一种用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明属于高功率微波器件技术领域，具体公开了一种用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置。背景技术：2.高功率微波(high power microwave，缩写为hpm)通常是指峰值功率大于100mw，频率介于0.1ghz-100 ghz的电磁波。hpm技术是20世纪70年代兴起的一门交叉学科，是传统电真空器件与脉冲功率技术集合的产物。近二十年来，受到高能射频加速器、定向能武器和高功率雷达等应用的牵引，hpm技术在军事和民用领域中展现出了良好的应用前景，得到了迅猛发展。3.hpm器件是一种利用强流相对论电子束在真空高频电磁结构中与其本征模相互作用机制，将电子束动能转化成微波能的器件。高频率与高峰值功率是hpm技术领域不断追求的目标，但是由于hpm产生的物理机制、器件工艺结构及材料性能等因素的制约，在向更高频率、更高峰值功率进一步迈进时，hpm器件都存在强电场击穿、输出微波脉冲缩短等物理障碍，制约了单管hpm器件峰值功率的进一步提高。为满足实际应用需求，将多个hpm器件的输出微波进行功率合成成为未来hpm技术发展的重点和主要方向。在各种功率合成的方式中，空间相干功率合成由于可在远场获得n2倍的峰值功率密度(n为微波产生器件数量)，具有更诱人的前景。4.为实现高效率的空间相干功率合成，参与合成的hpm器件需要具有良好的锁频、锁相特性，使得输出微波频率可以精确控制，同时多个hpm产生器件之间相位锁定。相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier，简称rka)作为一种微波放大器件，具有频率稳定、相位可控等优点，是空间相干功率合成的理想器件之一。三轴相对论速调管放大器(triaxial klystron amplifier，简称tka)是rka向高频段的拓展，通过引入内导体，合理控制内外导体半径之间的差距，可以有效截止器件的横向工作模式，使得器件可以具备较大的径向尺寸，有利于提高空间极限电流，进而提高输出功率。此外，内导体的引入使得电子束势能降低，电子束能够更稳定的传输，同样大小的电流对导引磁场强度的要求降低。考虑到hpm技术的进一步实用化发展，除了不断提高输出功率与工作效率外，还需要提高重复工作频率，这不仅对产生电子束的阴极产生了新的要求，也对引导电子束传输的重频脉冲磁场提出了更高的挑战。5.由于tka特有的工作机理，电子束在脉冲磁场约束下的调制和群聚过程分别在谐振腔和漂移管中进行，这也导致了tka的轴向长度较长，置于tka外部的脉冲磁场轴向尺寸较大，磁场线圈的电感l和电阻r较大，此外，由于tka具有较大的径向尺寸，使得脉冲磁场径向尺寸较大，磁场线圈的电感l和电阻r进一步增大。根据lcr回路的重复工作频率定义：可知，tka所需要的脉冲磁场在高重复频率(磁场充放电频率20hz)运行时的设计难度将大大增加。6.现阶段，tka所使用的脉冲磁场多为单线圈lcr回路，其他hpm器件使用的磁场线圈也多为单线圈lcr回路，单线圈lcr回路对于tka这种体积较大的器件，电感l和电阻r较大，其重复工作频率较低，难以达到所需要的高重复频率要求。技术实现要素：7.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种有利于显著降低磁场线圈的电感l和电阻r，进而提高脉冲磁场的重复工作频率的用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置。8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：9.一种用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置，包括外筒、内筒及两组线圈组件，所述内筒同轴嵌套于所述外筒内，两组所述线圈组件对称布置于所述内筒的两端，所述线圈组件包括多个串联的线圈，所述外筒上设有两组接线柱组件，两组所述线圈组件与两组所述接线柱组件一一对应连接使得两组线圈组件呈现并联结构。10.作为上述技术方案的进一步改进：多个所述线圈包括由内筒中部向端部依次布置的第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈，构成所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈的线包的匝数和层数均不相同，且所述第一线圈、所述第二线圈、所述第三线圈和所述第四线圈的外径逐渐增加。11.作为上述技术方案的进一步改进：所述线圈采用漆包扁平线绕制。12.作为上述技术方案的进一步改进：所述线圈与所述内筒之间的间隙设有有环氧玻璃布填充层。13.作为上述技术方案的进一步改进：所述接线柱组件设于所述外筒的下侧。14.作为上述技术方案的进一步改进：所述外筒端部与所述内筒端部通过封板固定连接，两端的所述封板、所述外筒和所述内筒配合形成封闭腔体，所述外筒上设有与所述封闭腔体连通的进油嘴和出油嘴。15.作为上述技术方案的进一步改进：所述进油嘴设于所述外筒的上侧，所述出油嘴设于所述外筒的下侧。16.作为上述技术方案的进一步改进：所述封板与所述外筒、以及所述封板与所述内筒均可拆卸连接。17.作为上述技术方案的进一步改进：所述封板的端面或圆周面上设有安装部。18.作为上述技术方案的进一步改进：所述外筒、所述内筒和所述封板为金属材质且磁导率≤1.1。19.