集极(负载阳极)7组成。 外筒1与渐变扼流腔结构2、主慢波结构3、提取腔结构4、阴极5、负载阴极6及电子收集极7均 同轴;外筒1的左端与脉冲功率源的外筒连接，外筒1的右端与模式转换器的外筒连接;阴极 5的左端与外筒1的左端对齐，连接脉冲功率源的高压内筒；阴极5的右端与负载阴极6的左 端连接;渐变扼流腔结构2的外侧、主慢波结构3的外侧及提取腔结构4的外侧均与外筒1的 内壁紧密结合;电子收集极7的右端与外筒1的右端对齐，连接模式转换器内筒；
[0036] 所述外筒1的轴向长度为1〇，内半径为匕，外半径为Ral，Ra〈Ral;
[0037] 所述渐变扼流腔结构2由第一扼流腔叶片21、第二扼流腔叶片22及其与外筒形成 的空腔组成，第一扼流腔叶片21的内半径为R el，第二扼流腔叶片22的内半径为Re2，Rel〈Re2， 第一扼流腔叶片21的左侧端面与外筒1的左侧端面的轴向距离为1 8;本发明将第一扼流腔 叶片21的内半径Rel设计得比第二扼流腔叶片22的内半径R e2小，这样第一扼流腔叶片21离 阴极距离近，电场较大，有助于拉近阴极起始点51发射的电子束，使其更靠近主慢波结构3 的表面;将第二扼流腔叶片22的内半径R e2设计得较大，使得阴极起始点51发射的电子束能 很好的掠过第二扼流腔叶片22而更靠近主慢波结构3的第一个互作用腔31的表面；
[0038] 所述主慢波结构3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2的第二扼流腔叶片22形成的空腔(第一个互作用腔31)组成，N2 6,所述N个慢 波叶片具有相同的内半径Rin ;
[0039]所述提取腔结构4由M个提取腔叶片41、42、43、."、411，提取腔叶片间形成的空腔及 第一个提取腔叶片41与主慢波结构3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41、42、43、…、4M分别取不同的内半径Rdi、Rd2、Rd3、…、RdM，且满足关系Rdi〈Rd2〈Rd3 〈…〈RdM;
[0040]图3所示为单个叶片的三维图及截面放大图。所述渐变扼流腔结构2、主慢波结构3 及提取腔结构4中所有叶片的外半径相同，均等于外筒1的内半径^，叶片厚度均为w，所有 叶片的内侧均倒角，倒角半径为Rr，R r〈〇.5w;除了主慢波结构3的第一个互作用腔31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:Rel〈Re2〈Rin〈Rdl〈Rd2〈Rd3〈"_〈RdM;本发明主慢波结构3的第一个互作用腔31的间距d设 计得较大，使得阴极起始点51发射的电子束能掠过主慢波结构3的第一个互作用腔31的表 面，使微波起振和饱和更快；
[0041] 所述阴极5由两段半径分别为Ru和Rc的圆柱体及一段圆台组成，10mm〈R u〈Rc;左端 半径为Ru的圆柱体的轴向长度为li，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Ru，圆台底面半径为R。，圆台的轴向长度为 12，13>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;
[0042] 所述负载阴极6为一段轴向长度为14,半径为Rx的圆柱体，10mm〈Rx〈R。，负载阴极6 的左端连接阴极5的右端，圆柱体侧面和右端面均为电子发射面；
[0043] 所述电子收集极7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R s，Rs>Rx+l 0mm，Rs>Rc， 2mm〈Rsi-Rs〈4mm，轴向长度I7,17〈16,小圆柱体的底部与负载阴极6右侧端面的轴向间距为 I5，l5〉20mm，l4+l5 _l7〉10rnm，1〇 = li+l2+l3+l4+l5+l6_l7〇
[0044] 通过以上设计，渐变扼流腔结构2对阴极5的阴极起始点51发射的电子束起到一个 径向拉扯的作用，使得电子束更靠近主慢波结构3的表面，通过增大主慢波结构3的第一个 互作用腔31的间距d，使得阴极5的阴极起始点51发射的电子束能掠过第一个互作用腔31的 表面，使得微波能够快速起振和饱和；由于增大了第一个互作用腔31的间距d，阴极5的轴向 长度1 3也得到相应增大，使得阴极电流发射密度减小，使阴极5发射电子束更均匀，且能提 高阴极5的寿命；同样由于主慢波结构3的第一个互作用腔31的间距d增大，主慢波结构3的 场分布空间也得到增大，射频场减小，减小了射频击穿风险，提高了器件的功率容量。
[0045] 国防科技大学按照以上设计方案设计了一种Ku波段磁绝缘线振荡器(MIL0)，所述 MIL0的工作频率为12.3GHz，表1和表2为该MIL0的具体结构参数，其中主慢波结构取7个慢 波叶片，提取腔结构取3个提取腔叶片（即N=7，M=3):
[0046] 表1.国防科技大学设计的Ku波段MILO的径向结构参数
[0048]表2.国防科技大学设计的Ku波段MIL0的轴向结构参数
[0050]该Ku波段MIL0的典型粒子模拟结果为：在工作电压为474kV的条件下，该Ku波段 MIL0的微波输出功率为1.69GW，频率为12.3GHz，微波起振时间为3.5ns，饱和时间为7.5ns。 图4为该MIL0的电子分布图，图5为该MIL0的微波输出功率波形。
