[發明專利]雙螺旋水槽型強流電子束收集極

有效

• 申請號: 201610284687.5
• 申請日: 2016-05-03
• 公開（公告）號: CN105931934B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 荀濤;白珍;張軍;楊漢武;靳振興;楊建華;張建德;鐘輝煌
• 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: H01J23/033
• 分類號: H01J23/033;H01J23/027
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 馬強

技術領域

本發明屬于高功率微波技術領域，具體涉及一種雙螺旋水槽型強流電子束收集極。

背景技術

本發明的應用背景是重頻運行高功率微波源。高功率微波源是一種利用強流相對論電子束在真空高頻結構中與高頻結構的本征模相互作用機制，把高能電子束的能量轉化為高頻電磁波能量的器件，在軍事和工業中都有重要應用。目前，高功率微波器件的能量效率普遍較低，強流相對論電子束在經過束波相互作用交出部分能量后仍具有較高的動能，電子束收集極的作用便是接收這部分與高頻電磁場相互作用后的強流電子束。然而電子束收集極在工作過程中受高速電子的轟擊會沉積大量的熱能，導致收集極上的溫度驟然升高，引起材料表面吸附氣體的解吸附甚至材料本身發生蒸發和汽化，而收集極高溫熱脫附和材料汽化不僅會污染真空環境，更可能導致有害等離子體的產生。對于M型器件，陽極等離子體會導致束流崩潰、模式跳變和束波同步條件被破壞等一系列問題；對于O型器件，收集極等離子不但可以吸收和反射微波，而且還可能沿導引磁場進入束波作用區影響微波產生。因此，任何減少收集極熱負載的措施在高功率微波領域都是關鍵的，特別是在器件重復頻率長時間運行中，必須考慮束流轟擊收集極產生大量熱能的散熱問題，在脈沖串內把熱量散開。

以用在相對論返波管中的收集極為例，相對論返波管的典型結構如圖1所示，由導引磁場1，環形陰極2，截止頸3，慢波結構4，收集極5構成。該器件的基本工作過程為：無箔二極管產生薄環形相對論電子束在磁場1導引下，經過截止頸3，進入慢波結構4與結構波的-1次空間諧波相互作用；先進入慢波結構4的電子束與結構波作用后，輻射的微波向后傳播，進一步與后進入的電子束相互作用，這樣微波被迅速放大；最后，微波在慢波結構4的起始端被截止頸3反射，重新經過慢波結構4后進入傳輸波導、模式轉換器和天線系統被輻射出去。由于失去了導引磁場的約束，強流束在經過束波相互作用從慢波結構出射后呈環形向外發散，并入射到收集極5表面。

俄羅斯學者Г.A.米夏茲對電子束轟擊金屬表面過程做了較為深入的研究，在其著作中對真空二極管火花放電階段的陽極過程有專門的描述，并給出了能夠詳細刻畫陽極熱工作方式的方程【Г.A.米夏茲著，李國政譯，真空放電物理和高功率脈沖技術，北京：國防工業出版社，2007.05】。若收集極材料的比熱容是c，密度是ρ，熱導率是λ，入射到收集極表面的電子流功率密度是q_a，則收集極表面溫度T的解的形式如下：

其中T₀為陽極表面初始溫度，參量x_th為收集極內表面熱場的特征深度，是電子的穿透深度，可以由經驗公式給出，erf(k)為k的誤差函數，表示對q_a求導，e為電子的電荷量。在電子穿透深度遠遠大于收集極內表面熱場特征深度的情況下，(1)式可以簡化為：

可以看到，在這種情況下，當材料和束流功率密度確定后，溫升與脈沖作用時間呈線性關系；強流電子束脈沖結束后，陽極表面加熱過程停止，其冷卻過程開始，在這個過程中，若不考慮外界冷卻條件，則熱傳導占主要，此時溫度的解的形式為：

式中，r_b是指電子束在陽極有效作用域的位置尺度，T_m為該區域最大溫度，a＝λ/(ρc)為材料的熱傳導系數。由(3)式可以看出，若沒有外界冷卻條件，則散熱過程溫度隨時間是一個慢變化過程。

收集極熱量是由一定密度的電子束打到收集極內表面而產生，假設電子束轟擊收集極時有效作用面積為A，則單位面積上的功率沉積為：

其中，P為有效作用面積上總的功率沉積，E是電子能量，是制動深度，dE/ds表征高能電子束轟擊材料表面由于碰撞、電離及韌致輻射引起的能量凈損失，I_b為束電流。另外，收集極在重頻運行時，內表面熱源不僅是位置的函數，也是時間的函數。若假設每個脈沖在收集極作用區域都相同，脈沖熱源可通過循環方式加載，則這種工作狀態下收集極要承受較高的熱流密度(約為10¹²W/m²)。

綜上所述，在重頻、長脈沖、長時間運行的吉瓦(GW)級高功率微波產生器件中，必須面臨束流轟擊收集極產生大量熱能的散熱問題，不僅需要采用一定的冷卻方式，而且對收集極材料的選擇也提出了較高的要求。