CN103364701A - 微波真空电子器件中电子注通过率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波真空器件中电子注通过率的测量方法。本方法通过测量电真空器件管体冷却水的热量变化、电子注电压波形和电子注总电流的方式来计算得到该器件的电子注通过率。该方法简单易行，通过外部功率校准系统等手段消除各种测量误差，准确度较高。采用该方法后可避免在器件的收集极部件处使用机械强度较低的陶瓷材料，从而降低制管难度，提高成品率。

Description

微波真空电子器件中电子注通过率的测量方法

技术领域

本发明涉及电子行业电真空器件技术领域，尤其涉及一种微波真空电子器件中电子注通过率的测量方法。

背景技术

电真空器件是一类在真空或气体介质中，利用电子注与高频电磁场相互作用而实现微波功率放大与转换功能的有源电子器件。微波真空电子器件的主要类型包括：速调管、行波管、磁控管、回旋管以及正交场放大管等，被广泛用作雷达、加速器、遥感、通信、导航、广播电视等系统的大功率发射源。

在微波真空电子器件中，为保证电子注与高频场之间的充分作用，通常要求电子注在真空管的互作用区内实现高的通过率。但由于受到真空管互作用区的聚焦磁场分布以及电子注波动、层流性等条件的限制，电子注通过率在通常情况下很难达到100％，需要在器件的测试或工作过程中加以监测，以判断微波真空电子器件的高频特性是否受到影响。

目前已知的微波真空电子器件电子注通过率的测量方法主要有两种：一是电流测量法，其技术实现手段是对真空管的收集极与管体之间进行绝缘处理，分别测量电子注在真空管管体上的截获电流和在收集极上的截获电流，通过计算二者比值而求得电子注通过率。二是温度测量法，主要针对收集极和管体之间没有绝缘的真空管，通过测量管体冷却水的温度差异，来判断电子注的截获情况，或者在管体和收集极上安装多个热电偶，通过温度分布确定电子注在管体上的耗散。但上述两种方法尚存在一些不足。

在第一种方法中，在真空管中进行绝缘处理的手段通常是在金属之间焊接绝缘陶瓷，相对于真空管管体和收集极等部件的金属组成材料，陶瓷的机械强度较低，脆度较高，密度较小，且真空管的收集极部件为达到吸收功率高、散热好等性能要求，通常其体积和重量都较大，绝缘陶瓷的引入无疑增加了制管工艺的复杂性，是真空管结构中的薄弱环节，在一定程度上降低了真空管整体的坚固性。事实上，在运输或贮存过程中，发生收集极处绝缘陶瓷破裂故障的真空管不在少数。另外，该方法本质是以电子数目来统计电子注通过率，而非电子注能量通过率，当电子注在管体打出二次电子时，会产生一定误差。

在第二种方法中，温度测量法虽可避免使用绝缘陶瓷，但是在真空管热测或工作过程中，真空管作为一个整体器件，其管体、收集极乃至电子枪处产生的热量会彼此之间相互传导并且向周围空间辐射，这可能会影响真空管各个部件的温度分布，引起测量误差，使温度测量方法的应用以及准确性受到限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种测量微波真空电子器件电子注通过率的系统，以提高电子注通过率测量的准确性。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种微波真空电子器件中电子注通过率的测量方法，该测量方法包括：

在微波真空电子器件冷却循环系统中设置热电偶，该热电偶可将冷却循环系统中冷却前后循环水的温差转换为温差电动势；在微波真空电子器件的加压电路收集极端设置总电流表，以测量电子注平均电流值；在加压电路阴极端外置示波器，以测量脉冲高压瞬时波形；在微波真空电子器件中电子注产生前后，由热电偶测得第一温差电动势和第二温差电动势；在一个电子注脉冲周期内，由总电流表记录电子注平均电流，由示波器记录电子注脉冲电压波形；将第一温差电动势和第二温差电动势分别对应的热功率的差值作为微波真空电子器件管体上截获电子的平均耗散功率P_b；由电子注平均电流和电子注脉冲电压波形获得电子注的总平均功率P₀；由微波真空电子器件管体上截获电子的平均耗散功率P_b和电子注的总平均功率P₀，获得微波真空电子器件的电子注通过率：

$T_e=1-\frac{P_b}{P_0}.$

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明微波真空电子器件电子注通过率的测量方法具有以下有益效果：

