S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:陈 羽

  本文介绍了一只S波段5.5MW 高功率脉冲磁控管的研制,该磁控管主要用于电子直线加速器的高功率微波源。文中阐述了研制过程中一些主要技术问题解决方案、部分模拟计算和制管测试结果。该管测试性能与e2v同类型管对比,各项参数基本一致,可以实现无缝替代与工业化量产。

  国内外电子直线加速器广泛采用高功率磁控管作为微波源,中能及中能以上加速器微波源以e2v公司M5028、MG6028磁控管和速调管为主流。面向直线加速器应用的高功率磁控管突出特点是阴极发射电流密度大、脉冲宽度宽、效率较高,颠覆了以往中小功率磁控管的很多技术理念,是对国家基础工业水平和基础工艺技术水平的严峻挑战。

  M5028、MG6028磁控管具有高功率、低电压、大电流、高效率、宽脉冲、精密机械与快速调谐等特点,具有相当卓越的射频性能,可以说是代表高功率磁控管设计及制造方面的最高水平。其主要用户为瑞典ELEKTA公司的Precise和Synergy加速器,每年需求管量在1000只左右,全部为e2v公司所垄断,全球目前尚无其他厂商研制成功。因此对该管的研制,不仅将带来巨大的经济效益,而且对打破国外厂商的垄断具有重要意义。

1、研制方案与技术难点

  E2V公司M5028与MG6028S波段5.5MW高功率磁控管技术指标如表1,均是高功率普通磁控管,采用玻璃金属结构、玻璃输出窗与玻璃阴极腿、氧化物阴极。如果采用与E2V公司完全一样的结构与工艺方式,在基础材料与工艺实现方面将受到很大的限制,影响最终的电气参数。因此根据磁控管性能特点,结合国内原材料及工艺实现水平,依托北京真空电子技术研究所(BVERI)多年来军用微波管研制的技术优势,针对一些技术上的难点重点,最终采用钡钨阴极和全金属陶瓷结构设计,获得成功。

表1 5.5MW 高功率脉冲磁控管主要性能指标

5.5MW 高功率脉冲磁控管主要性能指标

  1.1、频率的调整与控制

  该磁控管为长阳极结构,且没有隔模带,因此阳块在初步装配成形后频率与腔体耦合情况均已固定,无法像其他磁控管一样通过调节隔模带对频率进行微调,给磁控管频率控制带来困难。并且为了配合加速管的工作频率,该管的工作带宽又非常窄,如果装配后发现频率不满足要求,想要进行调整,无从下手,这就对零件加工精度与装配工艺提出了极高的要求。

  阳极结构如图1所示为扇形谐振腔结构,当互作用空间的导纳与对应谐振腔的导纳之和为零时,整个系统处于谐振状态。若考虑端部空间对磁控管的影响,整个系统的谐振频率为:

5.5MW 高功率脉冲磁控管主要性能指标

S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

图1 磁控管阳极示意图 图2 π模电场分布图

  n=0,1,2,…,N/2,其中,n=N/2时对应π模。考虑端部空间后π模的谐振频率为:

5.5MW 高功率脉冲磁控管主要性能指标

  式中ω0是考虑了端部空间电容的单腔固有频率;CΣ

  为单腔电容和边缘电容的总和;C″ 为叶片对阴极的电容和叶片对顶盖的电容之和。系数P 是考虑了端部空间谐振腔的静电感应与没有考端部空间谐振腔的静电感应的比值。

  由式(1)、式(2)算出管子的谐振频率,初步计算出阳极谐振腔的大概尺寸。采用微波工作室进行本征模仿真验证,π模电场分布如图2所示。

  再将仿真出的尺寸代回公式中验算,不断进行修正,最终确定了谐振腔的最佳尺寸。

  在工艺实现上,依靠提高叶片模具的分角精度和严格控制零件的公差尺寸,并且设计出专门模具(图3)来实现阳块成形后频率的最终微调,实现了磁控管频率的微调与控制。

S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

图3 频率校准模具

  1.2、输出部件方案

  E2V所有磁控管基本上采用玻璃输出窗,但由于国内在输能玻璃的制作、低损耗玻璃材料与封接工艺等方面跟国外相比均有相当大的差距,之前其他管型采用国内研制的玻璃窗在输出平均功率达到某一量级后,微波损耗极大,发热严重,不能满足要求,需选用其他介质,因此,需要对输出部件进行重新设计。最初采用的是金属陶瓷输出窗结构如图4,为了实现大功率微波输出,该磁控管输出部件是从相间叶片上依靠6个铜柱耦合出相位相同的能量,通过内外导体、窗片,圆波导,方圆转换器到矩形波导输出能量。由于取能方式比较特殊,在微波工作室中其端口面无法选取,故对于该种结构的磁控管,我们不能像同轴输出或是盒形窗那样简单地计算窗部件的传输特性,而是需要将谐振腔与能量输出链看做一个整体来考虑其传输情况。模型与驻波仿真结果如图5、图6所示。

