CN112151342A - 一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，包括：面天线、第一腔体结构体、第二腔体结构体、磁体封装体、强流二极管、无缘分布式气体捕集器组件，在保持输出功率吉瓦级的同时，能够不依赖于外部真空和磁场独立运行，在金属化封接、超低漏率连接、高温排气烘烤等工艺的基础上，采用磁体内置型高场强陶瓷真空界面、大口径陶瓷封接喇叭天线进行整管硬管封装，采用分布式吸气剂捕集器实现自然出气和脉冲放气，采用可拆卸卡套式永磁体进行磁场包装，满足了模块化和“即插即用”使用要求。

Description

一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管

技术领域

本发明涉及高功率微波领域，特别是涉及一种峰值功率吉瓦级、硬管和永磁封装的相对论磁控管结构。

背景技术

高功率微波是指微波脉冲峰值功率在GW级、频率在1GHz到300GHz之间、定向发射的电磁波，其在定向能武器、等离子体加热、高能雷达、粒子射频加速以及未来空间能源利用等诸多方面有着广泛的应用需求。高功率微波源是高功率微波系统的核心，用于将高功率电脉冲转换为可辐射的高功率微波脉冲。

随着高功率微波系统的实用化进程，在实现高功率的同时，要求系统尽可能做到模块化、紧凑化，以便适应更多的、可移动的平台。通常在实验室中的高功率微波源都需要庞大的地面真空机组维持器件内的高真空水平；为了实现脱离真空机组，就需要对器件整管进行硬管化封装。

此外，高功率微波器件通常工作时都需要外加磁场以提高束波作用效率，目前常用的方法是通过通电螺线管的方式施加脉冲磁场，由于器件功率水平高、磁场相对较强，提供脉冲磁场的线圈、电源体积较大、重量较重，同时还需要额外的能耗。

因此，将高功率微波源进行硬管、永磁封装是实现高功率微波系统实用化的核心关键之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，以解决上述现有技术存在的至少一个问题，以实现高功率微波系统实用化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控，包括：

