一种改变微波输出频率的切伦科夫振荡器的制作方法

本发明涉及高功率微波的微波源器件，尤其是一种通过控制磁场调整电子束轨迹改变微波输出频率切伦科夫振荡器，属于高功率微波。

背景技术：

1、高功率微波通常是指峰值功率大于100mw，频率在1ghz-300ghz的电磁波，高功率微波技术是伴随着脉冲功率技术与等离子体物理学及电真空技术的发展而新兴的一个研究领域。在等离子体加热、高功率雷达、粒子射频加速以及未来空间能源的利用方面有着光明的应用前景。

2、高功率微波源是高功率微波系统的核心器件，其运行是基于电子束的相干辐射。电子束的相干辐射机理分为切伦科夫辐射、渡越辐射、轫致辐射三类。基于切伦科夫辐射机理的高功率微波源主要为相对论切伦科夫振荡器和相对论切伦科夫放大器。基于渡越辐射机理的高功率微波源主要为相对论速调管振荡器和相对论速调管放大器。基于轫致辐射机理的高功率微波源主要为自由电子激光、虚阴极等。

3、相对论切伦科夫振荡器是目前最有潜力的高功率微波源器件之一。它利用相对论电子束与慢波结构中的电磁波模式(结构波)相互作用，产生自身振荡和放大，形成相干微波辐射，具有高功率、高效率以及适合重复频率工作等特点。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种通过控制磁场调整电子束轨迹改变微波输出频率切伦科夫振荡器，本发明设计了一种同轴的结构，根据慢波结构的表面波特性，通过控制磁场位形改变电子束轨迹从而控制电子束贴近内导体和振荡器腔体从而获得不同的频率，只需控制电流是否通过特定磁场，即可改变磁场位形从而更改电子束轨迹，进而获得不同波段的微波。该结构原理简单，方法新颖，变量少。

2、本发明的技术解决方案是：本发明为一种改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特殊之处在于：所述改变微波输出频率的切伦科夫振荡器包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的螺线管磁场，螺线管磁场包括主螺线管磁场和次螺线管磁场，次螺线管磁场位于主螺线管磁场和振荡器腔体外侧之间，振荡器腔体包括依次设置的阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导；阳极外筒内设置有阴极，振荡器腔体内设置轴向设置有内导体，内导体通过支撑杆与输出波导连接。

3、进一步的，内导体位于距阴极l6处，是个一端内刻慢波结构的半径为r6的圆柱体，内刻慢波结构为凹槽组结构，共有4个槽体，每个槽体半径为r7，长度为l8，槽体之间的间距为l7，内导体另一端通过支撑杆与输出波导连接，支撑杆是以圆柱形腔体轴线为轴的6个等角叶片，用于连接固定内导体每个等角叶片的角度为10°，支撑杆位于距慢波结构后l9处，轴向长度为l10。

4、进一步的，主螺线管磁场分为三部分，第一部分主螺线管磁场是长为lm1，外半径为rm1，内半径为rm4的螺线管磁场，第二部分主螺线管磁场是长为lm2，外半径为rm4，内半径为rm3的螺线管磁场，第三部分主螺线管磁场是长为lm1，外半径为rm1，内半径为rm4的螺线管磁场，第一部分主螺线管磁场和第三部分主螺线管磁场分别环绕设置在第二部分主螺线管磁场两端。

5、进一步的，次螺线管磁场是缠绕在主螺线管磁场内侧的长为lm3，外半径为rm3，内半径为rm2的螺线管磁场，整个次螺线管磁场的最小半径不应小于rm2，满足rm1>r4。

6、进一步的，阴极是一个薄壁圆筒，其壁厚为2mm，内半径r1等于电子束半径，阳极外筒是一个内半径为r2的金属壳体。

7、进一步的，截止颈呈圆盘状，内半径为r3，r3＞r1，长度为l2，截止颈与阴极之间的长度l1为阴阳极间距，l1大于2cm。

8、进一步的，谐振反射腔呈圆盘状，内半径r3和外半径r4满足r4＞r3，长度l3取值为工作波长λ的0.4-0.5倍。

9、进一步的，距离谐振反射腔长度为l4处为慢波结构，l4取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，慢波结构由6个参数相同的矩形慢波叶片组成，每两个梯形慢波叶片之间均是由长度均为l5，内半径均为r3的圆环连接，每个慢波叶片长度均为l5，半径均为r5。

10、进一步的，慢波结构后接半径为慢波结构内半径r3的输出波导。

11、进一步的，阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构、输出波导和内导体均采用不锈钢制成，阴极采用石墨制成，主螺线管磁场与次螺线管磁场采用铜线绕制而成。

12、本发明将在同一器件中通过运用各种的方法产生非单一频率的切伦科夫器件称为多波段切伦科夫器件。由于多波段切伦科夫振荡器具有电磁攻防，信息跳频传输等多种应用，应用范围广大，多波段切伦科夫振荡器近年来成为研究热点，实现同一器件多波段的方法有有种：包括但不限于多腔体，机械调谐，电调谐，磁场调谐等。本发明中引入内导体，根据慢波结构的表面波特性，通过控制磁场位形改变电子束轨迹从而控制电子束贴近内导体或者振荡器腔体从而获得不同的频率。

13、与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：

14、本发明采用通过控制磁场调整电子束轨迹改变微波输出频率的方法，原理及益处如下：

15、切伦科夫振荡器通过电子束和腔体结构波之间的相互作用获取能量，结构波是一种表面波。所谓表面波，是指由于慢波的幅值随离导体表面的距离指数衰减，只能在以金属作为材料的慢波结构外很近的距离内才能发挥作用的电磁波。

