CN105931934A - 双螺旋水槽型强流电子束收集极 - Google Patents

Abstract

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种双螺旋水槽型强流电子束收集极。目的是提供一种适用于长时间、重频运行高功率微波源的电子束收集极，及时高效地将强流电子束轰击收集极内表面沉积的大量热能传递出去，并且有效回收电子束。技术方案是采用双螺旋水槽套筒与金属钽衬底配合的方式设计强流电子束收集极，套筒与衬底之间构成的双螺旋水槽可以改善水槽内流体速度均匀性、消除流速死区以提高冷却结构的对流换热能力，金属钽衬底高熔点及强散射特性的可以提高收集极所能承受的最高工作温度。在重频、长脉冲、长时间运行的GW级高功率微波产生器件强流电子束收集极中，本发明可以有效解决束流轰击收集极产生大量热能的散热问题。

Description

双螺旋水槽型强流电子束收集极

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，具体涉及一种双螺旋水槽型强流电子束收集极。

背景技术

本发明的应用背景是重频运行高功率微波源。高功率微波源是一种利用强流相对论电子束在真空高频结构中与高频结构的本征模相互作用机制，把高能电子束的能量转化为高频电磁波能量的器件，在军事和工业中都有重要应用。目前，高功率微波器件的能量效率普遍较低，强流相对论电子束在经过束波相互作用交出部分能量后仍具有较高的动能，电子束收集极的作用便是接收这部分与高频电磁场相互作用后的强流电子束。然而电子束收集极在工作过程中受高速电子的轰击会沉积大量的热能，导致收集极上的温度骤然升高，引起材料表面吸附气体的解吸附甚至材料本身发生蒸发和汽化，而收集极高温热脱附和材料汽化不仅会污染真空环境，更可能导致有害等离子体的产生。对于M型器件，阳极等离子体会导致束流崩溃、模式跳变和束波同步条件被破坏等一系列问题；对于O型器件，收集极等离子不但可以吸收和反射微波，而且还可能沿导引磁场进入束波作用区影响微波产生。因此，任何减少收集极热负载的措施在高功率微波领域都是关键的，特别是在器件重复频率长时间运行中，必须考虑束流轰击收集极产生大量热能的散热问题，在脉冲串内把热量散开。

以用在相对论返波管中的收集极为例，相对论返波管的典型结构如图1所示，由导引磁场1，环形阴极2，截止颈3，慢波结构4，收集极5构成。该器件的基本工作过程为：无箔二极管产生薄环形相对论电子束在磁场1导引下，经过截止颈3，进入慢波结构4与结构波的-1次空间谐波相互作用；先进入慢波结构4的电子束与结构波作用后，辐射的微波向后传播，进一步与后进入的电子束相互作用，这样微波被迅速放大；最后，微波在慢波结构4的起始端被截止颈3反射，重新经过慢波结构4后进入传输波导、模式转换器和天线系统被辐射出去。由于失去了导引磁场的约束，强流束在经过束波相互作用从慢波结构出射后呈环形向外发散，并入射到收集极5表面。

俄罗斯学者Г.A.米夏兹对电子束轰击金属表面过程做了较为深入的研究，在其著作中对真空二极管火花放电阶段的阳极过程有专门的描述，并给出了能够详细刻画阳极热工作方式的方程【Г.A.米夏兹著，李国政译，真空放电物理和高功率脉冲技术，北京：国防工业出版社，2007.05】。若收集极材料的比热容是c，密度是ρ，热导率是λ，入射到收集极表面的电子流功率密度是q_a，则收集极表面温度T的解的形式如下：

$T(x=0,t)=T_0+\frac{{\stackrel{\·}{q}}_a{t}^2}{\stackrel{\‾}{x}\mathrm{\ρ}c}\[\frac{1}{2}erf\left(k\right)+\frac{k}{2\sqrt{\mathrm{\π}}}(5+k^2)e^{-k^2}-2k^2(1-\frac{k^2}{3})erf\left(k\right)\]---\left(1\right)$