  通过不断调整内、外导体与窗片的各种参数,确定了输出部件的最佳几何尺寸。在随后冷测和低功率热测过程中均得到了较好的结果。但在长时间高功率热测老炼时,多次出现了因功率过高,陶瓷窗片热累计导致窗片炸裂的现象,使研制一度陷入困境。经过大量调研与分析,在保证射频性能和机械强度的前提下,针对输出窗材料进行了进一步的优化与改进,最终使得该管可以稳定可靠地工作在满功率状态。

  此外还设计了金属陶瓷阴极腿支撑结构以代替E2V原玻璃腿结构,增加了结构强度,提高了可靠性。

S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

图4 输出部件 图5整管冷测模型 图6 S11仿真结果

  1.3、灯丝阴极组件的实现

  该磁控管为间热式阴极结构,如图7所示,其灯丝与阴极底金属之间的距离非常近,需要对光丝进行绝缘处理,但在粗丝径灯丝上电泳Al2O3层的工艺技术尚不稳定,e2v公司也曾宣称其灯丝与阴极工艺为该管最核心工艺。在制管初期,由于Al2O3层电泳不牢,灯丝与阴极底金属相接触而造成短路,其具体表现为通电后灯丝发热量大,其表面电泳的Al2O3层与底丝因膨胀系数不同而发生形变、分离,最终Al2O3层龟裂而剥落,有时在排气台上进行正常的阴极分解老炼都会出现灯丝阴极短路现象,一度使得该管研制陷入困境。依靠我所阴极研究室不断进行工艺改进,模拟灯丝工作环境,加电近百小时,所加灯丝电流超过阴极激活所需数值,考察Al2O3层在极端使用环境下的牢固度,进行了大量的寿命与破坏试验。最终解决了目前国内一直困扰的粗丝径灯丝电泳Al2O3层不牢固的难题,取得了工艺技术突破,达到了国际领先水平。

  M5028、MG6028均采用镍海绵氧化物阴极。但对于长结构粗直径的阴极尺寸要求,在保证阴极正常工作所需发射能力的前提下,氧化物阴极的制作存在较大难度,因此采用钡钨阴极进行试验。针对钡钨阴极二次电子发射能力与氧化物阴极相差较大的事实,从改进发射体与增大发射面等方面入手,并且在提高阴极发射能力与蒸散过大的矛盾中寻找平衡点。经过不断努力与探索,最终解决了长钡钨阴极的研制和加工等多方面的问题,实现了阴极发射脉冲电流268A,发射电流密度7.3A/cm2的稳定发射,磁控管脉冲功率达到5.5MW,也使得钡钨阴极取代氧化物阴极方案得以顺利实现,填补了国内空白。在使用寿命与阴极耐打火特性等方面更是大大超过了氧化物阴极,使整管可靠性得到极大提高。

S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

图7 磁控管灯丝阴极组件

2、制管结果

  BVERI自2009年开始此管的研制,于2012年研制出电接口、机械接口、射频性能与M5028、MG6028完全一致的高功率脉冲磁控管(图8、图9)。在加电测试中,该管工作状态稳定,冷测波形、输出波形、频谱均表现良好(图10-图12)。

S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

图8 E2V M5028磁控管 图9 BVERI S波段5.5MW 磁控管

S波段5.5MW高功率脉冲磁控管

图10 磁控管冷测波形 图11 磁控管输出波形 图12 磁控管频谱

3、结束语

  本文介绍了S波段5.5MW 高功率脉冲磁控管的研制过程及取得的成果,测试性能与e2v同类型管对比,其各项参数基本一致,可以实现无缝替代与工业化量产。在工程应用中,本管作为电子直线加速器的高功率微波源具有广阔的市场前景。

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