磁絕緣線振盪器

磁絕緣線振盪器（MILO）是一種新型相對論正交場器件，它可以看成是直線型相對論磁控管，但它與相對論磁控管不同的是，利用陰極大電流產生的自身磁場來阻止電子流直接打上陽極，而不需要藉助外加磁場實現磁絕緣，因此它是一種自絕緣型器件，電子在電場和自身磁場作用下沿軸向漂移。

基本介紹

• 中文名：磁絕緣線振盪器
• 外文名：MangneticallyInsulated Transmission Line Oscillator
• 外語縮寫：MILO
• 類型：M型相對論電子注器件

MILO的結構

MILO（Mangnetically Insulated Transmission Line Oscillator，MILO）可以是同軸型的，也可以是平面型的，在同軸情況下，電場在徑向，電子流產生的磁場在角向，因此電子在軸向漂移；而在平面情況下，電場若是y向的，則磁場就是x向的，電子在z向漂移。

圖1是一個同軸型MILO的結構示意圖，圖中同時繪出了模擬得到的電子分布。這裡只畫出了軸線上方的一半結構，因此它是軸對稱的，這樣就已經足夠反映器件的全貌。它由陰極、陽極和收集極組成，MILO的陽極是慢波結構，一般由膜片載入圓波導構成，膜片的分隔形成了一個個小腔，最左邊的兩個腔是截止腔，其作用是反射微波而不讓它通過進入脈衝功率源。另外，截止腔段的低阻抗可以為器件提供較大的電流。MILO本身的慢波結構則由4個小腔組成，收集極作為內導體與陽極一起構成微波功率的同軸輸出段，再過渡到圓波導輸出。從圖1中的模擬結果可以看到對應模的電子輪輻結構。

圖1 MILO的結構和模擬得到的電子分布

MILO的基本原理

當對結構軸線上的圓柱陰極加上負高壓時，陰極圓柱體的側面和右端面將發射電子，右端面發射的電子向右運動打上收集極，這部分電子稱為負載電流。負載電流將產生一個圍繞陰極的角向磁場，從而使從陰極側面發射的電流產生偏轉，阻止它直接打上陽極，也就是說，該磁場起到了陰、陽極之間的絕緣作用，因此負載電流也稱為磁絕緣電流。而陰極側面發射的電流在陰、陽極之間正交的徑向電場和角向絕緣磁場的共同作用下產生向右方向的縱向漂移，當電子流漂移速度與慢波線上的微波場相速同步時，電子流與場發生相互作用，電子將能量交給場，使微波得到增長，產生高功率微波輸出。

根據前面的分析，當MILO工作在效率最大狀態時，能夠保持磁場絕緣的最小負載電流為I_su

式中， 為相對論因子。根據式 ，它可以表示成

G為幾何因子，對於同軸型結構，有

r_a、r_k分別為陽極內半徑（慢波線表面半徑）和陰極半徑。對於平面型結構，有

式中，W為陽極和陰極的寬度，d為它們之間的距離。

顯然，MILO的軸向工作電流I_z必須大於最小負載電流I_su，即I_z>I_su。

MILO的特點

MILO的優點是阻抗較低，因此能夠在相對低的電壓下得到較高的功率，特別是對於r_a與r_k比較接近的大尺寸系統，這一特性更為明顯。MILO的這一特點還使它可以較好地與低阻抗脈衝功率源匹配；另外，由於MILO不再需要外加磁場，使得系統設計和製造得到了簡化，降低了成本。

MILO的局限性在於它的效率低，這一方面是由於磁絕緣需要一定的電流直接打上收集極，這部分電流沒有參與互作用，造成電流損失；另一方面是由於微波提取效率低，主要是因為從群速為零的模提取功率十分困難，微波能量是通過邊緣場提取而不是通過波的縱向傳輸提取的，因而，當在慢波線最右端（下游）提取微波功率時，只有右端的幾個腔對產生微波輻射有貢獻，而與上遊方向的腔的個數關係不大。

改進型MILO

為了改善由均勻小腔慢波線組成的MILO效率低的不足，提出了一種改進型的錐形慢波線MILO，如圖2所示。上面已經指出，模的群速為零，這就使得在MILO中產生的微波振盪能量不能有效輸出。在錐形MILO的慢波結構中，先採用4~5個均勻腔以模對電子進行調製並鎖定微波振盪的頻率；然後利用腔長逐漸縮短，即緩變的錐形段與微波信號進行有效的互作用，把已經成振盪的微波放大；最後是一段陡變的錐形慢波線，微波的群速隨腔長的迅速縮短而增加，這樣有利於微波能量的輸出，同時又不破壞漂移電子與電磁場的耦合；陡變錐形慢波線可以直接過渡到同軸輸出結構，微波功率在這裡以行波輸出。

圖2 錐形MILO結構與模擬得到的電子分布

圖2中同時也給出了這種改進的錐形MILO中模擬得到的電子流。數值模擬和實驗結果顯示，它的輸出功率可以超過1GW，效率達4%~5%，比其他MILO在效率和功率水平上都有顯著提高。