CN104378906B - 一种射频大功率耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粒子加速器射频技术领域，尤其是涉及一种射频大功率耦合器。其采用碗状陶瓷窗结构及合理的生产工艺，很好的解决了耦合器传输线阻抗匹配问题，内外导体均采用无氧铜材做成圆筒型结构，并设有冷却通道，外导体由多条轴向水路组成循环冷却，内导体为单一冷却水路与外导体回路串联。碗状陶瓷窗采用特殊焊接工艺将过渡金属法兰与陶瓷焊接而成，形成大气与真空的隔离与内外导体间的绝缘，并在其内外径方向设置冷却回路，在陶瓷窗内表面镀氮化钛涂层防止二次电子发射引发的热量。其碗状陶瓷窗结构受力较好，且传输线阻抗没有突变问题，能很好的解决了阻抗匹配问题，使高频功率传输效率更高发热更小，在同等功率等级下结构更加紧凑。

Description

一种射频大功率耦合器

技术领域

本发明涉及一种粒子加速器射频技术领域，尤其是涉及一种射频大功率耦合器。

背景技术

目前，发展清洁能源成为了全球能源发展的优先选择，加速器驱动的核废料嬗变系统ADS(Accelerator-Driven System)是实现清洁能源的一种有效途径，强流兆瓦级高功率质子加速器是ADS系统中最关键的系统之一。常温直线加速器是达到强流兆瓦级高功率质子加速器输入级,其输出流强15毫安，输出能量2.1兆电子伏，是非常关键的部件之一，为达到这样技术指标必须给其输入120kW的射频功率。现有技术中，这类功率等级的陶瓷窗大多采用薄壁平板型和套管式结构，平板型陶瓷窗为达到阻抗要求通常用改变同轴馈管的外径与内径实现变阻，套管式结构随不需改变同轴馈管的外径与内径，通过环状插入式调整阻抗，但两者结构均比碗状陶瓷窗复杂，不易制作，且爬电距离较短，容易产生放电，且不可拆卸，这不方便今后的使用与维护，制造成本也碗状陶瓷窗的数倍。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷而提供一种射频大功率耦合器，其能满足四翼型腔体馈入功率的需要，从而解决了现有技术的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种射频大功率耦合器，其特点是包括外导体,外导体内设置有内导体和碗状陶瓷窗，所述的外导体包括圆柱筒形前段、圆锥筒形中段和碗状陶瓷窗安装段，圆柱筒形前段前端设置有旋转活套法兰，圆锥筒形中段上设置有内外导体组合水路，碗状陶瓷窗安装段的前端设置有第一支撑法兰和第二支撑法兰，碗状陶瓷窗安装段后端设置有圆形法兰，所述的内导体包括半圆型环状结构的电磁耦合环，电磁耦合环通过真空钎焊与圆形直管相连，圆形直管后端设置有圆锥形变阻管，圆锥形变阻管尾部与碗状陶瓷窗相连，圆形直管和圆锥形变阻管内设置有内导体水路，所述的碗状陶瓷窗前端外径处设置有陶瓷窗压紧法兰和陶瓷窗螺纹压圈，碗状陶瓷窗后端内径处设置有过渡套 筒，对应碗状陶瓷窗设置有陶瓷窗基座，陶瓷窗基座后端设置有插座，插座上安装有插座内水路。

所述的第一支撑法兰上还设置有碗状陶瓷窗水路，所述的外导体的碗状陶瓷窗安装段外侧设置有外导体冷却水套，外导体冷却水套两端安装有外导体冷却水套前堵头和外导体冷却水套后堵头，外导体冷却水套上还设置有碗状陶瓷窗安装段辅助水路。

