專利名稱：磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種用于磁控管的陰極，所述磁控管包括常規(guī)磁控管(magnetixm)和相對(duì)論磁控管(relativistic magnetron),尤其指一種能夠增加磁控管所產(chǎn)生微波的脈沖寬度和提高磁控管的功率轉(zhuǎn)換效率的陰極。
背景技術(shù)：
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輸出微波脈沖寬度和微波功率提取效率是微波管的兩大重要性能指標(biāo)。一直以來，尋求如何不斷提高這兩大指標(biāo)是科研人員致力于解決的問題之一。
磁控管作為一種結(jié)構(gòu)小巧體積緊湊的微波管器件，由一個(gè)陰極和一個(gè)角向周期分布的陽極組成。當(dāng)超過陰極表面發(fā)射閾值的電壓徑向加載到陰陽極之間時(shí)，處于陰極上的發(fā)射極便會(huì)發(fā)射電子。所發(fā)射的電子與陰極和陽極所構(gòu)成的高頻諧振系統(tǒng)進(jìn)行換能，將電子的能量轉(zhuǎn)換成微波能量，最終通過輻射系統(tǒng)輻射出去。
目前，工作于低電壓情況下的磁控管，經(jīng)過了近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)初步緩解了輸出微波脈寬短和功率效率低的狀況，然而起步于上個(gè)世紀(jì)70年代中期，工作于高電壓(數(shù)百千伏)、大電流(數(shù)十千安)情況下的相對(duì)論磁控管，由于工作機(jī)制和工作條件的特殊性，增加輸出微波脈沖寬度和提高微波功率提取效率仍然是亟待解決的問題。
2005年10月發(fā)表于《Physical Review Letters》(物理評(píng)論快報(bào))上的文章“RapidStartof Oscillations in a Magnetron with a Transparent Cathode，，(具有透明陰極的磁控管可以快速起振)提出了解決該問題的最新方案。文章中所提到的透明陰極由一些獨(dú)立的角向分布的金屬桿組成，每個(gè)金屬桿上套有或整體加工有發(fā)射極，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是:和傳統(tǒng)實(shí)心陰極(只有一個(gè)圓柱型金屬桿，其結(jié)構(gòu)見圖2)相比，通過在陰極表面的角向方向增加空隙，使陰極表面的角向平均電場強(qiáng)度增強(qiáng)，而磁控管內(nèi)部的角向平均電場強(qiáng)度恰恰和微波模式的空間增長率成正比，因此，當(dāng)將傳統(tǒng)實(shí)心陰極改為透明陰極時(shí)會(huì)提高微波模式的空間增長率從而實(shí)現(xiàn)增加微波脈沖寬度。按照文章中所提方法國防科大開展了相關(guān)研究工作，根據(jù)文章中所給出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)的實(shí)心陰極，透明陰極的使用對(duì)增加微波脈寬和提高功率提取效率有效果，所得研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于2012年第2期的《scientific instrument review》(科學(xué)儀器評(píng)論)上，文章名“Effectsof the transparent cathode on the performance of a relativistic magnetron withaxial radiation”(透明在軸向福射相對(duì)論磁控管上的使用效果)。但是實(shí)驗(yàn)中使用透明陰極后所獲得的微波脈寬和所使用的脈沖功率驅(qū)動(dòng)源的電脈沖寬度相比仍然較短，并且功率提取效率只有16.7%。仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，文章中所提出的透明陰極和傳統(tǒng)實(shí)心陰極相比，區(qū)別只存在于角向方向是否有空隙，沒有談及金屬桿的形狀或數(shù)目要求。此外，僅僅通過增加陰極表面的角向平均電場強(qiáng)度實(shí)際上并沒有甩掉傳統(tǒng)磁控管中的束波互作用機(jī)制，即經(jīng)陰極發(fā)射出的電子在軸向磁場的作用下被動(dòng)的完成與磁控管角向慢波諧振腔中的高頻場換能。而這種被動(dòng)換能機(jī)制恰恰最能影響束波換能的早與晚，這是因?yàn)楸粍?dòng)換能機(jī)制無法消除電脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間內(nèi)的不同模式競爭。當(dāng)在微波產(chǎn)生的過程中存在不同模式競爭時(shí)，模式競爭過程勢必會(huì)壓縮主模存在的時(shí)間，最終體現(xiàn)為縮短微波脈寬
