CN107887449A - 一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，包括设置在密封空间的阴极座和设置在阴极座上的环形阴极、与环形阴极对应设置的阳极内筒，设置在阳极内筒外表面的阳极外筒，所述环形阴极与阳极内筒同轴设置、但环形阴极与阳极内筒在轴向上不重叠，所述阴极座的轴向上设置有磁场，阳极外筒的轴向上设置有磁场，阴极与阳极内筒之间相对距离可以调节，通过距离调节实现输出阻抗变化；本发明设计巧妙，结构简单易于实现，可远程调节阴阳极间距从而调节二极管阻抗，而不再像传统的二极管每次调节需要破坏整个真空环境，极大提高调节工作效率，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

Description

一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管

技术领域

本发明涉及二极管领域，尤其是一种可远程调节产生高阻抗高压强流电子束的二极管。

背景技术

高功率微波源系统实用化的需求，对功率源及微波器件提出了进一步提升功率水平，同时降低体积重量的要求。常规结构高功率微波放大型器件（如RKA）由于空间电荷效应导致工作频率和输出微波功率上限等问题。提升器件工作阻抗，其工作电流降低可以减弱空间电荷效应的影响，提升器件工作效率，同时由于同样工作电压条件下对前级驱动源功率要求较低，便于全系统小型化设计。在传统的强流无箔二极管中，电子束采用全浸没发射的方式，阴极发射区及阳极筒完全浸入引导磁场均匀区。这样的结构中，二极管往高阻抗调节的过程中受到阴极杆和阳极筒径向距离的限制难以实现较高阻抗。在固定的阴极尺寸下，如果要实现较高的阻抗，就需要加大阳极筒及引导磁场径向尺寸，增加系统的体积和重量。同时，在阴极杆电压提升到一定程度后，阴极杆不可避免地产生一部分径向电子发射，其中的一部分电子将沿着引导磁场端部向外发散的磁力线形成电子回流，从而影响电子束传输效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有强流无箔二极管结构中高阻抗调节和系统小型化间的矛盾，提升电子束传输效率，同时为了解决现在二极管阻抗调节过程中需要拆除二极管阳极筒破坏真空而导致的工作效率低下的问题，提供了一种新型的可远程调节的高阻抗小型化高压二极管。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，包括设置在密封空间的阴极座和设置在阴极座上的环形阴极、与环形阴极对应设置的阳极内筒，设置在阳极内筒外表面的阳极外筒，所述环形阴极与阳极内筒同轴设置、但环形阴极与阳极内筒在轴向上不重叠，所述阴极座的轴向上设置有磁场，阳极外筒的轴向上设置有磁场，阴极与阳极内筒之间相对距离可以调节，通过距离调节实现输出阻抗变化。

在上述技术方案中，所述阳极内筒设置在阳极外筒的内壁面上，且与阳极外筒同轴，所述阳极内筒可以沿着阳极外筒在轴线上移动。

在上述技术方案中，所述阳极内筒包括固定段和活动段，所述固定段内设置有电机，电机的输出端连接到活动段，活动段在电机的作用下沿着阳极外筒的轴线移动。

在上述技术方案中，所述电机上设置有控制器，控制器的控制端连接有控制线缆，所述控制线缆穿过阳极内筒、阳极外筒连接到二极管外部，所述阳极外筒内的空间为密闭真空。

在上述技术方案中，所述环形阴极环套在阴极座上，所述环形阴极可以沿着阴极座的轴向移动。

在上述技术方案中，所述阴极座包括一个伸缩端，所述环形阴极环套在伸缩端上，所述伸缩端带动环形阴极沿着轴向移动。

在上述技术方案中，所述阴极座内设置有电机，电机带动伸缩端运动，连接电机的控制线伸出到二极管外。

在上述技术方案中，所述阴极座上的磁场为螺线管电磁场或者为永磁体的永磁场，所述阳极外筒上的磁场为螺线管电磁场或者为永磁体的永磁场，阴极座与阳极外筒上的可以采用任意形式的磁场组合。

在上述技术方案中，当要调节二极管的输出阻抗时，在不拆除二极管的同时，通过控制线缆远程控制电机工作实现环形阴极与阳极内筒之间的距离调节采用方式如下：

当环形阴极固定不动，通过控制阳极内筒内的电机工作带动阳极内筒相对于环形阴极移动，实现环形阴极与阳极内筒之间的距离调节；

当阳极内筒固定不动，通过控制阴极座内的电机工作带动环形阴极相对于阳极内筒移动，实现环形阴极与阳极内筒之间的距离调节；

同时控制阴极座内的电机和阳极内筒内的电机，实现环形阴极与阳极外筒同时相对运动。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，阴极杆和环形阴极与阳极筒在轴向上不重叠，在二极管阻抗调节过程中不受阴极杆与阳极筒径向距离的限制，主要由加载电压及阴阳极轴向距离决定，从而可以在相同的阴极尺寸下得到更高的二极管阻抗及更宽的阻抗调节范围；