所述的旋转活套法兰与外导体腔体之间设置有第一密封圈和导电弹簧，旋转活套法兰用于耦合度的调节，所述的第一支撑法兰和第二支撑法兰上也设置有导电弹簧；所述的圆锥筒形中段上设置有光电探测器导管，光电探测器导管前端通过光电探测上端法兰和光电下端法兰构成光电探测端口，所述的碗状陶瓷窗安装段用于固定碗状陶瓷窗,圆柱筒形前段、圆锥筒形中段和碗状陶瓷窗安装段采用真空钎焊组成一个整体，所述的第一支撑法兰和第二支撑法兰安装在圆锥筒形中段和碗状陶瓷窗安装段之间，圆锥筒形中段与第一支撑法兰之间设置有第二密封圈，第一支撑法兰与碗状陶瓷窗之间设置有第三密封圈，所述的陶瓷窗压紧法兰和陶瓷窗螺纹压圈设置在第一支撑法兰上，陶瓷窗压紧法兰与第一支撑法兰之间设置有第四密封圈，所述的电磁耦合环与圆形直管相连接处还设置有内导体前堵头，圆锥形变阻管后端设置有内导体后堵头，所述的碗状陶瓷窗内表面镀有氮化钛层，过渡套筒的前端设置有与内导体后堵头相连的过渡套筒前堵头，过渡套筒的后端设置有与陶瓷窗基座通过螺钉相连的过渡套筒后堵头，所述的插座内水路通过水路堵头安装在陶瓷窗基座上，插座直接配接同轴馈管内插芯与外部导体连接，用于馈入射频功率。

所述的第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈和第四密封圈均为耐高温氟橡胶O型密封圈，所述的导电弹簧为高频导电回路的O型导电弹簧；所述的圆锥筒形中段用于同轴传输线的变阻，所述的光电探测上端法兰和光电下端法兰之间设置有真空密封圈；所述的圆形法兰为外接端口，用于适配外部组件，碗状陶瓷窗安装段通过螺栓与外接标准馈管对接，圆柱筒形前段和圆锥筒形中段共用冷却水路，碗状陶瓷窗安装段独立供水冷却，所述的陶瓷窗压紧法兰为径向薄壁真空钎焊无氧铜法兰，所述的过渡套筒为轴向真空钎焊无氧铜薄壁过渡套筒。

所述的电磁耦合环采用双铜管并行弯曲加工，电磁耦合环内部设置有一进一出两路冷却水，圆形直管内部的两路冷却水与电磁耦合环内部的冷却水相连通。

所述的碗状陶瓷窗采用高频损耗小的95％三氧化二铝陶瓷经模具成形再烧结成碗状结构，碗状陶瓷窗内表面镀有氮化钛防止二次电子发射引起的电晕放电，所述的陶瓷窗压紧法兰用于高频导电与真空密封，过渡套筒用于连接前段内导体和后段功率馈入接口，同时消除内导体和陶瓷窗在传输功率时发热而引起的膨胀变形。

本发明的有益效果：所述的一种射频大功率耦合器，其采用碗状陶瓷窗结构及合理的生产工艺，很好的解决了耦合器传输线阻抗匹配问题，内外导体均采用无氧铜材做成圆筒型结构，并设有冷却通道，外导体由多条轴向水路组成循环冷却，内导体为单一冷却水路与外导体回路串联。碗状陶瓷窗采用特殊焊接工艺将过渡金属法兰与陶瓷焊接而成，形成大气与真空的隔离与内外导体间的绝缘，并在其内外径方向设置冷却回路，在陶瓷窗内表面镀氮化钛涂层防止二次电子发射引发的热量。其碗状陶瓷窗结构受力较好，且传输线阻抗没有突变问题，能很好的解决了阻抗匹配问题，使高频功率传输效率更高发热更小，在同等功率等级下结构更加紧凑，为此，特别适用于较大功率的腔体结构功率耦合之用。

附图说明：

图1是本发明的外形结构示意图；

图2是本发明的总装配结构示意图；

图3是本发明中所述确定耦合环面积初步参数仿真截图。

图中所示：1、电磁耦合环；2.内导体前堵头；3.圆形直管；4.圆柱筒形前段；5.第一密封圈；6.旋转活套法兰；7.光电探测上端法兰；8.光电下端法兰；9.真空密封圈；10.光电探测器导管；11.圆锥筒形中段；12.第一支撑法兰；13.第二密封圈；14.第三密封圈；15.第四密封圈；16.陶瓷窗压紧法兰；17.陶瓷窗螺纹压圈；18.第二支撑法兰；19.内导体水路；20.圆锥形变阻管；21.外导体冷却水套前堵头；22.内导体后堵头；23.碗状陶瓷窗；24.过渡套筒前堵头；25.过渡套筒；26.过渡套筒后堵头；27.陶瓷窗基座；28.水路堵头；29.外导体冷却水套；30.螺钉；31.外导体冷却水套后堵头；32.碗状陶瓷窗安装段；33.圆形法兰；34.插座；35.内外导体组合水路；36.碗状陶瓷窗水路；37.碗状陶瓷窗安装段辅助水路；38.插座内水路；39.光电探测端口；40.导电弹簧。