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明要解決的問題是，提出一種磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極，當(dāng)磁控管使用該陰極后可有效增加輸出微波脈寬和有效提高功率轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明由金屬桿、發(fā)射極、底座以及擋體構(gòu)成。底座由金屬材料制成，表面為平面，主要用于固定金屬桿，固定可以采用焊接、螺紋連接、插入等多種方式。金屬桿固定于底座上，其軸線與底座表面垂直。金屬桿的數(shù)量η與磁控管陽極諧振腔的數(shù)量N相同，N為偶數(shù)。η根金屬桿的軸線沿圓周呈角向均勻分布。所有金屬桿的尺寸結(jié)構(gòu)相同。金屬桿的形狀，可具有多項(xiàng)擴(kuò)展設(shè)計(jì)，其橫截面可以為圓形、扇形、梯形、長方形或者k邊形(k>3)。金屬桿的角向長度I (角向長度是指橫截面上最遠(yuǎn)兩點(diǎn)之間的距離)不超出磁控管諧振腔的張角Θ。發(fā)射極套于或整體加工于金屬桿上，主要用于向磁控管的互作用空間發(fā)射電子。當(dāng)所發(fā)明陰極用作熱陰極時(shí)，發(fā)射極材料為鎢絲、鑰絲等金屬材料或合金材料；當(dāng)所發(fā)明陰極用作冷陰極時(shí)，發(fā)射極材料為天鵝絨、碳纖維、石墨等非金屬材料。發(fā)射極的數(shù)量i為陽
極諧振腔數(shù)量N的一半，即i=|。每間隔一個(gè)金屬桿放置一個(gè)發(fā)射極。擋體由金屬材料制成，表面為平面，主要用于阻擋電子的軸向漂移。擋體位于金屬桿的另一端，與底座相對(duì)應(yīng)。擋體的橫截面積大于所有金屬桿橫截面積之和，擋體可固定在金屬桿上或由額外的擋體支撐桿固定。當(dāng)采用額外的擋體支撐桿固定時(shí)，擋體支撐桿也是一根金屬桿，一端固定于底座中心，另一端固定擋體。采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果:1.當(dāng)外加電壓加載到磁控管的陰陽極上時(shí)，本發(fā)明的陰極可以使電子只從具有特定交錯(cuò)分布的發(fā)射極上發(fā)出。從宏觀上看，處于磁控管互作用空間中的被發(fā)射到陰陽極之間的電子會(huì)形成特定的空間分布。這種具有特定空間分布的電子只能允許主模存在，起到主動(dòng)抑制競爭模式產(chǎn)生的目的。而這種主動(dòng)形成電子特定空間分布、抑制競爭模式的能力是傳統(tǒng)實(shí)心陰極和所公知的透明陰極所不具備的。2.根據(jù)國防科大的試驗(yàn)結(jié)果顯示:和背景技術(shù)所述的透明陰極相比，在相同條件下，本發(fā)明陰極可以將微波脈沖寬度提高40%以上，功率轉(zhuǎn)換效率提高15%以上。


:圖1是背景技術(shù)所述的透明陰極結(jié)構(gòu)；圖2是已經(jīng)背景技術(shù)所述傳統(tǒng)實(shí)心陰極結(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)；圖4是具有支撐桿的本發(fā)明結(jié)構(gòu)。圖5是本發(fā)明角向長度的限制條件示意圖。
圖6為使用透明陰極得到的二極管電壓U (Voltage)、電流I (Current)以及磁控管輸出微波Pm (Microwave)的波形。圖7為使用本發(fā)明得到的二極管電壓U (Voltage)、電流I (Current)以及磁控管輸出微波Pm (Microwave)的波形。 具體實(shí)施方式
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圖1是背景技術(shù)公布的透明陰極結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由金屬桿1，發(fā)射極2以及底座3組成。發(fā)射極2套于或整體加工于金屬桿I上。金屬桿I由底座3支撐。
圖2是背景技術(shù)所述的傳統(tǒng)實(shí)心陰極結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由金屬桿I和發(fā)射極2組成。發(fā)射極2存在于套于或整體加工于金屬桿I上。
圖3是本發(fā)明陰極的基本結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由金屬桿1，發(fā)射極2，底座3以及擋體4組成。發(fā)射極2套于或整體加工于金屬桿I上。金屬桿I分別與底座3以及擋體4相連。金屬桿I的數(shù)量等于陽極諧振腔數(shù)量N，發(fā)射極2的數(shù)量i為陽極諧振腔數(shù)量N的一半，即I=V每間隔一個(gè)金屬桿放置一個(gè)發(fā)射極。
圖4示出了本發(fā)明陰極具有擋體支撐桿的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由金屬桿1，發(fā)射極2，底座3,擋體4以及擋體支撐桿5組成。發(fā)射極2存在于金屬桿I上。金屬桿I分別與底座3以及擋體4相連。擋體支撐桿5位于η根金屬桿I的中心，與底座3和擋體4共軸，分別與底座3以及擋體4相連。
圖5示出了本發(fā)明陰極的角向長度的限制條件。金屬桿I的角向長度I不超出磁控管諧振腔的張角Θ。
按照 本發(fā)明的陰極可以使得主模式(π模)工作的磁控管具有更長的微波脈寬和更高的功率轉(zhuǎn)換效率。