面天线、第一腔体结构体、第二腔体结构体、磁体封装体、强流二极管、无缘分布式气体捕集器组件；

面天线与第一腔体结构连接；

第一腔体结构与磁体封装状体、第二腔体结构、面天线连接；

第二腔体结构与磁体封装体、强流二极管连接；

无缘分布式气体捕集器组件包括第一气体捕集器、第二气体捕集器、第三气体捕集器。

优选地，面天线为喇叭天线，包括陶瓷辐射面和无磁不锈钢喇叭；

面天线采用一体化结构；

无磁不锈钢喇叭上分布多个第一法兰接口；

法兰接口通过无氧铜垫对接高真空阀门、真空规管、第一气体捕集器；

高真空阀门用于真空与外界空气截止隔离；

真空规管用于检测腔内真空稀薄程度；

第一气体捕集器(17)用于捕集所述面天线端气体分子；

优选地，第一腔体结构体为慢波结构腔；

慢波结构腔具有第一端及第二端；

慢波结构腔第一端与所述面天线连接；

慢波结构腔第二端与所述磁体封装体、所述第二腔体结构连接；

慢波结构腔采用无磁不锈钢材料；

慢波结构腔为一体化机构；

慢波结构腔腔体分布多个第二法兰接口，所述第二法兰接口与所述第二气体捕集器连接；所述慢波结构腔腔体具有蜂网结构，所述蜂网结构与所述第二法兰接口贯通，形成疏导通道。

优选地，磁体封装体包括磁缸结构体、第一磁体、第二磁体、第三磁体、第四磁体；

第一磁体与第二磁体组成磁体；

第三磁体与第四磁体组成磁体；

磁缸结构体具有磁缸结构体第一端及磁缸结构体第二端；

磁体分布在所述磁缸结构体第一端；

磁体分布在所述磁缸结构体第二端；

磁缸结构体第一端与所述强流二极管连接；

磁缸结构体第二端与所述第二腔体结构体连接。

优选地，第二腔体结构体为衔接过渡段；

衔接过渡段具有第一端及第二端；

衔接过渡段第一端与所述强流二极管连接；

衔接过渡段第二端与所述磁体封装体、所述第一腔体结构连接；

衔接过渡段采用所述无磁不锈钢材料；

衔接过渡段第二端外端面有若干第三法兰接口，第三法兰接口与第三气体捕集器连接。

优选地，强流二极管为一体化机构，包括无磁不锈钢阳极、氧化铝陶瓷真空界面、无磁不锈钢中空阴极杆；

强流二极管用于维持强场耐压和作介质、真空隔离；

无磁不锈钢阳极与第二腔体结构体连接；

无磁不锈钢中空阴极杆具有第一端及第二端；

无磁不锈钢中空阴极杆第一端与无磁不锈钢阳极连接；

氧化铝陶瓷真空界面与无磁不锈钢中空阴极杆第二端连接；

无磁不锈钢阳极与无磁不锈钢中空阴极杆同轴。

优选地，无磁不锈钢中空阴极杆与外界连通，无磁不锈钢中空阴极杆第二端密封。

优选地，强流二极管还与内环磁体、碳纤维电子发射阴极、排风装置连接；

无磁不锈钢中空阴极杆第二端与碳纤维电子发射阴极连接；

内环磁体放置于无磁不锈钢中空阴极杆第二端内部；

排风组件与所述碳纤维电子发射阴极连接；

排风装置包括：排风罩、排风孔道；

优选地，第一法兰接口、第二法兰接口、第三法兰接口的法兰连接方式为：

第一法兰接口、第二法兰接口、第三法兰接口通过第一无氧铜垫真空密封。

优选地，面天线与第一腔体结构体、第一腔体结构体与第二腔体结构体、第二腔体结构体与磁体封装体、磁体封装体与强流二极管的连接方式为刀口法兰连接；

刀口法兰与刀口法兰通过第二无氧铜垫真空密封。

本发明公开了以下技术效果：

(1)针对一种相对论磁控管高功率微波产生器件脱离庞大、繁重的外部真空机组和通电螺线管脉冲磁场难题，满足模块化和“即插即用”使用要求；

(2)一种高功率磁控管硬管封装结构和永磁封装结构，在保持输出功率吉瓦级的同时，能够不依赖于外部真空机组和通电螺线管磁场而独立运行；

(3)在金属化封接、超低漏率连接、高温排气烘烤等工艺的基础上，采用磁体内置型高场强陶瓷真空界面、大口径陶瓷封接喇叭天线进行整管硬管封装。

(4)采用非蒸散型分布式吸气剂捕集器件内的自然出气和脉冲放气；

(5)采用可拆卸卡套式永磁体进行磁场包装,可实现重复组合和分离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为硬管永磁封装的吉瓦级相对论磁控管整体封装系统图；

图2为本发明涉及的一种吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装结构整体系统结构轴向半剖视图；