具体实施方式

下面结合附图来详细说明本发明。

如图1和2所示：所述的一种射频大功率耦合器，其特点是包括外导体,外导体内设置有内导体和碗状陶瓷窗23，所述的外导体包括圆柱筒形前段4、圆锥筒形中段11和碗状陶瓷窗安装段32，圆柱筒形前段4前端设置有旋转活套法兰6，圆锥筒形中段11上设置有内外导体组合水路35，碗状陶瓷窗安装段32的前端设置有第一支撑法兰12和第二支撑法兰18，碗状陶瓷窗安装段32后端设置有圆形法兰33，所述的内导体包括半圆型环状结构的电磁耦合 环1，电磁耦合环1通过真空钎焊与圆形直管3相连，圆形直管3后端设置有圆锥形变阻管20，圆锥形变阻管20尾部与碗状陶瓷窗23相连，圆形直管3和圆锥形变阻管20内设置有内导体水路19，所述的碗状陶瓷窗23前端外径处设置有陶瓷窗压紧法兰16和陶瓷窗螺纹压圈17，碗状陶瓷窗23后端内径处设置有过渡套筒25，对应碗状陶瓷窗23设置有陶瓷窗基座27，陶瓷窗基座27后端设置有插座34，插座34上安装有插座内水路38。

所述的第一支撑法兰12上还设置有碗状陶瓷窗水路36，所述的外导体的碗状陶瓷窗安装段32外侧设置有外导体冷却水套29，外导体冷却水套29两端安装有外导体冷却水套前堵头21和外导体冷却水套后堵头31，外导体冷却水套29上还设置有碗状陶瓷窗安装段辅助水路37。

所述的旋转活套法兰6与外导体腔体之间设置有第一密封圈5和导电弹簧40，旋转活套法兰6用于耦合度的调节，所述的第一支撑法兰12和第二支撑法兰18上也设置有导电弹40；所述的圆锥筒形中段11上设置有光电探测器导管10，光电探测器导管10前端通过光电探测上端法兰7和光电下端法兰8构成光电探测端口39，所述的碗状陶瓷窗安装段32用于固定碗状陶瓷窗23,圆柱筒形前段4、圆锥筒形中段11和碗状陶瓷窗安装段32采用真空钎焊组成一个整体，所述的第一支撑法兰12和第二支撑法兰18安装在圆锥筒形中段11和碗状陶瓷窗安装段32之间，圆锥筒形中段11与第一支撑法兰12之间设置有第二密封圈13，第一支撑法兰12与碗状陶瓷窗23之间设置有第三密封圈14，所述的陶瓷窗压紧法兰16和陶瓷窗螺纹压圈17设置在第一支撑法兰12上，陶瓷窗压紧法兰16与第一支撑法兰12之间设置有第四密封圈15，所述的电磁耦合环1与圆形直管3相连接处还设置有内导体前堵头2，圆锥形变阻管20后端设置有内导体后堵头22，所述的碗状陶瓷窗23内表面镀有氮化钛层，过渡套筒25的前端设置有与内导体后堵头22相连的过渡套筒前堵头24，过渡套筒25的后端设置有与陶瓷窗基座27通过螺钉30相连的过渡套筒后堵头26，所述的插座内水路38通过水路堵头28装在陶瓷窗基座27上，插座34直接配接同轴馈管内插芯与外部导体连接，用于馈入射频功率。

所述的第一密封圈5、第二密封圈13、第三密封圈14和第四密封圈15均为耐高温氟橡胶O型密封圈，所述的导电弹簧40为高频导电回路的O型导电弹簧；所述的圆锥筒形中段11用于同轴传输线的变阻，所述的光电探测上端法兰7和光电下端法兰8之间设置有真空密封圈9；所述的圆形法兰33为外接端口，用于适配外部组件，碗状陶瓷窗安装段32通过螺栓与外接标准馈管对接，圆柱筒形前段4和圆锥筒形中段11共用冷却水路，碗状陶瓷窗安装段32独立供水冷却，所述的陶瓷窗压紧法兰16为径向薄壁真空钎焊无氧铜法兰，所述的过 渡套筒25为轴向真空钎焊无氧铜薄壁过渡套筒。

