[發明專利]矩形波導TM11模式微波高功率帶狀電子束收集極

有效

• 申請號: 201410305565.0
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104064421A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 杜廣星;馬軍;王弘剛;錢寶良;袁成衛;張自成;李國林;張強;張存波;楊一明
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01J23/027
• 分類號: H01J23/027;H01J23/033
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 李振

技術領域

本發明屬高功率微波技術領域，具體涉及一種矩形波導TM₁₁模式微波高功率帶狀電子束收集極。

背景技術

本發明的應用背景是帶狀電子束高功率微波源。帶狀電子束通常指具有大橫縱比橫截面的電子束。帶狀電子束微波源，是指利用帶狀電子束與微波電路(如慢波結構)相互作用產生微波輻射的器件。相較于采用圓柱狀或者空心柱狀電子束的傳統高功率微波源，帶狀電子束微波源具有電流密度低、束—波相互作用高、結構緊湊性好、輸入阻抗和注入功率便于調節等優點，有望成為實現高功率微波源工程化應用的新途徑。為了提高耦合阻抗，在帶狀電子束微波源的束—波作用區域采用雙梳型慢波結構是一個重要的技術方案。在該方案中，雙梳型慢波結構提取電子束的能量后輸出微波的主模式為矩形波導TM₁₁模式。

目前常見的高功率微波源中，強流電子束在完成束—波相互作用交出部分能量給微波后，仍舊攜帶較高的能量。及時對完成束—波作用后的電子束進行收集，能夠提高高功率微波源的束—波能量轉換效率，同時避免強流電子束對下游器件帶來不利影響。收集極即是承擔收集電子束功能的裝置。電子束轟擊到收集極之后，除少部分被散射外，其大部分電荷將被收集極吸收，所攜帶的大部分能量將轉化為收集極的熱能，這將引起收集極溫度的快速升高。而收集極溫度的快速升高，將引起收集極表面吸附氣體的解吸附，甚至導致收集極表面材料的蒸發和汽化，這將嚴重影響高功率微波源器件的工作穩定性和壽命。設計結構合理的電子束收集極高效回收強流電子束，并將電子束轟擊帶來的熱能及時傳遞導出去，對提高高功率微波源的效率，實現高功率微波源的穩定運行并延長其使用壽命具有重要意義。

傳統的高功率微波源通常采用圓柱狀或者空心柱狀電子束，可以利用磁場導引電子束或讓其自行散焦轟擊到波導壁上實現電子束的收集。但是，帶狀電子束微波源不是圓對稱結構，其主要工作模式——矩形波導TM₁₁模式與傳統高功率微波源的工作模式圓波導TM₀₁或圓波導TEM模式也顯著不同，因此難以直接采用傳統的電子束收集極，需要對其重新設計，在能夠高效回收帶狀電子束的同時，保證高功率微波源的輸出模式——矩形波導TM₁₁模式的高效通過。

美國的Los Alamos國家實驗室的B.E.Carlsten等人給出了一種可以同時實現TM₁₁模式輸出和帶狀電子束收集功能的帶狀電子束微波源輸出結構(見“Technology Development for a mm-wave Sheet-Beam Traveling-wave Tube”,B.E.Carlsten,et.al,IEEE Trans.Plasma Sci.,vol33,No.1,P85～93.)，其采用了非過模的Y形分支波導結構，僅在7.5％的帶寬內對TM₁₁模式微波實現了不到97％的功率輸出效率，未能很好的同時解決TM₁₁模式高效通過與電子束收集兩個問題。

本發明通過設計一種結構緊湊、方案簡單的電子束收集極，在高效傳輸矩形波導TM₁₁模式微波的情況下，能夠高效地回收帶狀電子束并具有良好散熱性能，能夠滿足目前帶狀電子束微波系統研制對收集極的迫切需求。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對現有技術存在的缺陷，提供一種適用于帶狀電子束高功率微波源的電子束收集極，在高效傳輸矩形波導TM₁₁模式微波傳輸的前提下，及時有效地回收電子束，并且具有良好的散熱性能。

本發明采用的技術方案是：一種矩形波導TM₁₁模式微波高功率帶狀電子束收集極，由矩形波導、內導體和兩個法蘭組成，為了敘述簡便，下文將帶狀電子束收集極與上游器件(如帶狀電子束微波源)連接的一端定義為前端，微波輸出的一端定義為后端，微波和電子束傳輸的方向定義為軸向，垂直于微波和電子束傳輸的方向定義為橫向。