(1)本发明中，采用外部功率替代的功率校准方法，有效消除了管体向其他部件热传导及空间热辐射、水流入口和出口处等的热损耗等引起的测量误差，提高了系统准确度；

(2)本发明中，对真空管先测热子传导到管体的功率、后测管体截获电子耗散功率的测量方法，也可在计算过程中减少或消除被测管的阴极发热对管体截获电子耗散功率的影响，进一步提高测量准确性；

(3)本发明中，通过测量循环水流热量变化的方式计算电子注通过率，避免了在电真空器件的收集极部件处使用机械强度较低的陶瓷材料，对降低制管工艺的复杂性、提高成品率具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例微波真空电子器件电子注通过率测量方法的流程图；

图2为本发明实施例微波真空电子器件电子注通过率测量方法中所涉及测量部件安装位置的示意图；

图3为本发明实施例微波真空电子器件电子注通过率测量方法中采用功率替代法获取热功率与由热电偶测量获得的温差电动势之间的对应关系的示意图；

图4a为本发明实施例微波真空电子器件电子注通过率测量方法中由示波器记录的电子注周期脉冲的电压波形；

图4b为本发明实施例微波真空电子器件电子注通过率测量方法中由图4a获得的电子注周期脉冲的功率波形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种测量微波真空电子器件电子注通过率的方法，该方法通过测量电真空器件管体冷却水的热量变化、电子注电压波形和电子注总电流的方式来计算得到该器件的电子注通过率，有效地提高了电子注通过率测量的准确性，降低了微波真空电子器件的工艺复杂度。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种微波真空电子器件电子注通过率的测量方法。图1为本发明实施例微波真空电子器件电子注通过率测量方法的流程图。现结合图1，对本实施例进行详细说明。本实施例包括以下步骤：

步骤S102a，在微波真空电子器件水冷却循环系统中设置热电偶，该热电偶可将水冷却循环系统中冷却前后循环水的温差转换为温差电动势，如图2所示；

步骤S102b，在微波真空电子器件的加压电路收集极端设置总电流表，以测量电子注平均电流值，电流表读数以I₀表示；在微波真空电子器件的加压电路阴极端外置示波器，以通过高压探头测量出脉冲高压瞬时波形，如图2所示；

步骤S104，采用功率替代法获取微波真空电子器件水冷却循环系统中热功率与由热电偶测量获得的温差电动势之间的对应关系；本步骤又可以包括以下子步骤：

子步骤S104a，在水冷却循环系统中设置加热器，该加热器和外部功率源相连接；

子步骤S104b，通过外部功率源对加热器加热，记录在稳态情况下，外部功率源所加的功率与热电偶所感应的温差电动势的数值；

子步骤S104c，将多次测量的外部功率源所加的功率与热电偶所感应的温差电动势数值汇总成表，作为热功率与温差电动势的关系。

本子步骤S104b中，常温水由水泵驱动，经过水路中预置的加热电阻后，温度变高，并通过管体入水口流经被测真空管的管体，完全体验管体的散热环境，水流从管体流出后，驱动热电偶产生温差电动势，后来通过风冷系统将自身热量耗散，变回常温水，完成一次水循环。在此过程中，通过加热电阻的功率换算，得到直流毫伏计显示的热电偶温差电动势与水中真实热功率之间的线性关系，即完成功率校准功能，此后外部电源停止对加热电阻提供能量。校准后的效果是：在另有除加热电阻外的其它热源对循环水加热的情况下，无需测量该热源入口和出口水温的绝对值，只要掌握热电偶的温差电动势即可推算功率值，同时还可消除由水流入口和出口处的热损耗引起的测量误差，准确度较高。

此外，水流先流经加热电阻、后流经被测管体的水路设计，也可消除管体向收集极、电子枪等部件传导热量、向周围空间辐射热量等热量损耗引起的测量误差，进一步提高测量准确性。

步骤S106，在微波真空电子器件中电子注产生前后，由热电偶测得第一温差电动势和第二温差电动势；

步骤S108，由热功率与温差电动势的关系获得第一温差电动势和第二温差电动势分别对应的热功率，两热功率的差值为微波真空电子器件管体上截获电子的平均功率；

在本步骤中，需要注意的是，为避免被测管电子枪产生的热量向管体传导造成的测量误差，首先对被测微波真空电子器件施加热子电压，热子发热稳定后，记录下此时由热电偶测量的第一温差电动势，该第一温差电动势所对应的热功率为传导到微波真空电子器件管体的稳态热功率值P_r；然后在器件的阴极和阳极间施加高电压，阴极产生的电子注通过管体的互作用区，一小部分被管体截获，剩余绝大部分电子被收集极吸收，记录下此时由热电偶测量的第二温差电动势，该第二温差电动势所对应的热功率为管体的总稳态耗散功率值P_t，则管体上截获的电子平均耗散功率：P_b＝P_t-P_r。记录下此时示波器显示的电子注周期脉冲电压波形和平均总电流表读数I₀。