本发明中，不存在阴极杆与阳极筒之间的径向电子发射，降低了这类电子沿引导磁场端部磁力线往绝缘子方向回流的概率，提升了电子束传输效率；

本发明中，阴极杆和环形阴极与阳极筒在轴向上不重叠，阳极筒径向尺寸不受限于与阴极杆保持耐压距离，从而缩小了阳极筒直径，实现二极管结构小型化。相应地，位于阳极筒及飘移管外部的主引导磁场径向尺寸及功耗也可以相应减小；

本发明中，通过远程控制步进电机工作达到改变二极管阴阳极间距从而调节二极管电压电流参数，实现了电子束参数远程、高精度控制，且在调节过程中不需要破坏二极管真空，可以实现二极管状态的连续调节，在微波器件实验等应用场景中极大地提高工作效率；

本发明中，还可通过远程调节主引导磁场及补充磁体的磁场强度，实现电子发射区与电子传输区不同程度的磁场增强效果，从而实现电子束不同程度的箍缩效应，达到调整电子束包络尺寸的作用。由于这种箍缩效应，还可以采用大面积阴极发射得到较小的束包络，在某种程度上可以降低对阴极材料发射密度的要求；

本发明设计巧妙，结构简单易于实现，使用方便且制作和维护费用较低，体积小，重量轻，能耗低，在高阻抗微波器件研制中具有广泛的应用前景，在移动平台应用中尤为有利。可远程调节阴阳极间距从而调节二极管阻抗，而不再像传统的二极管每次调节需要破坏整个真空环境，极大提高调节工作效率，具有突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

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是本发明的剖视示意图；

其中：1是绝缘子，2是二极管外筒，3是补充磁体，4是阳极外筒，5是主引导磁场，6是控制信号传输线，7是飘移管，8是轴向调节装置，9是阳极内筒，10是环形阴极，11是阴极座，12是阴极杆。

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。

为了解决现有技术中存在的二极管高阻抗调节和系统小型化间的矛盾，及传输效率不高等问题，同时实现阻抗调节过程不破坏真空，提升调节工作效率，本发明公开了一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管。本发明中的二极管包括外部由导体构成的二极管外筒，由尼龙或其他绝缘材料构成的绝缘子，由导体构成的飘移管，由导体构成的阴极杆，由导体构成的可调节阴极座，具有一定厚度的圆环形阴极材料构成的环形阴极，由导体构成的阳极外筒，由导体构成的可调节阳极内筒，由步进电机及滑块组成的轴向调节装置。绝缘子、二极管外筒、阳极外筒及飘移管共同形成一个封闭的真空二极管腔。主引导磁场同轴地安装在阳极外筒及飘移管外部的空气中。阴极杆、阴极座和阴极连接为一体后与可调节阳极内筒同轴安装，阴极杆、阴极座和阴极不伸入可调节阳极外筒中，与阳极外筒在轴向上不重叠。这样的结构使得通过调节阴阳极间距来调节电子束阻抗的过程中基本不受到阴极、阴极杆与阳极内筒径向距离的限制，在较小的阳极内筒直径下可以实现较高二极管阻抗，相应地减小了主引导磁体的内直径，从而实现引导磁场系统及二极管的小型化。补充磁体同轴地安装在阴极杆外部,位于真空区中。主引导磁场及补充磁体分别位于阴极的前后两侧，两种磁场叠加形成阴极发射区及电子束传输区域的引导磁场。为了使阴极发射区的磁场强度进一步增加，并调节引导磁场位形，阴极杆和阴极座也可设置为软磁材料。这样的设计保证了阴极发射及电子束传输区域具有足够的磁场强度，还有一个附加的好处是电子束从阴极发射区到飘移管区经历了磁场强度逐渐增强直至平稳的过程，产生了一定程度的电子束箍缩，这意味着如果引导磁场为螺线管磁场，则可以通过远程控制线圈中电流大小来控制电子束箍缩的程度，从而实现在相同的阴极尺寸下得到不同包络尺寸的电子束输出。另一方面，电子束箍缩意味着可以采用较大尺寸的阴极得到较小尺寸的电子束，这样可以降低对阴极材料发射能力的要求，使得阴极材料的选材范围更加广阔。阳极外筒、阳极内筒间为同轴结构，并设置有限位结构，轴向调节装置安装在阳极外筒和阳极内筒之间，步进电机固定安装在阳极外筒内壁,步进电机带动阳极内筒沿着飘移管内壁在轴向前后滑动。阴极座上包含有伸缩端，阴极安装于伸缩端上。阴极座，阴极杆为同轴结构，并设置有限位结构，轴向调节装置安装在阴极杆和阴极座之间，步进电机固定安装在阳极外筒内壁，步进电机带动阴极座伸缩端沿着阴极杆内壁在轴向前后滑动。远程控制信号由控制信号引入线引入步进电机中。步进电机及控制信号引入线采用一定的防电磁干扰及绝缘措施。通过远程单独调节阳极内筒位置，或者单独调节阴极座伸缩端位置，或者同时调节阳极内筒位置及阴极座伸缩端位置，可实现调节阴阳极间距，从而远程调节二极管阻抗的目的。

