CN106876231A - 一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于高功率微波领域，公开了一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，包括一体化分段式螺线管骨架，所述一体化分段式螺线管骨架包括分段前螺线管和分段后螺线管，所述分段前螺线管与分段后螺线管的分段处设置有插入波导槽；所述一体化分段式螺线管骨架表面缠绕有线包，所述一体化分段式螺线管骨架表面与线包之间设置有绝缘支撑衬垫，所述线包中设置有绝缘支撑衬垫。本发明利用内外锯齿状的螺线管绕线区域，可以提供高场强，在分段处也能提供高均匀度磁场，同时扩大了均匀区范围；通过一体化机械设计，实现馈入波导插入均匀区，装配方便。

Description

一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构

技术领域

本发明涉及高功率微波领域，具体而言，是一种满足从螺线管分段处馈入微波种子源造成磁场均匀度下降的引导磁场匀场结构。

背景技术

在高功率微波源的前端加速器等大中装置中，从冷阴极爆炸发射电子开始至微波器件慢波结构结束这一段波束相互作用过程中，常常需要提供强磁场环境以约束电子运动轨迹，从而实现大电流电子动能能量向微波能量的转移。通常所使用的微波器件如相对论速调管等所需磁场强度越来越强，磁场均匀度越来越高，磁场均匀区越来越大。而微波种子源从微波器件中馈入造成螺线管分段，分段区域均匀度下降。

当前此类微波器件磁场在分段处的均匀度降低，解决此问题常采用的方式有三种：第一种是重频型脉冲磁场，这种脉冲磁场一般采用密绕结构，磁场场强高，但脉冲磁场持续时间短，重频状态工作由于本身和器件的涡流损耗较大。第二种是准稳恒水冷螺线管线圈方式，这种方式体积大，磁场可调，但励磁强度低，均匀性差，功率要求高。第三种方式是使用低压大电流的超导磁体电源配合超导磁体，这种方式磁场强度高均匀性好，但超导磁体系统设备昂贵，不利于工程化合市场推广。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述困难和缺点，提供一种因馈入种子源造成螺线管分段条件下的均匀引导磁场系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，包括一体化分段式螺线管骨架，所述一体化分段式螺线管骨架包括分段前螺线管和分段后螺线管，所述分段前螺线管与分段后螺线管的分段处设置有插入波导槽；

所述一体化分段式螺线管骨架表面缠绕有线包，所述一体化分段式螺线管骨架表面与线包之间设置有绝缘支撑衬垫，所述线包中设置有绝缘支撑衬垫。

在上述技术方案中，所述一体化分段式螺线管骨架表面的不同区域设置有不同形状的绝缘支撑衬垫。

在上述技术方案中，所述一体化分段式螺线管骨架表面的绝缘支撑衬垫外形为沿着螺线管径向成锯齿状。

在上述技术方案中，所述线包中的绝缘支撑衬垫为非绕线区绝缘支撑衬垫。

在上述技术方案中，所述非绕线区绝缘支撑衬垫设置在线包中某绕线相邻层之间。

在上述技术方案中，螺线管线包的缠绕和绝缘支撑衬垫位置的设计方法包括以下步骤：

步骤一：将螺线管骨架表面进行网格化设计，螺线管骨架表面的径向和轴向虚拟设置为若干个网格；

步骤二：通过对磁场强度要求的计算，计算出每一个网格是否进行线包的缠绕；

步骤三：对于计算出不需要进行线包缠绕的网格区域，在该网格区域内设置绝缘支撑衬垫，使得绝缘支撑衬垫在该网格内代替线包进行填充；

步骤四：填充绝缘支撑衬垫后，进行线包的缠绕，使得线包将绝缘支撑衬垫包在与螺线管骨架表面之间。

在上述技术方案中，在步骤三中，绝缘支撑衬垫的填充分为两种，一种设置在螺线管骨架表面，另一种设置在线包之间。

在上述技术方案中，设置在线包之间的绝缘支撑衬垫，其操作步骤为：首先在螺线管骨架表面进行线包的缠绕，缠绕到径向某一网格需要进行绝缘支撑衬垫填充时，在该网格就填充绝缘支撑衬垫而不进行线包的缠绕，当绝缘支撑衬垫填充完毕后，在径向的下一个网格再进行线包的缠绕。

