CN109818122A - 一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波技术领域，具体为一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，包括相对同轴放置的波纹波导A和波纹波导B、绝缘套筒和位于绝缘套筒外部的冷却水管；波纹波导上设有绝缘套筒连接法兰，波纹波导内侧部分位于绝缘套筒内部，绝缘套筒连接法兰卡在绝缘套筒的两侧，使得两个波纹波导的波导对接端面之间保留一定间隙。绝缘套筒定位两侧的金属波导，通过设置波导之间的间隙，使得与波导分别连接的电子回旋传输系统的发射系统和微波电子回旋管绝缘隔离，不同于现有技术中常用的绝缘隔离，在绝缘套筒之外设计的冷却管结构，两个作用，除了冷却的作用，还能够起到吸收波导之间的缝隙所泄漏出来的微波。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器。
背景技术
对于电子回旋共振加热系统而言，波源回旋管通常需要外接高压电源以产生高功率微波，一般来说回旋管正常工作时的束电压在70kV左右，为保证安全，通常将电子回旋共振加热波源系统的地电位进行悬浮处理，以保证故障情况下负载的安全。由于波源微波输出端口为地电位且与传输系统相连，因此为隔断波源与负载间的电气连接，需要在传输系统采用一种可以实现这种电隔离的传输部件——隔直器。
现有技术中的隔直器，主要应用于功率为500kW、脉冲宽度为1s的电子回旋非真空传输系统中，主要存在以下不足之处：(1)没有密封结构，无法适用于需要传输兆瓦量级、更长脉冲宽度微波的真空传输线中；(2)没有屏蔽结构，导致部分微波泄露到自然环境中；(3)没有水冷结构，在传输兆瓦量级、更长脉冲宽度微波时无法避免由于热负荷而引起的部件变形。
发明内容
本发明的目的是提供一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，用以解决现有技术隔直器无法使用在电子回旋真空传输系统中，且无法有效防止微波泄露的技术问题。
本发明的技术方案如下：
一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，包括相对同轴放置的波纹波导A和波纹波导B、绝缘套筒和位于绝缘套筒外部的冷却水管；所述的波纹波导A或波纹波导B上加工有绝缘套筒连接法兰，以绝缘套筒连接法兰为界，波纹波导A或波纹波导B内侧的端面为波导对接端面，外侧的端面为波导密封端面；所述的波纹波导A或波纹波导B内侧部分位于绝缘套筒内部，绝缘套筒连接法兰卡在绝缘套筒的两侧，使得两个波纹波导的波导对接端面之间保留一定间隙。
所述的绝缘套筒连接法兰上加工冷却水入口接头定位孔及冷却水出口接头定位孔，冷却水管两端的冷却水入口接头及冷却水出口接头定位安装在相应的定位孔中。
所述的绝缘套筒连接法兰上加工若干个绝缘套筒定位孔，所述的绝缘套筒的两侧端面上加工若干个绝缘套筒螺纹孔，绝缘套筒螺纹孔与上述的绝缘套筒定位孔的位置对应，利用螺栓连接使得波纹波导固定连接在绝缘套筒两侧。
所述的绝缘套筒连接法兰内侧表面上加工有圆环形的真空密封槽A，所述的绝缘套筒两端面上分别加工圆环形的真空密封槽B，真空密封槽A和真空密封槽B大小和位置对应，槽内安装密封圈，从而形成密封结构。
所述的密封圈为氟橡胶密封圈。
所述的绝缘套筒采用聚四氟乙烯材料制成。
所述的波纹波导A或波纹波导B通径内壁为光滑曲面，齿形结构为连续正弦波纹。
所述的波纹波导A或波纹波导B采用硬铝材料加工。
所述的波导密封端面安装Helicoflex金属C型密封圈。
所述的两个波纹波导的波导对接端面之间的间隙为3～6mm。
本发明的显著效果如下：本装置通过绝缘套筒定位两侧的金属波导，使得两侧波导同轴，并且通过设置波导之间的间隙，使得与波导分别连接的电子回旋传输系统的发射系统和微波电子回旋管绝缘隔离，相当于绝缘套同组成了微波传输系统传输的一个组成部件，不同于现有技术中常用的绝缘隔离。在绝缘套筒之外设计的冷却管结构，两个作用，除了冷却的作用，还能够起到吸收波导之间的缝隙所泄漏出来的微波。