步骤S110，在一个电子注脉冲周期内，由总电流表记录电子注平均电流(S110a)，由示波器记录电子注脉冲电压波形(S110b)；

步骤S112，由电子注平均电流和电子注脉冲电压波形，由公式(1)求得电子注导流系数P_er：

$P_{\mathrm{er}}=\frac{I_{0}T}{{\∫}_0^T{\hat{V}}^{3/2}\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中，I₀为总电流表读出的平均总流值，T为电子注脉冲周期，

为脉冲电压瞬时值。

步骤S114，由电子注导流系数和一个电子注脉冲周期内脉冲电压的波形，得到一个电子注脉冲周期内瞬时脉冲电流；

因导流系数P_er通常只与真空管电子枪的几何参数有关，不随电压的变化而变化，由公式(1)求得的导流系数P_er为平均导流系数，与瞬时导流系数相同，皆以P_er表示。结合已经得到的一个周期T内的脉冲电压波形，可得到一个周期T内瞬时脉冲电流如公式(2)所示：

$\hat{I}=P_{\mathrm{er}}\·{\hat{V}}^{3/2}---\left(2\right)$

步骤S116，由一个电子注脉冲周期内瞬时脉冲电流和脉冲电压的波形，得到一个电子注脉冲周期内的瞬时脉冲功率

利用公式(3)即可求得一个周期T内电子注的瞬时脉冲功率：

$\hat{P}=\hat{I}\hat{V}---\left(3\right)$

步骤S118，利用公式(4)对电子注脉冲功率在一个电子注脉冲周期积分，即可得电子注的总平均功率P₀：

$P_0=\frac{{\∫}_0^T\hat{P}\mathrm{dt}}{T}---\left(4\right)$

步骤S120，由电子注的总平均功率P₀和管体上截获电子的平均功率P_b计算电子注通过率。

设

电子注通过率T_e的表达式为：

T_e＝1-X    (5)

因通常情况下T_e随电压变化较小，此处设不同电压条件下X不变，则

$P_b=\frac{{\∫}_0^T{\hat{I}}_b\hat{V}\mathrm{dt}}{T}=\frac{{\∫}_0^{T}X\hat{I}\hat{V}\mathrm{dt}}{T}=\frac{X{\∫}_0^T\hat{I}\widehat{\mathrm{Vdt}}}{T}=X\·P_0---\left(6\right)$

其中，P_b为步骤2)中已测量得到的管体上截获电子的平均耗散功率。由公式(6)可得电子注通过率的计算公式：

$T_e=1-X=1-\frac{P_b}{P_0}---\left(7\right)$

为方便理解，以一具体应用场景的计算过程为例，对本发明进行具体说明。需要说明的是在本实施例中，为清楚、简单起见，假设已经将示波器、总电流表、热电偶及热功率源设置在合适的位置，并且已经经过测量获得水冷却循环系统中热功率与所述温差电动势之间的对应关系。

首先对速调管加热子电压，热子发热稳定后，记录下此时传导到管体的稳态功率值为P_r＝14W；然后对速调管加电子注高压，阴极产生的电子注通过管体的互作用区，一小部分被管体截获，剩余绝大部分电子被收集极吸收，记录下此时管体的总稳态耗散功率值P_t＝115W，则管体上截获电子的平均耗散功率：P_b＝P_t-P_r＝101W。

记录下此时示波器显示的电子注周期脉冲电压波形，如图4a所示，其中电压最大值为32kV。数据采样和总电流表读数I₀＝85mA。由公式(1)求得电子注导流系数P_er＝1.81μP。由P_er和一个周期T内的脉冲电压波形，可得到一个周期T内的脉冲电流波形

，利用公式(3)即可求得一个周期T内电子注的功率波形，如图4b所示，脉冲功率波形后沿呈现出较明显的拖尾现象，通过数值积分的方法可得到准确的电子注总平均功率P₀＝2561.5W，在很大程度上消除波形变形引入的测量误差。由公式(6)可计算得被测速调管的管体电子通过率为T_e＝96.1％。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)冷却水可以用油、防冻液甚至密闭流动气体等媒质来代替；