所述的电磁耦合环1采用双铜管并行弯曲加工，电磁耦合环1内部设置有一进一出两路冷却水，圆形直管3内部的两路冷却水与电磁耦合环1内部的冷却水相连通。

所述的碗状陶瓷窗23采用高频损耗小的95％三氧化二铝陶瓷经模具成形再烧结成碗状结构，碗状陶瓷窗23内表面镀有氮化钛防止二次电子发射引起的电晕放电，所述的陶瓷窗压紧法兰16用于高频导电与真空密封，过渡套筒25用于连接前段内导体和后段功率馈入接口，同时消除内导体和陶瓷窗在传输功率时发热而引起的膨胀变形。

所述的一种射频大功率耦合器，其碗状陶瓷窗利用碗状的内外弧形表面有效延长爬电距离，碗状结构在大气压力下承受较大轴向压力，利用碗状圆弧的渐变实现阻抗均匀过渡；碗状陶瓷窗和同轴传输线为分离拆卸式结构，有利于维护清洁，当陶瓷窗耦合器损坏时拆卸更换；采用碗状陶瓷窗简化设计与加工难度，大幅度的降低了制造成本，碗状圆弧的渐变可很好实现阻抗均匀过渡，具有结构简单相对易于低成本制造。所述的电磁耦合环的大小通过等效电路分析得到公式：

$A=S{\left[\frac{4}{Q_0}\frac{L_i}{L_0}(\frac{R_c}{\mathrm{\ω}{L}_i}+\frac{\mathrm{\ω}{L}_i}{R_c})\right]}^{1/2}$

式中A为所耦合环磁通所需的面积，S为腔体四分之一象限的横截面积，Q₀是无负载时的Q值，ω是腔体角频率，L₀是四分之一象限的电感，L₀＝μ₀S/l_V，l_v为翼长度，L_i是耦合环的自感，R_c是射频传输线的特征阻抗。L_i是耦合环的自感可由下式得到：

$\begin{array}{c}{L}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r}{\mathrm{\π}}[-2(w+h)+2\sqrt{h^2+w^2}\\ -h1n\left(\frac{h+\sqrt{h^2+w^2}}{w}\right)-w\ln \left(\frac{w+\sqrt{h^2+w^2}}{h}\right)+h\ln \left(\frac{2h}{a}\right)+w\ln \left(\frac{2w}{a}\right)]\end{array}$

式中μ₀为真空磁导率，μ_r为导体的相对磁导率。w和h分别为耦合环的长和宽，a为导体的半径。

表1计算所需的参数

将以上参数代入公式计算得到所需的耦合环面积为23cm²。

实践中通常由理论计算与仿真确定初步参数，最终数据由试验测试获得。同轴传输线中的陶瓷窗是隔离腔体真空与外界大气的必须材料，它的介入改变了空气介质下的同轴传输线的阻抗特性，采用CST软件做仿真计算，逐步修正内导体外径几何参数，使其达到能满足同轴传输线特征阻抗50欧姆的传输段，仿真截图如说明书图3所示，由图示可以看出在使用频率为162.5MHz时S₁₁为-27.66db，与其对应的阻抗是48.47欧姆，可以达到工程设计要求。

本发明静态与动态测试参数如下：

1.阻抗特性50欧姆，用网分实测为49.6欧姆

2.使用频率162.5MHz

3.传输连续功率大于80Kw，传输脉冲功率大于120kW,占空比50％，脉冲频率0.1MH z

4.在80kW/162.5MHz连续波功率状况下连续工作60个工作日无故障，冷却水温升5℃

5.真空漏气率小于1*10^-10，真空度好于1*10^-6

6.冷却水压测试：1Mpa/cm²，时间1小时无降压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种射频大功率耦合器，其特征是包括外导体,外导体内设置有内导体和碗状陶瓷窗，所述的外导体包括圆柱筒形前段、圆锥筒形中段和碗状陶瓷窗安装段，圆柱筒形前段前端设置有旋转活套法兰，圆锥筒形中段上设置有内外导体组合水路，碗状陶瓷窗安装段的前端设置有第一支撑法兰和第二支撑法兰，碗状陶瓷窗安装段后端设置有圆形法兰，所述的内导体包括半圆型环状结构的电磁耦合环，电磁耦合环通过真空钎焊与圆形直管相连，圆形直管后端设置有圆锥形变阻管，圆锥形变阻管尾部与碗状陶瓷窗相连，圆形直管和圆锥形变阻管内设置有内导体水路，所述的碗状陶瓷窗前端外径处设置有陶瓷窗压紧法兰和陶瓷窗螺纹压圈，碗状陶瓷窗后端内径处设置有过渡套筒，对应碗状陶瓷窗设置有陶瓷窗基座，陶瓷窗基座后端设置有插座，插座上安装有插座内水路。