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置，采用双线圈lcr并联回路的结构，可显著降低磁场线圈的电感l和电阻r，进而提高脉冲磁场的重复工作频率，使rka等hpm器件可以工作在高重复频率状态。附图说明20.图1是本发明用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置的剖视结构示意图。21.图2是本发明用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置的正视结构示意图。22.图3是本发明用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置的下视结构示意图。23.图4是本发明用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置的左视结构示意图。24.图中各标号表示：1、外筒；2、内筒；3、线圈组件；30、线圈；31、第一线圈；32、第二线圈；33、第三线圈；34、第四线圈；4、接线柱组件；5、封板；51、安装部；6、封闭腔体；71、进油嘴；72、出油嘴。具体实施方式25.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。26.图1至图4示出了本发明用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置的一种实施例，本实施例的用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置，包括外筒1、内筒2及两组线圈组件3，内筒2同轴嵌套于外筒1内，两组线圈组件3对称布置于内筒2的两端，线圈组件3包括多个串联的线圈30，外筒1上设有两组接线柱组件4，两组线圈组件3与两组接线柱组件4一一对应连接使得两组线圈组件3呈现并联结构，具体而言，接线柱组件4包括正极接线柱和负极接线柱，多个线圈30串联后始头、末头分别连接正极接线柱、负极接线柱。优选的，始头、末头直接折弯引出后焊接在正极接线柱、负极接线柱，可靠性好。27.该用于相对论速调管放大器的高重频脉冲磁场装置，采用双线圈lcr并联回路的结构，可显著降低磁场线圈的电感l和电阻r，进而提高脉冲磁场的重复工作频率，使rka等hpm器件可以工作在高重复频率状态。28.进一步地，多个线圈30包括由内筒2中部向端部(也即由垂直于内筒2轴线的中心面向内筒2的端部)依次布置的第一线圈31、第二线圈32、第三线圈33和第四线圈34，构成第一线圈31、第二线圈32、第三线圈33和第四线圈34的线包的匝数和层数均不相同，且第一线圈31、第二线圈32、第三线圈33和第四线圈34的外径逐渐增加，这样可以减弱磁场的边缘效应，增加磁场均匀区的长度，对于rka这种轴向长度较长的hpm器件来说，磁场均匀区在满足束波互作用的前提下，可以大大减小磁场装置的长度，相应的体积也会减少。优选的，本实施例中，每组线圈组件3中的第一线圈31采用18组匝数×层数为13×13的线包，第二线圈32、第三线圈33和第四线圈34均采用4组线包，匝数×层数分别为18×18、20×20和23×23，经过反复验证表明，能够有效的减弱磁场的边缘效应，增加磁场均匀区的长度。29.作为优选的实施例，线圈30采用漆包扁平线绕制，线圈30绕线时绕一层刷一层导热胶，最外层外侧不刷，导热胶需刷均匀并尽可能薄，绕制完成后将线头扎紧，防止线饼松动，并用夹具压平整，使得线圈30两侧平整光滑，以防产生翘曲、鼓包以及导热胶胶块。30.作为优选的实施例，线圈30与内筒2之间的间隙设有有环氧玻璃布填充层，能够有效地将线圈30缠绕固定在内筒2上。31.作为优选的实施例，接线柱组件4设于外筒1的下侧，方便本发明的高重频脉冲磁场装置装置在hpm器件中的布局，同时也有利于提高外观美观度。32.进一步地，本实施例中，外筒1端部与内筒2端部通过封板5固定连接，两端的封板5、外筒1和内筒2配合形成封闭腔体6，外筒1上设有与封闭腔体6连通的进油嘴71和出油嘴72，可以通过进油嘴71往封闭腔体6内注入变压器油，对线圈组件3进行冷却降温，保证高重频脉冲磁场装置的可靠性和稳定性，变压器油吸收线圈组件3产生的热量后可以从出油嘴72流出，高温的变压器油经过冷却后再次回流至进油嘴71，如此循环。其中，封板5可以是独立结构并分别与外筒1、内筒2固定连接，从而使外筒1、内筒2保持相对固定；或，封板5也可以与外筒1为一体式结构，并与内筒2固定连接；或，封板5与内筒2为一体式结构，并与外筒1固定连接。33.作为优选的实施例，进油嘴71设于外筒1的上侧，出油嘴72设于外筒1的下侧，方便变压器油的流进、流出，结构简单、合理。34.本实施例中，封板5与外筒1、以及封板5与内筒2均可拆卸连接，便于高重频脉冲磁场装置的拆装维护。优选的，封板5采用圆环结构并套设于内筒2上，外筒1端部设置径向凸缘，该径向凸缘与封板5通过沿圆周方向均匀布置的多个螺栓固定连接，进而实现外筒1与封板5的固定连接，结构简单、可靠，拆装维护方便。35.进一步地，封板5的端面或圆周面上设有安装部51，安装部51例如可以是弧形孔或缺口部等，便于将高重频脉冲磁场装置与外界的安装固定。36.作为优选的实施例，外筒1、内筒2和封板5为金属材质(例如不锈钢、铜或钛合金等)且磁导率≤1.1，有利于保证高重频脉冲磁场装置的使用性能。37.虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。









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