(2)步骤S102a和步骤S102b的顺序可以替换。

本发明适用于大功率单注速调管、多注速调管、带状注速调管、耦合腔行波管和回旋管等大部分微波电真空器件。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各元件的部分将以分别描述说明。图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波真空电子器件中电子注通过率的测量方法，包括：

在微波真空电子器件冷却循环系统中设置热电偶，该热电偶用于将冷却循环系统中冷却前后循环水的温差转换为温差电动势；

在微波真空电子器件的加压电路收集极端设置总电流表，以测量电子注平均电流值；在加压电路阴极端外置示波器，以测量脉冲高压瞬时波形；

在微波真空电子器件中电子注产生前后，由热电偶测得第一温差电动势和第二温差电动势；

在一个电子注脉冲周期内，由总电流表记录电子注平均电流，由示波器记录电子注脉冲电压波形；

将第一温差电动势和第二温差电动势分别对应的热功率的差值作为微波真空电子器件管体上截获电子的平均耗散功率P_b；

由电子注平均电流和电子注脉冲电压波形获得电子注的总平均功率P₀；

由微波真空电子器件管体上截获电子的平均耗散功率P_b和电子注的总平均功率P₀，获得微波真空电子器件的电子注通过率： 

。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述将第一温差电动势和第二温差电动势分别对应的热功率的差值作为微波真空电子器件管体上截获电子的平均耗散功率的步骤之前还包括：

采用功率替代法获取微波真空电子器件冷却循环系统中热功率与由热电偶测量获得的温差电动势之间的对应关系；

在获取第一温差电动势和第二温差电动势之后，根据热功率与温差电动势的关系，获得第一温差电动势和第二温差电动势分别对应的热功率。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其中，所述采用功率替代法获取微波真空电子器件冷却循环系统中热功率与由热电偶测量获得的温差电动势之间的对应关系的步骤包括：

在冷却循环系统中设置加热器，该加热器和外部功率源相连接；

通过外部功率源对加热器加热，记录在稳态情况下，外部功率源所加 的功率与热电偶所感应的温差电动势的数值；

将多次测量的外部功率源所加的功率与热电偶所感应的温差电动势数值汇总成表，作为热功率与温差电动势的关系。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述将第一温差电动势和第二温差电动势分别对应的热功率的差值作为微波真空电子器件管体上截获电子的平均功率的步骤包括：

对被测微波真空电子器件施加热子电压，热子发热稳定后，由热电偶测量获得第一温差电动势，该第一温差电动势所对应的热功率为P_r；

在被测微波真空电子器件的阴极和阳极间施加高电压，阴极产生的电子注通过管体的互作用区，由热电偶测量的第二温差电动势，该第二温差电动势所对应的热功率为P_t，

微波真空电子器件管体上截获电子的平均耗散功率P_b＝P_t-P_r。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述由电子注平均电流和电子注脉冲电压波形获得电子注的总平均功率的步骤包括：

由电子注平均电流和电子注脉冲电压波形，求得电子注导流系数P_er；

由电子注导流系数和一个电子注脉冲周期内脉冲电压的波形，得到一个电子注脉冲周期内瞬时脉冲电流 

由一个电子注脉冲周期内瞬时脉冲电流和脉冲电压的波形，得到一个电子注脉冲周期内的瞬时脉冲功率 

对电子注脉冲功率在一个电子注脉冲周期积分，即可得电子注的总平均功率： 

其中T为一个电子注脉冲周期。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其中，根据以下公式，由电子注平均电流和电子注脉冲电压波形，求得电子注导流系数P_er：

其中，I₀为总电流表读出的平均总流值，T为电子注脉冲周期， 为脉冲电压瞬时值。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其中，根据以下公式，由电子注导流系数和一个电子注脉冲周期内脉冲电压的波形，得到一个电子注脉 冲周期内瞬时脉冲电流 

。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其中，根据以下公式，由一个电子注脉冲周期内瞬时脉冲电流和脉冲电压的波形，得到一个电子注脉冲周期内的瞬时脉冲功率 

9.根据权利要求1至8中任一项所述的测量方法，其中，所述冷却循环系统中的循环介质为：水、油、防冻液或密闭流动气体。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的测量方法，其中，所述微波真空电子器件为：单注速调管、多注速调管、带状注速调管、耦合腔行波管或回旋管。 

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