其中T₀为阳极表面初始温度，参量x_th为收集极内表面热场的特征深度，是电子的穿透深度，可以由经验公式给出，erf(k)为k的误差函数，表示对q_a求导，e为电子的电荷量。在电子穿透深度远远大于收集极内表面热场特征深度的情况下，(1)式可以简化为：

$T(x=0,t)=T_0+\frac{q_{a}t}{\stackrel{\‾}{x}\mathrm{\ρ}c}---\left(2\right)$

可以看到，在这种情况下，当材料和束流功率密度确定后，温升与脉冲作用时间呈线性关系；强流电子束脉冲结束后，阳极表面加热过程停止，其冷却过程开始，在这个过程中，若不考虑外界冷却条件，则热传导占主要，此时温度的解的形式为：

$T(x=0,t)=\frac{1}{a\sqrt{\mathrm{\π}t}}\[T_m\underset{0}{\overset{r_b}{\∫}}{e}^{-\frac{r^2}{4a^{2}t}}dr+T_0\underset{r_b}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{e}^{-\frac{r^2}{4a^{2}t}}dr\]---\left(3\right)$

式中，r_b是指电子束在阳极有效作用域的位置尺度，T_m为该区域最大温度，a＝λ/(ρc)为材料的热传导系数。由(3)式可以看出，若没有外界冷却条件，则散热过程温度随时间是一个慢变化过程。

收集极热量是由一定密度的电子束打到收集极内表面而产生，假设电子束轰击收集极时有效作用面积为A，则单位面积上的功率沉积为：

$P/A=(dE/ds)\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{x}\left(\frac{I_b}{eA}\right)---\left(4\right)$

其中，P为有效作用面积上总的功率沉积，E是电子能量，是制动深度，dE/ds表征高能电子束轰击材料表面由于碰撞、电离及韧致辐射引起的能量净损失，I_b为束电流。另外，收集极在重频运行时，内表面热源不仅是位置的函数，也是时间的函数。若假设每个脉冲在收集极作用区域都相同，脉冲热源可通过循环方式加载，则这种工作状态下收集极要承受较高的热流密度(约为10¹²W/m²)。

综上所述，在重频、长脉冲、长时间运行的吉瓦(GW)级高功率微波产生器件中，必须面临束流轰击收集极产生大量热能的散热问题，不仅需要采用一定的冷却方式，而且对收集极材料的选择也提出了较高的要求。

通常电子设备的冷却方式主要有自然冷却、强制风冷、水冷，蒸发冷却、导热管冷却和辐射冷却等，或是上述几种方式的结合。对于强流束收集极，由于热沉积功率较高，特别是在器件重频运行时，存在热量累积，俄罗斯的重频返波管器件多采用强制水冷的散热方式，目前常见的收集极冷却结构是横截面为矩形的水槽(包括单层和双层两种)，如图2、图3所示。计算机仿真和实验结果均显示，采用这种冷却结构的电子束收集极仍然无法承受长时间重复频率运行的热载荷而产生材料融蚀现象。因此，从改变收集极冷却水槽结构出发来改善其散热性能是一种重要的技术途径。

根据计算流体力学理论，可以用对流换热系数(h_c)来衡量收集极冷却结构所提供的换热能力大小，若管道的水力直径为D_h，流体的密度为ρ_f，热导率为λ_f，流体轴向平均速度为u_m，μ是流体动力粘度，则对流换热系数的计算式为：

$h_c=0.023\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{D_h}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f{u}_m{D}_h}{\mathrm{\μ}}\right)}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}---\left(5\right)$