在上述技术方案中，所述绝缘支撑衬垫的填充，在轴向上或填充一个网格、或填充连续好网格，且在径向上或填充一个网格、或连续填充多个网格。

在上述技术方案中，所述绝缘支撑衬垫连续分布后成锯齿状。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

一、提高了分段处的磁场强度和均匀度，本发明利用内外锯齿状的螺线管绕线区域，可以提供高场强，在分段处也能提高磁场均匀度，同时扩大了均匀区范围；

二、本发明将常规的分段式磁场通过一体化机械设计，实现馈入波导插入均匀区，装配方便；

三、本发明结构简单，性价比高，符合技术发展需求，利于市场应用，适用于各种类型的脉冲功率源微波器件研究。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的磁场设计图；

图2为本发明的分段式螺线管引导磁场装配关系图；

图3为本发明实施例的整体外观图；

其中：1是锯齿状绝缘衬垫支撑；2是异型截面线圈；3是分段处插入波导槽；4是非绕线区绝缘衬垫支撑；5是螺线管磁场中心孔；6是一体化分段式螺线管骨架；7是分段前螺线管；用于提供磁场环境；8是分段处槽空隙，用于插入波导；9是插入波导，用于微波种子源馈入；10是分段后螺线管；用于提供磁场环境；11是微波器件波束相互作用区域，对应磁场匀场区；12是微波发射天线；13是二极管冷阴极，用于爆炸发射电子。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图3，本发明的螺线管整体外形结构，包括一体化分段式螺线管骨架，所述一体化分段式螺线管骨架包括分段前螺线管和分段后螺线管，所述分段前螺线管与分段后螺线管的分段处设置有插入波导槽，即为开半槽馈入波导位置，尺寸刚好和微波种子源的引入波导相协调。

本发明的重点其一是将传统的线包绕采用网格化划分，然后进行布线；网格化绕线区域，找到所有需要绕线的截面积，根据所需磁场强度和空间条件限制，设计多段提供主磁场强度和均匀度的线包，主要计算电流密度，绕线区域，电流区域等。非绕线区域的绝缘设计，针对进行内外部分设计绝缘衬垫，还有中心非绕线区域的绝缘支撑。其二是线包绕制和绝缘机械支撑，采用中空水冷方铜线绕制，此时匀场线包和主线包的设计参数体现在饼数和层数，线包中每饼电路串联，水路并联，绕制完成后环氧灌注，绝缘机械支撑做成类似的占据空间的圆环状结构，和线饼一起装配。

如图1所示，本发明的剖面示意图，从图中看，将螺线管骨架表面划分出若干个虚拟的网格区域，一个网格表示缠绕一个线包，而黑色部分就是绝缘衬垫支撑，在整个螺线管骨架表面填充有若干个不同的绝缘衬垫支撑。

对于绝缘衬垫支撑的分布，并不仅仅局限于图1中的分布方式，绝缘衬垫支撑的分布是通过计算得到的，其计算过程为：

步骤一：将螺线管骨架表面进行网格化设计，螺线管骨架表面的径向和轴向虚拟设置为若干个网格；

步骤二：通过对磁场强度要求的计算，计算出每一个网格是否进行线包的缠绕；

步骤三：对于计算出不需要进行线包缠绕的网格区域，在该网格区域内设置绝缘支撑衬垫，使得绝缘支撑衬垫在该网格内代替线包进行填充；

步骤四：填充绝缘支撑衬垫后，进行线包的缠绕，使得线包将绝缘支撑衬垫包在与螺线管骨架表面之间。

通过计算可获得的参数，使得有的绝缘支撑衬垫需要设置在螺线管骨架的表面，有的绝缘支撑衬垫需要设置在线包内；设置在螺线管骨架表面的绝缘支撑衬垫，一开始就直接填充在螺线管骨架表面，按照计算的结果从螺线管的径向和轴向进行填充，填充出的绝缘支撑衬垫从剖面看成阶梯状的锯齿结构；而设置在线包内的绝缘支撑衬垫，首先在螺线管骨架表面进行线包的缠绕，缠绕到径向某一网格需要进行绝缘支撑衬垫填充时，在该网格就填充绝缘支撑衬垫而不进行线包的缠绕，当绝缘支撑衬垫填充完毕后，在径向的下一个网格再进行线包的缠绕。

