本发明涉及高功率微波的微波源器件，尤其是一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，属于高功率微波。
背景技术：
1、高功率微波一般是指峰值功率超过100mw、工作频率在1ghz～300ghz之间的电磁波。高功率微波源是指高功率微波系统中将强流相对论电子束能量转换为微波能量，即产生高功率微波的器件。在现有高功率微波源中，一般需要较强的导引磁场来获得较高的转换效率。技术人员普遍使用螺线管磁体或者超导磁体来提供所需磁场，这两种磁体系统体积随着磁场的增大而急剧增大，所以工作在低磁场(小于1t)的高功率微波源较工作在强磁场(大于1t)的高功率微波源其励磁系统体积大大减小，但同时也会产生转换效率低的问题。
2、为解决在低磁场下转换效率低的难题，工作于双模的高功率微波源在近几年被提出。不同于传统高功率微波源中电子束仅于单一的表面波或体波进行换能，工作于双模的高功率微波源同时与表面波和体波进行换能，大大提升了转换效率。目前，研究人员多采用工作于双模的相对论返波振荡器(也被称为相对论返波管)在低磁场下获得高转换效率。相对论返波振荡器产生高功率微波的机理为切伦科夫辐射。
3、目前，工作于双模的相对论返波振荡器研究方面，主要有以下相关工作：
4、2018年，俄罗斯科学院西伯利亚分院大电流所vladislav v.rostov等人研究了一种过模的双模相对论返波振荡器【v.v.rostov,a.v.gunin,r.v.tsygankov,et al.two-wave cherenkov oscillator with moderately oversized slow-wave structure[j].ieee transactions on plasma science,2018,46(1):33-42.】。(下文简称为现有技术1，如图1所示)。该结构由空心阴极、吸波材料、阳极、匹配段、慢波结构1、慢波结构2、收集极、输出波导和螺线管磁场组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案通过强流电子束同时和表面波tm01、体波tm02进行束波相互作用，从而提高转换效率。仿真表明在强磁场(约4t)和低磁场(约1t)工作时，该器件的转换效率分别能达到47％和30％。该方案在不同强度的磁场下都得到了较高的转换效率，但在低磁场下受限于电子束的质量，转换效率还需要进一步提高。
5、2020年，西北核技术研究所肖仁珍等人研究了一种低磁场高效率的相对论返波管振荡器【renzhen xiao,yanchao shi,huida wang,et al.efficient generation ofmulti-gigawatt power by an x-band dual-mode relativistic backward waveoscillator operating at low magnetic field[j].physics of plasmas,2020,27(4):043102.】。(下文简称为现有技术2，如图2所示)。该结构由阴极、内反射器、双预调制腔、非均匀慢波结构、输出波导组成，整个器件关于中心旋转对称。该方案的内反射器不隔离二极管和慢波结构，同时整个器件工作在双模：tm01和tm02，同时也输出tm01和tm02的混合模式。仿真表明，工作在双模的器件能充分利用体波来参与束波相互作用，从而提高效率。在二极管电压880kv、电流12.5ka、导引磁场0.66t的条件下，输出功率4.6gw，转换效率42％。该方案在0.66t的磁场下获得了40％以上的转换效率，但其导引磁场可以进一步降低，效率也可以进一步提高，并且该方案输出的是tm01和tm02的混合模式，后续还需要额外的模式转换器对输出模式进行纯化。
6、分析上述研究现状不难看出，双模工作的相对论返波振荡器研究已经在0.6t的磁场下取得了40％以上的转换效率，但大部分技术方案的导引磁场仍在0.6t以上，导引磁场有待进一步降低；且微波输出模式复杂，还需要进一步纯化方可使用。
7、因此，亟需研究一种能双模工作、输出模式纯净(单模)、低磁场(<0.5t)、高转换效率(>40％)的相对论返波管，其技术方案尚未有公开报道。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：本发明提出一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管。整个器件采用同轴结构，同轴结构能减小空间电荷效应，有利于器件在低磁场下工作。整个器件工作在准tem和tm01双模机制下，同时采用非均匀化的慢波结构来加强电场和电子束调制，进而提高微波转换效率。仅通过带过渡段的输出波导就能输出纯净的tem模式微波。本发明可以解决现有技术1和2在低磁场下难以获得高效率的难题，在0.5t的导引磁场下获得大于40％的转换效率，并实现单模输出。