Pr为普兰特数(Prandtl Number)，是一个由流体热物性参数组成的无量纲数，反映流体动量扩散能力与热扩散能力的关系。从(5)式可以看出，对流换热系数的大小取决于流体的流动状态、热物理性质以及换热表面的几何形状等因素。当流体种类和水道结构确定时，对流换热系数与流速成正比。传统的收集极冷却水槽(如图2、图3所示)缺点在于内部流体的速度并不均匀，在入口流速、压强等条件一定时，采用FLUENT软件仿真得到的内部流场如图4、图5所示。可以看到，在上述传统冷却水槽中存在流速较小甚至接近于0的区域，即流速死区。显然，在这些区域冷却液轴向的平均流速很小，相应的水槽的对流换热系数也较小而具有比较低的散热能力，并有可能存在热量的累积。实践中，在这些流速死区所对应的收集极内表面更易发生材料的融蚀。

另外，对于长时间连续运行的收集极，材料要求耐轰击、导热快，体现在物性参数上，即尽可能选择高密度、高熔点、高导电的材料。可用一个综合参数热扩散率a来表征不同材料之间的差异，其定义为a＝λ/(ρc)，λ为热导率，ρ为密度，c为比热容。和导热系数不同，热扩散率综合反映了物体导热能力和单位体积热容量的大小，它是反映物体传播温度变化能力大小的指标，也称导温系数。传统的收集极一般采用不锈钢材料，而不锈钢的缺点主要是热传导性能较差。

因此本发明一方面从改善水槽内流体速度均匀性、消除流速死区的角度出发来提高冷却结构的对流换热能力，另一方面选用高密度、高熔点、高导电的材料作为收集极主体材料，提高强流束收集极的散热性能，以满足在重频(如50Hz)、长寿命运行条件下的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种适用于长时间重频运行高功率微波源的电子束收集极，在不影响前级波导微波模式传输的前提下，及时高效地将强流电子束轰击收集极内表面沉积的大量热能传递出去，并且可以有效回收电子束。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双螺旋水槽型强流电子束收集极，该收集极由双螺旋水槽套筒(下文简称套筒)、收集极衬底(下文简称衬底)和前后两个压盖及两个银丝密封圈组成。为叙述方便，下文将双螺旋水槽型强流电子束收集极与上游器件(如重频高功率微波源)连接的一端定义为前端，微波输出的一端定义为后端，微波和电子束传输的方向(图6中粗箭头所指的方向)定义为轴向，垂直于微波和电子束传输的方向定义为横向。

所述套筒是双螺旋水槽型强流电子束收集极的主体部件(如图8、图9所示)。套筒形状为圆筒形，前后端开口处均设有固定法兰，固定法兰上沿角向均匀地开有定位孔，以便与上游器件(如重频高功率微波源)和下游器件(如天线或模式转换器)装配；套筒的横向截面内腔直径为D₁，D₁由与其相连的上游器件(如重频高功率微波源)输出口的内截面直径及衬底壁厚决定，轴向长度为L₁，L₁＞4l_c。

在套筒内壁开有双螺旋水槽，所述双螺旋水槽包含主、副两部分水道，主、副水道均为等距螺旋水槽且各自独立，水槽截面均为矩形，水槽宽度为l，深为h，l和h的选取应遵循以下原则：一方面要保证冷却液的流量充足，否则会影响螺旋水槽的换热量；另一方面要确保螺旋水槽内的冷却液处于旺盛湍流状态，即要求冷却液压强、流速和雷诺数(雷诺数是指流体惯性力与黏性力比值的量度，是一个无量纲数)达到一定的指标，综合上述两方面的因素，l取值为(5～6)mm，h取值为(2～3)mm；主水道从套筒内壁前端起始，以电子束轰击区域的中心为中心，轴向长度为L_m，满足L_m≥2l_c，螺距为d，满足2l<d<3l，螺旋圈数为N，满足(表示向上取整)；副水道起始点与主水道起始点关于中心轴对称(即副水道起始点位于正对着主水道起始点的套筒侧壁上)，副水道与主水道交错螺旋，螺距与主水道螺距相同，轴向长度为L_a，满足L_a＝2L_m。