考虑到隔直器将用于真空传输系统中，采取合理的真空密封形式，真空漏率达到10-9Pa·m3/s的要求；作为一种高功率长脉冲毫米波传输部件，所产生的微波功率损耗应尽可能小，以保证传输系统的传输效率；适用于实现电子回旋波源与负载之间的电隔离，隔离度达到12kV；可有效地防止波导间隙引起的微波泄露，并可以对隔直器进行水冷防止由热负荷引起的部件变形。
附图说明
图1为水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器结构示意图；
图2a为波纹波导结构图；
图2b为波纹波导结构侧视图；
图3为绝缘套筒结构图；
图中：1.波纹波导A；2.纹波导B；3.绝缘套筒；4.冷却水管；5.冷却水入口接头；6.冷却水出口接头；7.波导密封端面；8.波导对接端面；9.绝缘套筒连接法兰；10.绝缘套筒定位孔；11.冷却水入口接头定位孔；12.冷却水出口接头定位孔；13.真空密封槽A；14.真空密封槽B；15.绝缘套筒螺纹孔。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，隔直器包括两个隔直器波纹波导(波纹波导A1、波纹波导B2)、一个绝缘套筒3、一个冷却水管4、一个冷却水入口接头5及一个冷却水出口接头6。
如图2a所示，波纹波导A1或波纹波导B2上加工有绝缘套筒连接法兰9，以绝缘套筒连接法兰9为界，波纹波导A1或波纹波导B2内侧的端面为波导对接端面9，外侧的端面为波导密封端面7。
波纹波导A1或波纹波导B2内侧部分位于绝缘套筒3内部，绝缘套筒连接法兰9卡在绝缘套筒3的两侧，使得两个波纹波导的波导对接端面9之间保留一定间隙。
如图1、图2a和图2b所示，绝缘套筒3外部安装冷却水管4，冷却水管4一端的冷却水入口接头5及另一端的冷却水出口接头6均定位安装在绝缘套筒连接法兰9上，本实施例中，可在绝缘套筒连接法兰9上加工冷却水入口接头定位孔11及冷却水出口接头定位孔12，使得冷却水入口接头5及冷却水出口接头6定位安装在相应的定位孔中。
同时绝缘套筒连接法兰9上加工若干个绝缘套筒定位孔10。
如图2b所示，在绝缘套筒连接法兰9上加工有圆环形的真空密封槽A13，其与绝缘套筒连接法兰9同心。
如图3所示，绝缘套筒4为一体加工的套筒结构，在套筒的两端面上分别加工圆环形的真空密封槽B14。真空密封槽A13和真空密封槽B14大小和位置对应，槽内安装密封圈，从而形成密封结构，使得绝缘套筒4两侧与波纹波导1的绝缘套筒连接法兰9密封连接。
绝缘套筒4的两侧端面上加工若干个绝缘套筒螺纹孔15，绝缘套筒螺纹孔15与上述的绝缘套筒定位孔10的位置对应，利用螺栓连接使得波纹波导1固定连接在绝缘套筒3两侧。
波纹波导A1或波纹波导B2为一体加工的通径为Φ63.5mm的波导管结构。考虑到需要高效低耗传输兆瓦量级长脉冲毫米波，波纹波导A1或波纹波导B2通径内壁为光滑曲面，齿形结构为连续正弦波纹，能有效的避免尖端放电；综合考虑微波传输时的欧姆损耗问题，波纹波导A1或波纹波导B2采用适宜大功率微波传输系统的硬铝材料加工；波纹波导A1或波纹波导B2与电子回旋传输系统导波部件的导波通径及槽纹结构一致，用于传输频率为100-170HGz的高功率毫米波；波纹波导A1或波纹波导B2置于绝缘套筒3外部的端口通过连接法兰与电子回旋传输系统导波部件对接，该端面为波导密封端面7；波纹波导A1或波纹波导B2与传输系统导波部件之间采用端面密封结构，优选Helicoflex金属C型密封圈。根据真空标准设计；冷却水入口接头5与冷却水出口接头6按照标准水嘴接头设计。
为实现电气隔离的功能，绝缘套筒4选择聚四氟乙烯材料作为绝缘材料，主要原因如下：(1)聚四氟乙烯材料电阻率很大，可保证良好的绝缘性能；(2)聚四氟乙烯材料放气率小，可在传输系统所要求的真空环境(<10-2Pa)下使用；(3)聚四氟乙烯材料加工成形后具有一定的硬度，有利于保证两段波纹波导间的定位精度，从而降低损耗；绝缘套筒4内径与波导对接端面8的外径尺寸相同，加工要求波导连接段4内径为正公差，波导对接端面8外径为负公差；绝缘套筒4套装在隔直器波纹波导A、B的波导对接端口8外部，实现隔直器波纹波导A、B的同轴定位对接，以减少隔直器波纹波导A、B对接时由同轴性偏差产生的微波传输损耗；两两相对的波导对接端口8之间留有一定的间隙L，用于实现电隔离；真空密封槽B14开设在绝缘套筒4两端端面上，与真空密封槽A13的真空设计标准一致，两者之间填充标准的氟橡胶密封圈实现真空密封；绝缘套筒螺纹孔15均布在绝缘套筒4两端端面上，与绝缘套筒定位孔10标准一致，两者通过标准螺钉实现对接。