2.如权利要求1所述的一种射频大功率耦合器，其特征在于：所述的第一支撑法兰上还设置有碗状陶瓷窗水路，所述的外导体的碗状陶瓷窗安装段外侧设置有外导体冷却水套，外导体冷却水套两端安装有外导体冷却水套前堵头和外导体冷却水套后堵头，外导体冷却水套上还设置有碗状陶瓷窗安装段辅助水路。

3.如权利要求1所述的一种射频大功率耦合器，其特征在于：所述的旋转活套法兰与外导体腔体之间设置有第一密封圈和导电弹簧，旋转活套法兰用于耦合度的调节，所述的第一支撑法兰和第二支撑法兰上也设置有导电弹簧；所述的圆锥筒形中段上设置有光电探测器导管，光电探测器导管前端通过光电探测上端法兰和光电下端法兰构成光电探测端口，所述的碗状陶瓷窗安装段用于固定碗状陶瓷窗,圆柱筒形前段、圆锥筒形中段和碗状陶瓷窗安装段采用真空钎焊组成一个整体，所述的第一支撑法兰和第二支撑法兰安装在圆锥筒形中段和碗状陶瓷窗安装段之间，圆锥筒形中段与第一支撑法兰之间设置有第二密封圈，第一支撑法兰与碗状陶瓷窗之间设置有第三密封圈，所述的陶瓷窗压紧法兰和陶瓷窗螺纹压圈设置在第一支撑法兰上，陶瓷窗压紧法兰与第一支撑法兰之间设置有第四密封圈，所述的电磁耦合环与圆形直管相连接处还设置有内导体前堵头，圆锥形变阻管后端设置有内导体后堵头，所述的碗状陶瓷窗内表面镀有氮化钛层，过渡套筒的前端设置有与内导体后堵头相连的过渡套筒前堵头，过渡套筒的后端设置有与陶瓷窗基座通过螺钉相连的过渡套筒后堵头，所述的插座内水路通过水路堵头安装在陶瓷窗基座上，插座直接配接同轴馈管内插芯与外部导体连接，用于馈入射频功率。

4.如权利要求3所述的一种射频大功率耦合器，其特征在于：所述的第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈和第四密封圈均为耐高温氟橡胶O型密封圈，所述的导电弹簧为高频导电回路的O型导电弹簧；所述的圆锥筒形中段用于同轴传输线的变阻，所述的光电探测上端法兰和光电下端法兰之间设置有真空密封圈；所述的圆形法兰为外接端口，用于适配外部组件，碗状陶瓷窗安装段通过螺栓与外接标准馈管对接，圆柱筒形前段和圆锥筒形中段共用冷却水路，碗状陶瓷窗安装段独立供水冷却，所述的陶瓷窗压紧法兰为径向薄壁真空钎焊无氧铜法兰，所述的过渡套筒为轴向真空钎焊无氧铜薄壁过渡套筒。

5.如权利要求3所述的一种射频大功率耦合器，其特征在于：所述的电磁耦合环采用双铜管并行弯曲加工，电磁耦合环内部设置有一进一出两路冷却水，圆形直管内部的两路冷却水与电磁耦合环内部的冷却水相连通。

6.如权利要求3所述的一种射频大功率耦合器，其特征在于：所述的碗状陶瓷窗采用高频损耗小的95％三氧化二铝陶瓷经模具成形再烧结成碗状结构，碗状陶瓷窗内表面镀有氮化钛防止二次电子发射引起的电晕放电，所述的陶瓷窗压紧法兰用于高频导电与真空密封，过渡套筒用于连接前段内导体和后段功率馈入接口，同时消除内导体和陶瓷窗在传输功率时发热而引起的膨胀变形。