠过主慢波 结构的第一个互作用腔表面，使微波起振和饱和更快；
[0019] 所述阴极由两段半径分别为Ru和Rc的圆柱体及一段圆台组成，l〇mm〈R u〈Rc;左端半 径为Ru的圆柱体的轴向长度为11，右端半径为R。的圆柱体的轴向长度为13,圆柱侧面为电子 发射面;中间圆台段为过渡段，圆台顶面半径为R u，圆台底面的半径为R。，圆台的轴向长度为 h，，13>12，右端半径为R。的圆柱体与圆台连接处称为阴极起始点51;
[0020] 所述负载阴极为一段轴向长度为14,半径为Rx的圆柱体，lOmnKRXRc，负载阴极左 端连接阴极右端，圆柱体侧面和右端面均为电子发射面；
[0021] 所述电子收集极为在一个大的圆柱体中间挖出一个小圆柱体的结构，所述大圆柱 体的半径为Rsi，Rsi〈Rin-2mm，轴向长度为16,所述小圆柱体的半径为Rs，Rs>Rx+10mm，R s>Rc， 2mm〈Rsi-Rs〈4mm，轴向长度h，l7〈l6,小圆柱体的底部与负载阴极右侦lj端面的轴向间距为15， l5〉20mm，l4+l5 _l7〉10rnm，1〇 = li+l2+l3+l4+l5+l6_l7〇
[0022] 采用本发明可以达到以下技术效果：
[0023] (1)本发明高频段MIL0采用渐变扼流腔结构，第一扼流腔叶片内半径Rel更小，离阴 极距离近，电场较大，对阴极起始点发射的电子束起到一个向慢波结构拉扯的作用，使其更 靠近主慢波结构表面;第二扼流腔叶片内半径Re2较大，使得阴极起始点发射的电子束能很 好的掠过第二扼流腔叶片而更靠近主慢波结构的第一个互作用腔的表面。本发明高频段 MIL0通过增大主慢波结构的第一个互作用腔的间距，使得阴极起始点发射的电子束能掠过 主慢波结构的第一个互作用腔表面，使微波起振和饱和更快。
[0024] (2)本发明高频段MIL0的第一个互作用腔的间距增大，相应的阴极长度也得到增 大，使得阴极电流发射密度减小，阴极电子发射更均匀，阴极寿命更长。
[0025] (3)本发明高频段MIL0的第一个互作用腔的间距增大，使得整个场分布空间增大， 降低了主慢波结构的射频场，减小了射频击穿的风险，提高了器件的功率容量。
【附图说明】
[0026] 图1为MIL0的平板结构模型；
[0027] 图2为本发明高频段MIL0的结构图（纵剖面）；
[0028] 图3为单个叶片结构图：（a)单个叶片三维立体图，（b)单个叶片的截面图；
[0029]图4为国防科技大学设计的高频段Ku波段MIL0的电子分布图；
[0030]图5为国防科技大学设计的高频段Ku波段MILO的输出微波功率图。
[0031]图6为采用传统结构设计的Ku波段MIL0的电子分布图；
[0032]图7为采用传统结构设计的Ku波段MIL0的输出微波功率图；
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作出进一步说明。
[0034] 图2为本发明一种高频段磁绝缘线振荡器(MIL0)的纵剖面图，为了描述方便，定义 图2中Z轴方向为轴向，R轴方向为径向。
[0035] 本发明所述高频段磁绝缘线振荡器(MIL0)为圆周对称同轴结构，由外筒1、渐变扼 流腔结构2、主慢波结构3、提取腔结构4、阴极5、负载阴极6及电子收