在双螺旋水槽主水道及副水道的起始点所在处的法兰侧壁均开有进水口，在双螺旋水槽主水道及副水道的终止点所在处的套筒侧壁上均开有出水口，冷却液通过进水口导入到双螺旋水槽中并从出水口流出，将强流电子束轰击衬底所产生的热量带走。

所述衬底为圆筒形(如图10)，内直径为D，与上游器件(如重频高功率微波源)输出口的内截面直径相等，长度为L，满足L＝L₁，厚度为Δ，满足Δ＝D₁-D，材料选择金属钽，一方面，金属钽熔点达到2000℃，耐电子束烧蚀能力强；另一方面，在电压700keV、电子束宽度5～10mm时，金属钽具有较高的电子散射因子，表1为当入射角为35°时钽与其他金属材料散射因子对比，可以看出，相同条件的强流束入射到金属钽上时，有46.5％的电子被散射，而未穿入金属造成能量沉积，因而热沉积最小。将所述衬底保持与套筒同轴插入套筒内腔，且前后端面平齐，该衬底外壁与套筒内壁的双螺旋水槽共同构成冷却液通道，双螺旋水槽中不断流动的冷却液可以高效地将由于高能电子束不断轰击衬底而产生的热量沉积传递出去。

表1为当入射角为35°时钽与其他金属材料散射因子对比

材料	最大入射深度(mm)	散射因子
			不锈钢SS304	0.364	0.165
铜钨合金Cu(25％)W(75％)	0.135	0.41
			钽Ta	0.128	0.465
无氧铜OFHC	0.3	0.22

套筒与衬底通过前后两个压盖压紧装配在一起，所述压盖为圆环状金属圆盘(如图11所示)，在压盖上沿角向均匀地开有螺孔，通过螺孔与套筒两端装配面上沿角向均匀开设的螺纹孔进行配合，将衬底同轴固定在套筒内部。

压盖与套筒及衬底的装配面上设置有密封槽，密封槽的中心直径等于套筒内直径，对应于套筒和衬底的连接缝处，密封槽内放置银丝密封圈，用于隔离冷却水道及外部空气与微波源器件内的高真空环境。银丝密封圈相比于传统的丁晴橡胶密封圈或氟塑料密封圈的优势是能够承受高温，其尺寸选取可以按照丁晴橡胶圈的尺寸标准(GB6071.1-85)执行，当封接件的外径小于150mm时，银丝的直径可以选择为3mm。

本发明具有的有益效果是：

1)相比于传统的冷却水槽，螺旋水槽可以克服水槽内部的流速死区问题。在相同的入口压强条件下，由于螺旋水槽的约束作用，其内部流场更加均匀，即水槽内的冷却液具有更大的轴向平均速度，相应地获得更大的对流换热系数，从而提供更高的换热能力。

2)双螺旋水槽型强流电子束收集极的主、副水道同时作用于电子束轰击区域，冷却面积大，能够提高作用区的制冷量，缩短脉冲间隔内的热扩散时间，降低收集极的最高平衡温度。

3)将收集极套筒与电子束直接轰击的衬底分离开来，使得衬底可以采用具有更好导热特性的材料，且便于更换。

4)选用钽金属作为收集极衬底材料。钽不仅具有2000℃的高熔点，同时在相同束流条件下，相比不锈钢、铜钨合金以及无氧铜等常见收集极材料，其电子穿透深度最小，相对应的，热沉积也较小，因此可以提高收集极所能承受的最高工作温度。

本发明已经在实验中得以验证，在电功率10GW、电子束脉宽>100ns的条件下，双螺旋水槽型强流电子束收集极结构已稳定运行于30Hz、连续20s的水平。另外，50Hz的模拟结果表明，双螺旋水槽型强流电子束收集极达到的最高平衡温度低于材料熔点。