16、根据表面波只能在慢波结构外很近距离才能够发挥作用的特性，我们设计了一种通过磁场来改变电磁波轨迹的方法如图3所示。当次螺线管磁场不工作时，电子束沿着磁力线掠过振荡器腔体上的慢波结构而和外慢波结构进行能量交换(图3上)，内导体上的内慢波结构由于距电子束过远，内慢波结构的表面波对电子束产生不了影响，此时器件输出的微波频率是由外慢波结构决定的c波段；当次螺线管磁场通过和主螺线管相同的电流产生磁场时，由于主螺线管和次螺线管磁场共同产生的磁场位型，电子束爆炸发射离开阴极后，即逐渐远离振荡器腔体靠近内导体，完整掠过内慢波结构最后击打在内导体上(图3下)，类似的，外慢波结构由于距电子束过远，其表面波对电子束产生不了影响。故器件输出的微波是由内慢波结构决定的s波段。

17、综上描述，该种控制磁场调整电子束轨迹改变微波输出频率的方法，整个器件变换工作状态只需要控制通入次螺线管磁场电流的通断即可调整磁场位型，进而调整电子束轨迹，最终控制器件输出微波频率。原理简单，变化量单一而且易于控制和更改。

技术特征：

1.一种改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述改变微波输出频率的切伦科夫振荡器包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的螺线管磁场，所述螺线管磁场包括主螺线管磁场和次螺线管磁场，所述次螺线管磁场位于主螺线管磁场和振荡器腔体外侧之间，所述振荡器腔体包括依次设置的阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导；所述阳极外筒内设置有阴极，所述振荡器腔体内设置轴向设置有内导体，所述内导体通过支撑杆与输出波导连接。

2.根据权利要求1所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述内导体位于距阴极l6处，是个一端内刻慢波结构的半径为r6的圆柱体，所述内刻慢波结构为凹槽组结构，共有4个槽体，每个槽体半径为r7，长度为l8，槽体之间的间距为l7，所述内导体另一端通过支撑杆与输出波导连接，所述支撑杆是以圆柱形腔体轴线为轴的6个等角叶片，用于连接固定内导体每个等角叶片的角度为10°，所述支撑杆位于距慢波结构后l9处，轴向长度为l10。

3.根据权利要求2所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述主螺线管磁场分为三部分，第一部分主螺线管磁场是长为lm1，外半径为rm1，内半径为rm4的螺线管磁场，第二部分主螺线管磁场是长为lm2，外半径为rm4，内半径为rm3的螺线管磁场，第三部分主螺线管磁场是长为lm1，外半径为rm1，内半径为rm4的螺线管磁场，所述第一部分主螺线管磁场和第三部分主螺线管磁场分别环绕设置在第二部分主螺线管磁场两端。

4.根据权利要求3所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述次螺线管磁场是缠绕在主螺线管磁场内侧的长为lm3，外半径为rm3，内半径为rm2的螺线管磁场，整个次螺线管磁场的最小半径不应小于rm2，满足rm1>r4。

5.根据权利要求4所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述阴极是一个薄壁圆筒，其壁厚为2mm，内半径r1等于电子束半径，所述阳极外筒是一个内半径为r2的金属壳体。

6.根据权利要求5所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述截止颈呈圆盘状，内半径为r3，r3＞r1，长度为l2，截止颈与阴极之间的长度l1为阴阳极间距，l1大于2cm。

7.根据权利要求6所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述谐振反射腔呈圆盘状，内半径r3和外半径r4满足r4＞r3，长度l3取值为工作波长λ的0.4-0.5倍。

8.根据权利要求7所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：距离谐振反射腔长度为l4处为慢波结构，l4取值为工作波长λ的0.2-0.3倍，所述慢波结构由6个参数相同的矩形慢波叶片组成，每两个梯形慢波叶片之间均是由长度均为l5，内半径均为r3的圆环连接，每个慢波叶片长度均为l5，半径均为r5。

9.根据权利要求8所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述慢波结构后接半径为慢波结构内半径r3的输出波导。

10.根据权利要求1至9任一权利要求所述的改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，其特征在于：所述阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构、输出波导和内导体均采用不锈钢制成，所述阴极采用石墨制成，所述主螺线管磁场与次螺线管磁场采用铜线绕制而成。

技术总结
本发明涉及一种改变微波输出频率的切伦科夫振荡器，本发明包括振荡器腔体和振荡器腔体外侧环绕设置的螺线管磁场，螺线管磁场包括主螺线管磁场和次螺线管磁场，次螺线管磁场位于主螺线管磁场和振荡器腔体外侧之间，振荡器腔体包括依次设置的阳极外筒、截止颈、谐振反射腔、慢波结构和输出波导；阳极外筒内设置有阴极，振荡器腔体内设置轴向设置有内导体，内导体一端通过支撑杆与输出波导连接。本发明设计了一种同轴的结构，根据慢波结构的表面波特性，通过控制磁场位形改变电子束轨迹从而控制电子束贴近内导体和振荡器腔体从而获得不同的频率，只需控制电流是否通过特定磁场，即可改变磁场位形从而更改电子束轨迹，进而获得不同波段的微波。该结构原理简单，方法新颖，变量少。

技术研发人员：黄超,温哲君,何少森
受保护的技术使用者：四川航浩科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12