本实施例中给出了一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，本实施例的具体尺寸为：二极管外筒采用无磁不锈钢材料，内半径为309mm；绝缘子采用尼龙材料；阴极杆采用软磁材料A3钢，外半径为42mm；阴极座采用无磁不锈钢材料，最大外半径40mm；环形阴极内半径19mm外半径22mm,材料为石墨；阳极筒外筒、可调节阳极内筒飘移管采用无磁不锈钢材料，内半径分别为90mm，46mm，44mm；主引导磁场采用螺线管，线圈内半径100mm，外半径250mm，轴向长度400mm，采用6mm*6mm铜线绕制，导线上流通的电流为350A，冷却方式为水冷。补充磁场采用永磁体，永磁环外半径115mm，内半径47.5mm，轴向长度55mm，磁牌号为N45，磁化方向为径向方向，最大剩磁1.4T。实验结果表明：当阴阳极间距调节到3.5cm时，二极管工作参数为电压610kV,电流2.54kA，对应阻抗240欧姆，环形电子束能够全部顺利传输通过飘移管，未发现电子打到阳极筒和飘移管壁的情况，通过率达到100%。

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 (9)

1.一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，包括设置在密封空间的阴极杆、阴极座和设置在阴极座上的环形阴极、与环形阴极对应设置的阳极内筒，设置在阳极内筒外表面的阳极外筒，其特征在于所述环形阴极与阳极内筒同轴设置、但环形阴极与阳极内筒在轴向上不重叠，所述阳极外筒的轴向上设置有主引导磁场，所述阴极杆外部设置有补充磁场，阴极与阳极内筒的轴向位置可远程控制调节，通过二者相对距离调节实现输出阻抗变化。

2.根据权利要求1所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述阳极内筒设置在阳极外筒的内壁面上，且与阳极外筒同轴，所述阳极内筒可以沿着阳极外筒在轴线上移动。

3.根据权利要求2所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述阳极内筒包括固定段和活动段，所述固定段内设置有电机，电机的输出端连接到活动段，活动段在电机的作用下沿着阳极外筒的轴线移动。

4.根据权利要求3所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述电机上设置有控制器，控制器的控制端连接有控制线缆，所述控制线缆穿过阳极外筒连接到二极管外部，所述阳极外筒内的空间为密闭真空。

5.根据权利要求1所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述环形阴极环套在阴极座上，所述阴极座同轴安装在阴极杆上，所述环形阴极可以沿着阴极座的轴向移动。

6.根据权利要求5所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述阴极座包括一个伸缩端，所述环形阴极环套在伸缩端上，所述伸缩端带动环形阴极沿着轴向移动。

7.根据权利要求6所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述阴极座内设置有电机，电机带动伸缩端运动，连接电机的控制线伸出到二极管外。

8.根据权利要求1所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于所述主引导磁场为螺线管电磁场或者为永磁体的永磁场或者为超导磁场，所述补充磁场为螺线管电磁场或者为永磁体的永磁场，主引导磁场和补充磁场可以采用任意形式的磁场组合。

9.根据权利要求4或7所述的一种可远程调节束参数的紧凑型强流二极管，其特征在于：当要调节二极管的输出阻抗时，在不拆除二极管的同时，通过控制线缆远程控制电机工作实现环形阴极与阳极内筒之间的轴向距离调节采用方式如下：

当环形阴极固定不动，通过控制阳极内筒内的电机工作带动阳极内筒相对于环形阴极移动，实现环形阴极与阳极内筒之间的距离调节；

当阳极内筒固定不动，通过控制阴极座内的电机工作带动环形阴极相对于阳极内筒移动，实现环形阴极与阳极内筒之间的距离调节；

同时控制阴极座内的电机和阳极内筒内的电机，实现环形阴极与阳极外筒同时相对运动。