在國防科大高功率微波技術(shù)研究所的強(qiáng)流加速器上開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。所使用的磁控管為通用Α6型，即6個(gè)諧振腔。在二極管電壓U和外加磁場B相同的條件下，使用發(fā)表于《PhysicalReview Letters))(物理評(píng)論快報(bào))上的文章“Rapid Start of Oscillationsin a Magnetronwith a Transparent Cathode”(具有透明陰極的磁控管可以快速起振)所提出的透明陰極和本發(fā)明陰極(兩者具有相同的金屬桿和發(fā)射極材料)得到圖6和圖7所示結(jié)果(實(shí)際示波器測量顯示)。圖6為使用透明陰極得到的二極管電壓U (Voltage)、電流I(Current)以及磁控管輸出微波Pm (Microwave)的波形。圖7為使用本發(fā)明得到的二極管電壓U (Voltage)、電流I (Current)以及磁控管輸出微波Pm (Microwave)的波形。從圖可看出，圖6的電流I為8.58kA，輸出微波脈沖寬度為27ns，而圖7的電流I為7.22kA，輸出微波脈沖寬度為37ns。圖6和圖7所示的輸出微波Pm的幅值，即最大值Pmax，基本相等。磁控管的功率轉(zhuǎn)換效率7=#^，當(dāng)在Pmax和U相同的情況下，η與I成反比關(guān)系，即I減 UXi小η增大。因此，從該實(shí)驗(yàn)可知，與使用透明陰極的磁控管相比，使用本發(fā)明的磁控管可以產(chǎn)生更寬的微波脈寬和更高的功率轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極，其特征在于磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極由金屬桿(1)，發(fā)射極(2)，底座(3)以及擋體(4)組成； 底座(3)由金屬材料制成,表面為平面,用于固定金屬桿； 金屬桿(I)固定于底座上，其軸線與底座(3)表面垂直；金屬桿(I)的數(shù)量η與磁控管陽極諧振腔的數(shù)量N相同，N為偶數(shù)，η根金屬桿(I)的軸線沿圓周呈角向均勻分布；所有金屬桿(I)的尺寸結(jié)構(gòu)相同；金屬桿(I)的角向長度I即金屬桿橫截面上最遠(yuǎn)兩點(diǎn)之間的距離不超出磁控管諧振腔的張角Θ ； 發(fā)射極(2)套于或整體加工于金屬桿(I)上，用于向磁控管的互作用空間發(fā)射電子；當(dāng)磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極用作熱陰極時(shí)，發(fā)射極(2)材料為金屬材料或合金材料；當(dāng)磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極用作冷陰極時(shí)，發(fā)射極(2)材料為非金屬材料；發(fā)射極(2)的數(shù)量i為陽極諧振腔數(shù)量N的一半，即i=|;每間隔一個(gè)金屬桿放置一個(gè)發(fā)射極(2)； 擋體(4)由金屬材料制成，表面為平面，用于阻擋電子的軸向漂移；擋體(4)位于金屬桿(I)的另一端，與底座(3)相對(duì)應(yīng)；擋體(4)的橫截面積大于所有金屬桿(I)橫截面積之和，擋體(4)固定在金屬桿(I)上。
2.一種磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極，其特征在于金屬桿(I)的橫截面為圓形、扇形、梯形、長方形或者k邊形，k>3。
3.—種磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極，其特征在于當(dāng)磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極用作熱陰極時(shí)，發(fā)射極(2)材料為鎢絲、鑰絲；當(dāng)磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極用作冷陰極時(shí)，發(fā)射極(2)材料為天鵝絨、碳纖維、石墨。
4.一種磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極，其特征在于擋體(4)也可由擋體支撐桿(5)固定，擋體支撐桿(5)也是一根金屬桿,一端固定于底座(3)中心,與底座(3)和擋體(4)共軸，另一端固定擋體(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁控管用長脈沖高轉(zhuǎn)換效率陰極，目的是使磁控管使用該陰極后增加輸出微波脈寬和提高功率轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明由金屬桿、發(fā)射極、底座以及擋體構(gòu)成。金屬桿固定于底座上，其軸線與底座表面垂直，金屬桿的數(shù)量n等于磁控管陽極諧振腔的數(shù)量N，n根金屬桿的軸線沿圓周呈角向均勻分布。發(fā)射極套于或整體加工于金屬桿上，發(fā)射極的數(shù)量擋體位于金屬桿的另一端，與底座相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明的陰極可以使電子只從具有特定交錯(cuò)分布的發(fā)射極上發(fā)出，這種具有特定空間分布的電子只能允許主模存在，起到主動(dòng)抑制競爭模式產(chǎn)生的目的，可以將微波脈沖寬度提高40%以上，功率轉(zhuǎn)換效率提高15%以上。
文檔編號(hào)H01J23/05GK103151230SQ20121052999
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者李偉, 張軍, 劉永貴 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)