因此，在重频(如50Hz)、长脉冲、长时间运行的GW级高功率微波产生器件，本发明可以有效解决束流轰击收集极产生大量热能的散热问题。

附图说明

图1是典型相对论返波管结构示意图；

图2是目前常见的单层水槽收集极冷却结构横截面示意图；

图3是目前常见的双层水槽收集极冷却结构横截面示意图；

图4是入口速度、压强等条件一定时，利用FLUENT软件对传统单层冷却水槽收集极内部流场的仿真结果；

图5是入口速度、压强等条件一定时，利用FLUENT软件对传统双层冷却水槽收集极内部流场的仿真结果；

图6是本发明所述收集极的3D视图，图中加粗箭头所示方向为微波与强流电子束传播方向；

图7是本发明所述收集极的剖面视图；

图8是本发明所述收集极双螺旋水槽套筒部分的剖面正视图；

图9是本发明所述收集极双螺旋水槽套筒部分的剖面反视图；

图10是本发明所述收集极衬底主剖面图；

图11是本发明所述前后压盖主剖面图。

图中：6.双螺旋水槽套筒，7.收集极衬底，8.前压盖，9.后压盖，10.前银丝密封圈，11.后银丝密封圈，601.主水道，602.副水道，6011.主水道进水孔，6012.主水道出水孔，6021.副水道进水孔，6022.副水道出水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

本发明所述的双螺旋水槽型强流电子束收集极由双螺旋水槽套筒6、收集极衬底7、前压盖8、后压盖9、前银丝密封圈10及后银丝密封圈11组成。套筒6内壁开有双螺旋水槽，双螺旋水槽包含主水道601、副水道602，主水道601轴向长度L_m由电子轰击区域长度l_c确定，L_m≥2l_c，主水道601螺距满足2l<d<3l；副水道602起始点与主水道601起始点关于中心轴对称，螺距与主水道螺距相同，轴向长度为L_a，满足L_a＝2L_m。主水道起始点开有进水口6011，终止点开有出水孔6012，副水道的起始点开有进水口6021，终止点开有出水孔6022。在套筒6的前后两个法兰上角向均匀地开有N₁个定位孔，分别用于与上游器件(如高功率微波源)和下游器件(如天线或模式转换器)装配，本实施例中N₁＝6；衬底7与套筒6同轴装配，且两端平齐；在套筒6前后装配面上角向均匀地开有N₂个固定螺纹孔，在前压盖8和后压盖9上沿角向均匀地开有N₂个固定螺孔，本实施例中N₂＝12，通过前压盖8和后压盖9将衬底7同轴固定在套筒6的内部，在8前压盖与套筒6之间利用前银丝密封圈10进行密封，在后压盖9与套筒6之间利用后银丝密封圈11进行密封。

收集极正常工作时，衬底7内腔为真空环境。上游器件产生的强流电子束从衬底7前端口注入内腔后，由于失去轴向导引磁场的约束作用而呈环状向外发散，轰击在衬底7内壁上并由其回收，同时产生大量的热沉积。双螺旋型水槽主水道601和副水道602确保了其中冷却液在整个水槽区域具有均匀的流动速度，不存在传统冷却水槽中的流速死区现象，可以将沉积的热能迅速耗散开来。

双螺旋水槽的主水道601和副水道602由数控车床加工于套筒6的内表面，所述套筒6的材料为不锈钢或黄铜，单圈水槽宽度为l，高度为h，螺距为d，l和h的选取应遵循以下原则：一方面要保证冷却液的流量充足，否则会影响螺旋水槽的换热量；另一方面要确保螺旋水槽内的冷却液处于旺盛湍流状态，即要求冷却液压强、流速和雷诺数(雷诺数是指流体惯性力与黏性力比值的量度，是一个无量纲数)达到一定的指标，综合上述两方面的因素，h取值为(2～3)mm，l取值为(5～6)mm；主水道从套筒内壁前端起始，以电子束轰击区域的中心为中心，轴向长度为L_m，满足L_m≥2l_c，螺距d满足2l<d<3l。

收集极工作过程中，衬底7是直接承受电子束轰击的部分，其安装于螺旋水槽套筒6内部，该衬底7与双螺旋水槽套筒6的内表面的双螺旋水槽主水道601和副水道602共同构成冷却液通道，约束冷却液在通道中均匀流动。