图3为本发明涉及的基于陶瓷真空界面的强流二极管整体结构轴向半剖视图；

图4为本发明涉及的永磁封装体的轴向半剖视图；

图5为本发明涉及的无源分布式气体捕集组件图；

图5(a)为无源分布式气体捕集A组件图；

图5(b)为无源分布式气体捕集B组件图；

图6为本发明涉及的基于衍射输出的慢波结构腔轴向半剖视图；

图7为本发明涉及的大口径陶瓷封接喇叭天线轴向半剖视图；

图8为本发明涉及的衔接过渡段轴向半剖视图；

图9为本发明涉及的高功率全硬管化真空密封连接轴向半剖示意图；

图10为本发明涉及的器件硬管化连接口结构；

图10(a)为刀口法兰尺寸图；

图10(b)为无氧铜垫与刀口法兰示意图；

图11为基于本发明高功率微波源输出的典型微波信号；

图12为本发明结构文字示意图；

其中，1为无磁不锈钢阳极，2为氧化铝陶瓷真空界面，3、4为磁体，5为蜂网结构,6、13、17为气体捕集器，7为无磁不锈钢喇叭，8为慢波结构腔，9为内环磁体，10为衔接过渡段，11为陶瓷辐射面，12为磁钢结构体，14为刀口法兰结构，15为碳纤维电子发射阴极，16为无磁不锈钢中空阴极杆，18为排风装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-12所示，本发明提供一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，包括：喇叭天线、慢波结构腔、衔接过渡段、磁体封装体、强流二极管、无缘分布式气体捕集组件；

大口径陶瓷封接喇叭天线是由陶瓷辐射面和无磁不锈钢喇叭组成，为保证真空气密性及模块化，采用一体化结构。

无磁不锈钢喇叭上均匀分布若干法兰接口，法兰与天线内腔之间有均匀排布的排气孔道，法兰接口分别通过无氧铜垫对接高真空阀门、真空规管、分支气体捕集器。

高真空阀门用于真空与外界空气截止隔离，真空规管用于检测腔内真空稀薄程度，分支气体捕集器由于捕集天线端气体分子。

大口径陶瓷封接喇叭天线其轴向半剖视图如图7所示，定义DD’为中心旋转轴，D’端为输入端，内半径为R12＝154mm，外半径为R13＝192.5mm，法兰高度为h5＝15mm，D端为辐射端，陶瓷板外径为R14＝282mm，厚度为h8＝25mm，外半径为R16＝313mm，总轴向长度为h6+h7＝323mm。其他尺寸：L7＝5mm，R15＝292mm，h6＝288mm，h7＝35mm，Y＝25.26°。

由于大口径陶瓷封接喇叭天线采用一体化结构封装，只需将高真空阀门、真空规管、2支气体捕集器分别通过CF35法兰与无磁不锈钢喇叭上的4个CF35法兰对接，法兰与法兰之间通过无氧铜垫真空密封，如图(10b)所示。

慢波结构腔是产生微波信号的一个核心部件，为了保证无磁，减少对永磁磁场的影响，均采用无磁不锈钢材料。

慢波结构腔内部结构复杂，尺寸精度要求高，为了更好的应用于硬管封装和保真空技术，本发明涉及的慢波结构腔设计为一体化结构，避免了多处连接漏率累加问题。

慢波结构腔其轴向半剖视图如图6所示，定义CC’为中心旋转轴，C端为左端面(输出端)，C’为右端面(馈入端)，端面接口均采用刀口法兰如图10(a)，输出端内半径为R17＝155mm,外半径为R20＝190mm,法兰厚度为H2＝15mm，馈入端内半径为R21＝105mm,外半径为R23＝192.5mm，法兰厚度为H4＝5.5mm。腔体四周设有4个对称的标准CF35法兰，该法兰与外部气体捕集组件对接，为了更快抽除和吸附腔内空气分子的总量，加大分子运动路径。

本发明涉及的慢波结构腔采用蜂网结构，如图6“排气孔道”区域，蜂网结构与CF35法兰贯通，形成导流通道。具体实施封装上，将慢波结构腔的C’端与衔接过渡段的E段相接，中间通过无氧铜垫真空密封，C端与大口径陶瓷封接喇叭天线的E’端连接，中间通过无氧铜垫真空密封，密封结构如图10(b)所示。

如图8所示，衔接过渡段衔接过渡段是由无磁不锈钢材料加工而成，它的作用包括：衔接强流二极管和慢波结构腔；用于气体捕集器载入及固定。

衔接过渡段其轴向半剖视图如图8所示，定义EE’为中心对称轴，最大外半径为R26＝212.5mm，高度为H8＝312mm，其他：R24＝58mm，R25＝190mm，R27＝220mm，H5＝109mm，H6＝15mm，H7＝12mm，H8＝312mm。E端与慢波结构腔连接，E’端与强流二极管连接，与外端面有8个CF35法兰接口，法兰分别与气体捕集器B组件连接，法兰与法兰之间通过无氧铜垫真空密封。