本发明已经成功应用于多种类型的微波器件实验，本发明公开的一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，此引导磁场系统中线圈结构由绕线区线包和非绕线区绝缘衬垫两部分组成，其中绝缘衬垫又包括径向锯齿状的衬垫支撑和非绕线区绝缘支撑两部分。线圈导体的选择和电流密度的选择关系到电功率和励磁电流问题，可布线区域全部布线产生0.8T所需电流密度为20A/mm2，较高的电流密度可以使线圈尺寸大大减小，导体线缆截面有外方内圆，外方内方，外圆内圆几种方式，就目前便于绕线和水冷效果而言，采用外方内方的空心导体，材料选为含氧量不大于百万分之十无氧铜。匀场线包采用多阶亥姆霍兹线圈抵消高阶磁场分量，由于螺线管中部分段，磁场中心漂移，造成分段处匀场困难，通过迭代找到满足磁场要求的螺线管线包分布图。线圈采用采用线缆规格为6*6内孔3.5*3.5的中空方铜管绕制线包，所选电流密度为20A/mm2，中间分段处线包间距25mm。由于中间分段处螺线管壁厚和间隙会造成此处磁场难以均匀，采用结果是将侧面壁厚内刻一定厚度的通槽便于安装馈入波导，这样可以使得匀场区范围减小，两线圈间隔靠近，使间隙处的磁场均匀度质量更高。

如图2展示了分段式螺线管使用条件，螺线管匀场区内包含发射二极管，种子源馈入波导，微波波束相互作用慢波结构。二极管阴极接收脉冲功率源产生的高压脉冲发射电子，发射的电子在螺线管的匀场区沿着轴向旋转前进，在经历种子源馈入波导段后与微波器件发生波束相互作用，电子束的能量传递给微波，之后微波源经放大后通过天线定向辐射给目标物体。本实施例中引导约1Mev能量的轴向电子束传输，二极管阴极尺寸发射半径20mm，轴向长140mm。螺线管孔径200mm，外径小于360mm，总长度约900mm,线包分段间隙25mm。均匀区磁场强度0.8T，磁场不均匀度小于3%。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于包括一体化分段式螺线管骨架，所述一体化分段式螺线管骨架包括分段前螺线管和分段后螺线管，所述分段前螺线管与分段后螺线管的分段处设置有插入波导槽；

所述一体化分段式螺线管骨架表面缠绕有线包，所述一体化分段式螺线管骨架表面与线包之间设置有绝缘支撑衬垫，所述线包中设置有绝缘支撑衬垫。

2.根据权利要求1所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于所述一体化分段式螺线管骨架表面的不同区域设置有不同形状的绝缘支撑衬垫。

3.根据权利要求2所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于所述一体化分段式螺线管骨架表面的绝缘支撑衬垫外形为沿着螺线管径向成锯齿状。

4.根据权利要求1所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于所述线包中的绝缘支撑衬垫为非绕线区绝缘支撑衬垫。

5.根据权利要求4所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于所述非绕线区绝缘支撑衬垫设置在线包中某绕线相邻层之间。

6.根据权利要求1所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于螺线管线包的缠绕和绝缘支撑衬垫位置的设计方法包括以下步骤：

步骤一：将螺线管骨架表面进行网格化设计，螺线管骨架表面的径向和轴向虚拟设置为若干个网格；

步骤二：通过对磁场强度要求的计算，计算出每一个网格是否进行线包的缠绕；

步骤三：对于计算出不需要进行线包缠绕的网格区域，在该网格区域内设置绝缘支撑衬垫，使得绝缘支撑衬垫在该网格内代替线包进行填充；

步骤四：填充绝缘支撑衬垫后，进行线包的缠绕，使得线包将绝缘支撑衬垫包在与螺线管骨架表面之间。

7.根据权利要求6所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于在步骤三中，绝缘支撑衬垫的填充分为两种，一种设置在螺线管骨架表面，另一种设置在线包之间。

8.根据权利要求7所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于设置在线包之间的绝缘支撑衬垫，其操作步骤为：首先在螺线管骨架表面进行线包的缠绕，缠绕到径向某一网格需要进行绝缘支撑衬垫填充时，在该网格就填充绝缘支撑衬垫而不进行线包的缠绕，当绝缘支撑衬垫填充完毕后，在径向的下一个网格再进行线包的缠绕。

9.根据权利要求6～8任一所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于所述绝缘支撑衬垫的填充，在轴向上或填充一个网格、或填充连续好网格，且在径向上或填充一个网格、或连续填充多个网格。

10.根据权利要求9所述的一种一体化分段式内外锯齿状异型截面螺线管磁场结构，其特征在于所述绝缘支撑衬垫连续分布后成锯齿状。