2、本发明的技术方案为：
3、一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，包括阴极座301、阴极302、内导体303、阳极外筒304、第一漂移腔305、第一调制腔306、第二漂移腔307、第二调制腔308、第三漂移腔309、慢波结构310、梯形收集极311、输出波导312、螺线管磁场313；整个结构关于中心轴线旋转对称。
4、阴极302是一个薄壁圆筒，壁厚为2mm，半径为r1，套在阴极座301右端；内导体303的外表面和阳极外筒304的内表面具有不规则波纹，两者构成了同轴高频结构。第一漂移腔305是一个外半径为r2，内半径为r3的圆环形空腔，宽l1，l1一般取值为工作波长λ的0.5-0.7倍；第一调制腔306是一个外半径为r4，内半径为r5的圆环形空腔，满足r4>r2，r3>r5，宽l2，l2一般取值为工作波长λ的0.3-0.5倍；第二漂移腔307是一个外半径为r2，内半径为r6的圆环形空腔，满足r6>r5，宽l3，l3一般取值为工作波长λ的0.6-0.8倍；第二调制腔308是一个外半径为r7，内半径为r5的圆环形空腔，满足r7>r4，宽l4，l4一般取值为工作波长λ的0.8-1倍；第三漂移腔309是一个外半径为r8，内半径为r6的圆环形空腔，满足r8>r2，宽l5，l5一般取值为工作波长λ的0.5-0.7倍；慢波结构310位于内导体外表面的部分为半径为r9的圆柱，位于阳极外筒内表面的部分为9个慢波叶片：第一个慢波叶片由内半径r10、宽l6的圆环和内半径r23、宽l7的圆环组成，满足r10>r23，l6一般取值为1mm-6mm，l7一般取值为6mm-15mm；第二个慢波叶片由内半径r11、宽l8的圆环和内半径r24、宽l9的圆环组成，满足r11>r24，l8一般取值为1mm-6mm，l9一般取值为6mm-15mm；第三个慢波叶片由内半径r12、宽l10的圆环和内半径r25、宽l11的圆环组成，满足r12>r25，l10一般取值为1mm-6mm，l11一般取值为6mm-15mm；第四个慢波叶片由内半径r13、宽l12的圆环和内半径r25、宽l13的圆环组成，满足r13>r25，l12一般取值为1mm-6mm，l13一般取值为6mm-15mm；第五个慢波叶片由内半径r14、宽l14的圆环和内半径r26、宽l15的圆环组成，满足r14>r26，l14一般取值为1mm-6mm，l15一般取值为6mm-15mm；第六个慢波叶片由内半径r15、宽l16的圆环和内半径r26、宽l17的圆环组成，满足r16>r26，l16一般取值为1mm-6mm，l17一般取值为6mm-15mm；第七个慢波叶片由内半径r16、宽l18的圆环和内半径r26、宽l19的圆环组成，满足r17>r26，l18一般取值为1mm-6mm，l19一般取值为6mm-15mm；第八个慢波叶片由内半径r17、宽l20的圆环和内半径r26、宽l21的圆环组成，满足r17>r26，l20一般取值为1mm-6mm，l21一般取值为6mm-15mm；第九个慢波叶片由内半径r18、宽l22的圆环和内半径r19、宽l23的圆环组成，满足r18>r19，l22一般取值为1mm-6mm，l23需要根据电子束轰击位置和磁场位形综合设计，一般取值为工作波长λ的0.2-0.5倍。梯形收集极311是一个横截面为平行四边形的圆台形空腔，外半径为r20，内半径为r19，底边长度为l25，斜边的投影长度为l24，l24和l25需要根据电子束轰击位置和磁场位形综合设计，l24一般取值为工作波长λ的1.2-1.6倍，l25一般取值为工作波长λ的0.4-1倍；内导体303在距梯形收集极311投影长度为l26的位置处半径由r9增长到r22，该过渡段投影长度为l27，l26一般取值为工作波长λ的0.7-1.2倍，l27一般取值为工作波长λ的0.2-0.7倍。输出波导312为一个外半径为r21，内半径为r22，长为l28的同轴波导，l28为工作波长λ的1-2倍；带过渡段的输出波导用于让输出波导截止tm01模式，从而输出纯净的tem模式微波，避免装置后面还需要额外的模式转换器；螺线管磁场313环绕在阳极外筒304外壁，用于产生导引磁场。
5、阴极座301、内导体303和阳极外筒304通常采用无磁不锈钢材料，阴极302可采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(fr-5)材料，螺线管磁场313采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。阴极座301左端外接脉冲功率驱动源的内导体，阳极外筒304左端外接脉冲功率驱动源的外导体。