[0051]而采用传统结构（均匀扼流腔结构和均匀周期慢波结构）设计的Ku波段MIL0的粒 子模拟结果为:在工作电压474kV的条件下，得到微波输出功率约1.65GW，频率12.3GHz，微 波起振时间为6ns，饱和时间为13ns。图6为其相应的电子分布图，图7为其相应的微波输出 功率波形。与采用传统结构设计的Ku波段MIL0相比，按本发明设计的Ku波段MIL0的微波起 振和饱和时间分别提高了 2.5ns和7.5ns，功率也略有提高。
[0052]以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高频段磁绝缘线振荡器，其特征在于:所述高频段磁绝缘线振荡器为圆周对称 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)及电子收集极(7)组成;外筒（1)与渐变扼流腔结构（2)、主慢波结构(3)、提取腔结 构(4)、阴极(5)、负载阴极(6)及电子收集极(7)均同轴;外筒（1)的左端与脉冲功率源的外 筒连接，外筒（1)的右端与模式转换器的外筒连接；阴极(5)的左端与外筒（1)的左端对齐， 连接脉冲功率源的高压内筒；阴极(5)的右端与负载阴极(6)的左端连接;渐变扼流腔结构 (2)的外侧、主慢波结构（3)的外侧及提取腔结构(4)的外侧均与外筒（1)的内壁紧密结合； 电子收集极(7)的右端与外筒(1)的右端对齐，连接模式转换器内筒； 所述外筒（1)的轴向长度为1〇，内半径为1^，外半径为Rai，Ra〈Rai; 所述渐变扼流腔结构（2)由第一扼流腔叶片（21)、第二扼流腔叶片（22)及其与外筒形 成的空腔组成，第一扼流腔叶片（21)的内半径为Rel，第二扼流腔叶片（22)的内半径为Re2， Rel〈Re2,第一扼流腔叶片(21)的左侧端面与外筒(1)的左侧端面的轴向距离为1 8; 所述主慢波结构(3)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(2)的第二扼流腔叶片(22)形成的第一个互作用腔(31)组成，N2 6,所述N个慢波 叶片具有相同的内半径Rin; 所述提取腔结构(4)由Μ个提取腔叶片(41、42、43、'"、41〇，提取腔叶片间形成的空腔及 第一个提取腔叶片(41)与主慢波结构(3)的最后一个慢波叶片形成的空腔组成，Ν2Μ2 2，Μ 个提取腔叶片(41、42、43、…、4Μ)分别取不同的内半径Rdi、Rd2、Rd3、…、RdM，且满足关系Rdi〈 Rd2<Rd3<-,,<RdM； 所述渐变扼流腔结构(2)、主慢波结构(3)及提取腔结构(4)中所有叶片的外半径相同， 均等于外筒（1)的内半径^，叶片厚度均为《，所有叶片的内侧均倒角，倒角半径为Rr，Rr〈 〇.5w;除了主慢波结构（3)的第一个互作用腔(31)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； 所述阴极(5)由两段半径分别为Ru和R。的圆柱体及一段圆台组成，10_〈1〈1?。;左端半径 为Ru的圆柱体的轴向长度为h，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，圆台底面半径为R。，圆台的轴向长度为12， 13>1 2,右端半径为R。的圆柱体与圆台连接处称为阴极起始点(51); 所述负载阴极(6)为一段轴向长度为14,半径为Rx的圆柱体，10_〈1^〈1?。，负载阴极(6)的 左端连接阴极(5)的右端，圆柱体侧面和右端面均为电子发射面； 所述电子收集极(7)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(6)右侧端面的轴向间距为 I5，l5〉20mm，l4+l5_l7〉10rnm，1〇 = 1ι+?2+?3+?4+1δ+?6_?7〇2. 根据权利要求1所述高频段磁绝缘线振荡器，其特征在于:所述高频段磁绝缘线振荡 器的具体结构参数如下:N = 7，M=3，Ru = 20mm，Rc = 30，Rx = 20，Ra = 50，Ral = 52，Rel = 44，Re2 = 45，Rin = 46，Rdi = 47，Rd2 = 48，Rd3 = 49，Rs = 36，Rsi = 39，Rr=l，1ο=160，1ι = 20，?2 = 10，?3 = 40，l4=50，l5 = 30，l6 = 70，l7 = 60，l8 = 32，d=10，di = 4，w = 3。
【专利摘要】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。本发明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组成。本发明由于采用渐变扼流腔结构和增大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第一个腔的表面，微波能够快速起振和饱和；并且本发明还能有效减小射频场，减小慢波结构的射频击穿风险，有效提高了器件的功率容量；本发明还增大阴极长度，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MILO的输出功率和脉宽都有重要的意义。
【IPC分类】H01J23/24, H03B13/00
【公开号】CN105719925
【申请号】CN201610256019
【发明人】江涛, 张建德, 贺军涛, 李志强
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年4月22日