前压盖8和后压盖9外圆周上均匀分布着N₂个固定螺孔，位置与双螺旋水槽套筒6上的N₂个螺纹孔位置保持一致，将衬底7同轴安装于螺旋水槽套筒6内部以后，分别在衬底7两侧安装前压盖8和后压盖9，并用前银丝密封圈10及后银丝密封圈11密封，实现套筒6和衬底7的固定结合。最后通过前压盖8和后压盖9上的固定螺孔配合套筒5前后装配面上的螺纹孔及螺钉即可完成双螺旋水槽型强流电子束收集极的装配。

当然，在本发明中，将流通冷却液的管道命名为双螺旋水槽，并不意味着流通在双螺旋水槽中的冷却液只有水，实际上任何具有冷却功能的流体如乙二醇或者水与乙二醇的混合液均可用作本发明的冷却液。此外，双螺旋水槽的横截面形状也不限于本发明实施例中所描述的矩形，其它形状如正方形、半圆形、半椭圆形、三角形等适合于流体均匀顺畅流动的管道横截面均可适用于本发明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的设计方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双螺旋水槽型强流电子束收集极，其特征在于：所述收集极由双螺旋水槽套筒、收集极衬底、前后两个压盖及两个银丝密封圈组成；

所述套筒形状为圆筒形，前后端开口处均设有固定法兰，套筒的横向截面内腔直径为D₁，D₁由与其相连的上游器件输出口的内截面直径及收集极衬底壁厚决定，套筒的轴向长度为L₁，L₁＞4l_c；

在套筒内壁开有双螺旋水槽，所述双螺旋水槽包含主、副两部分水道，主、副水道均为等距螺旋水槽且各自独立，水槽截面均为矩形，水槽宽度为l，深为h，l和h的选取应遵循以下原则：一方面要保证冷却液的流量充足，否则会影响螺旋水槽的换热量；另一方面要确保螺旋水槽内的冷却液处于旺盛湍流状态；主水道从套筒内壁前端起始，以电子束轰击区域的中心为中心，轴向长度为L_m，满足L_m≥2l_c，螺距为d，满足2l<d<3l，螺旋圈数为N，满足副水道起始点与主水道起始点关于中心轴对称，副水道与主水道交错螺旋，螺距与主水道螺距相同，轴向长度为L_a，满足L_a＝2L_m；

在双螺旋水槽主水道及副水道的起始点所在处的法兰侧壁均开有进水口，在双螺旋水槽主水道及副水道的终止点所在处的套筒侧壁上均开有出水口，冷却液通过进水口导入到双螺旋水槽中并从出水口流出，将强流电子束轰击衬底所产生的热量带走；

所述衬底为圆筒形，内直径为D，与上游器件输出口的内截面直径相等，长度为L，满足L＝L₁，厚度为Δ，满足Δ＝D₁-D，将所述衬底保持与套筒同轴插入套筒内腔，且前后端面平齐，所述衬底外壁与套筒内壁的双螺旋水槽共同构成冷却液通道；

套筒与衬底通过前后两个压盖压紧装配在一起，所述压盖为圆环状金属圆盘，在压盖上沿角向均匀地开有螺孔，通过螺孔与套筒两端装配面上沿角向均匀开设的螺纹孔进行配合，将衬底同轴固定在套筒内部；

压盖与套筒及衬底的装配面上设置有密封槽，密封槽的中心直径等于套筒内直径，对应于套筒和衬底的连接缝处，密封槽内放置银丝密封圈，用于隔离冷却水道及外部空气与微波源器件内的高真空环境。

2.根据权利要求1所述双螺旋水槽型强流电子束收集极，其特征在于：所述双螺旋水槽宽度l的取值为(5～6)mm，深度h的取值为(2～3)mm。

3.根据权利要求1所述双螺旋水槽型强流电子束收集极，其特征在于：所述收集极衬底的材料为钽。