6、本发明的工作过程如下：前置装置(例如脉冲功率源)产生的脉冲高压经阴极座301作用到阴极302上，阴极302基于爆炸发射产生强流相对论电子束，在螺线管磁场313的导引下向同轴高频结构传输。电子束分别经过第一漂移腔305、第一调制腔306、第二漂移腔307、第二调制腔308、第三漂移腔309、慢波结构310、最终轰击到梯形收集极311上。在低磁场下，第一调制腔和第二调制腔能对强流相对论电子束进行预调制。预调制后的电子束进入慢波结构，先与慢波结构内的准tem本征模式相互作用，由于器件处于同轴过模状态，先激励起的准tem模式会转换成相同频率的tm01模式，两个模式混合共同与电子束发生相互作用。产生的微波最终通过输出波导312向外辐射。
7、与现有技术相比，采用本发明可达到以下技术效果：
8、1、本发明提供的一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管工作在同轴准tem和tm01双模机制下。区别于工作在单模的器件只有表面波(同轴准tem模式)参与束波相互作用，该器件使得体波(同轴tm01模式)也参与束波相互作用，体波的电场最大值较表面波相比远离器件表面，使得在低磁场下横向扩散的电子束可以远离慢波结构表面进行高效束波互作用，提高器件在低磁场下的转换效率。
9、2、本发明提供的一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管相较于传统的工作在低磁场的空心相对论返波管，引入了内导体，使得高频结构转变为了同轴结构，同轴结构能进一步减小电子束的空间电荷效应，提高相同磁场强度下电子束质量，进而降低双模工作高功率微波器件的导引磁场。
10、3、本发明提供的一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管相较于空心双模工作的相对论返波管，不需要另外再接模式转换器，仅通过带过渡段的输出波导就能将慢波结构内工作的混合模式以单一的tem模式输出，解决了传统双模工作器件输出混合模式、需另接模式转换器的问题。
1.一种双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，其特征在于：包括阴极座(301)、阴极(302)、内导体(303)、阳极外筒(304)、第一漂移腔(305)、第一调制腔(306)、第二漂移腔(307)、第二调制腔(308)、第三漂移腔(309)、慢波结构(310)、梯形收集极(311)、输出波导(312)、螺线管磁场(313)；整个结构关于中心轴线旋转对称；
2.一种根据权利要求1所述双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，其特征在于：阴极(302)壁厚为2mm。
3.一种根据权利要求1所述双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，其特征在于：阴极座(301)、内导体(303)和阳极外筒(304)采用无磁不锈钢材料。
4.一种根据权利要求1所述双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，其特征在于：阴极(302)采用高硬度石墨或耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板材料。
5.一种根据权利要求1所述双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，其特征在于：螺线管磁场(313)采用漆包铜线或玻璃丝包铜线绕制而成。
6.一种根据权利要求1至5任一项所述双模工作单模输出的低磁场高效率同轴相对论返波管，其特征在于：工作频率为8.4ghz的一种双模工作的低磁场高效率同轴相对论返波管相应的尺寸设计为：r1＝50mm，r2＝55mm，r3＝45mm，r4＝62mm，r5＝41mm，r6＝44.5mm，r7＝65mm，r8＝57mm，r9＝31mm，r10＝63mm，r11＝63.5mm，r12＝60mm，r13＝59mm，r14＝62mm，r15＝61mm，r16＝60mm，r17＝60mm，r18＝62mm，r19＝55mm，r20＝66mm，r21＝52mm，r22＝36mm，r23＝61.5mm，r24＝57mm，r25＝56mm，r26＝54mm，l1＝20mm，l2＝13mm，l3＝22mm，l4＝30mm，l5＝21mm，l6＝4mm，l7＝10mm，l8＝4.5mm，l9＝15mm，l10＝4mm，l11＝9mm，l12＝5.5mm，l13＝9mm，l14＝4mm，l15＝10mm，l16＝4.5mm，l17＝8mm，l18＝5mm，l19＝7mm，l20＝5mm，l21＝7mm，l22＝4mm，l23＝13mm，l24＝50mm，l25＝21mm，l26＝34mm，l27＝29mm，l28＝53mm。