下面结合本发明例，描述一下如何确定隔直器电隔离间隙L的长度。从绝缘的角度考虑，希望间隙越长越好。但间隙增长，相应的损耗亦会增加。综合考虑绝缘和损耗的要求，本发明例中，选择间隙L长度为4mm，大气条件下的击穿电压约为12kV；隔直器组装完成后，采用兆欧表对隔直器的绝缘电阻进行了测试。为保证测试结果的准确性，隔直器悬空放置。测试时，将兆欧表的两个探头分别和隔直器的两段波纹波导相连进行测试。通过测试，隔直器的绝缘电阻约为2000兆欧，说明所设计的隔直器绝缘性能良好，能够满足绝缘要求。对于由间隙L引起的损耗来说，根据理论推导，当传输模式为纯HE11模时，波导间隙损耗ΔPg与间隙长度L及波长λ成正比，与波导内半径a成反比。损耗ΔPg随L、λ及a变化的关系：
结合本发明例，波导内径为63.5mm，单模传输条件下对应的模式转换损耗在140GHz情况下为0.011％，在105GHz情况下为0.017％，均很小，满足传输损耗要求。
Claims (10)
1.一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：包括相对同轴放置的波纹波导A(1)和波纹波导B(2)、绝缘套筒(3)和位于绝缘套筒(3)外部的冷却水管(4)；所述的波纹波导A(1)或波纹波导B(2)上加工有绝缘套筒连接法兰(9)，以绝缘套筒连接法兰(9)为界，波纹波导A(1)或波纹波导B(2)内侧的端面为波导对接端面(9)，外侧的端面为波导密封端面(7)；所述的波纹波导A(1)或波纹波导B(2)内侧部分位于绝缘套筒(3)内部，绝缘套筒连接法兰(9)卡在绝缘套筒(3)的两侧，使得两个波纹波导的波导对接端面(9)之间保留一定间隙。
2.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的绝缘套筒连接法兰(9)上加工冷却水入口接头定位孔(11)及冷却水出口接头定位孔(12)，冷却水管(4)两端的冷却水入口接头(5)及冷却水出口接头(6)定位安装在相应的定位孔中。
3.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的绝缘套筒连接法兰(9)上加工若干个绝缘套筒定位孔(10)，所述的绝缘套筒(4)的两侧端面上加工若干个绝缘套筒螺纹孔(15)，绝缘套筒螺纹孔(15)与上述的绝缘套筒定位孔(10)的位置对应，利用螺栓连接使得波纹波导(1)固定连接在绝缘套筒(3)两侧。
4.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的绝缘套筒连接法兰(9)内侧表面上加工有圆环形的真空密封槽A(13)，所述的绝缘套筒(4)两端面上分别加工圆环形的真空密封槽B(14)，真空密封槽A(13)和真空密封槽B(14)大小和位置对应，槽内安装密封圈，从而形成密封结构。
5.如权利要求4所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的密封圈为氟橡胶密封圈。
6.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的绝缘套筒(4)采用聚四氟乙烯材料制成。
7.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的波纹波导A(1)或波纹波导B(2)通径内壁为光滑曲面，齿形结构为连续正弦波纹。
8.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的波纹波导A(1)或波纹波导B(2)采用硬铝材料加工。
9.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的波导密封端面(7)安装Helicoflex金属C型密封圈。
10.如权利要求1所述的一种水冷型大功率电子回旋共振加热系统隔直器，其特征在于：所述的两个波纹波导的波导对接端面(9)之间的间隙为3～6mm。
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