如图4所示，永磁体是由一分为二的两块对称件磁体组成，而对称件磁体是由磁缸结构、磁体1、磁体2合成，两块对称件磁体组成的永磁体成环形结构，可实现重复组合和分离。其中磁缸结构所使用的材料为铁，磁体1、磁体2主要以钕、铁、硼为基本的永磁材料，其特点为精密度高、磁性能佳、耐腐蚀性好、温度稳定性好等。由于本发明涉及的硬管封装结构具备保真空条件，而为了更好的对器件排气，需对器件进行高温烘烤处理，众所周知，磁体最大的缺陷经不住高温，高温会使磁体磁性衰退或消失，这个过程是不可逆的。在本发明中对硬管进行高温烘烤时，永磁体可以不参与该流程，待高温处理恢复常温后，再将永磁体通过专用工装将其组装上去，故此本发明涉及的永磁体很好的解决经高温失磁这个问题，即永磁体在使用时只需将两块对称件磁体组合和分离即可。永磁体其轴向半剖视图如图4所示，定义以BB’为中心旋转轴，磁体1磁缸内半径R6＝60mm，外半径R9＝112mm。磁体1磁体内半径为R7＝65mm,外半径为R8＝104mm,高度为h4-h3＝80mm。磁体2磁缸内半径R6A＝157mm，外半径R9A＝226mm。磁体2磁体内半径为R7A＝164mm,外半径为R8A＝214mm,高度为h1＝41.5mm。永磁体总高度为h4＝200mm，最小内半径为R6＝58mm,最大外半径为R10＝235mm。本发明涉及的永磁体与传统通电螺旋管相比，其特点是结构简单、磁场稳定可靠、磁体合二为一可实现重复组合和分离、脱离外部供电、实现保持永久磁场。具体实施是通过专用工具将两块对称磁体外套在磁控管外筒上。

如图3所示，强流二极管由一体化结构的氧化铝陶瓷真空界面、无磁不锈钢阳极、无磁不锈钢中空阴极杆组成，其轴向半剖视图如图3所示，定义以AA’为中心旋转轴，轴向总长度为L5＝410mm,径向半径为R2＝230mm,强流二极管的阳极端面接口采用刀口法兰结构，如图10(a)所示，这种结构可以有效的保证与外器件的真空密封连接和良好的电气连接。阴极杆采用中空结构，阴极杆总长度为L1+L2+L3＝250mm，阴极杆大外径为R3＝32.8mm,小外径为R4＝20mm，与氧化铝陶瓷真空界面的夹角为X＝84°，阴极杆A’端密封，A端与外界连通，其设计目的有三，一是确保真空密封，二是便于放置内环磁体，三是解决高温烘烤条件下磁体失磁的诟题。由于高功率微波源要产生吉瓦级微波信号，作为介质与真空隔离的强流二极管既要承受着MV级高电压、几百KA大电流的强场维持，又要承受介质端、真空端的正负气压和，为保证微波源的正常输出，陶瓷二极管稳定运行，经过仿真计算，在本发明中强流二极管的陶瓷真空界面的径向长度为R1-R5＝185mm，陶瓷板的厚度为L1,L1为15～20mm。

为保证阴阳极的同轴度和真空气密性，本发明涉及的强流二极管采用同轴型一体化结构，解决了常规下二极管阴阳极不同心，真空漏率差等技术问题。

在具体实施组装上，将内置磁环从强流二极管阴极杆中空结构中塞入相应的位置，将碳纤维电子发射阴极组装在阴极杆半径R4、长度L4上，形成电子束发射端即可。

气体捕集组件是一种实现脱离外接真空机组、无需供电输入、体积小、重量轻、吸附能力强、纯物质、抗电磁干扰能力强的气体捕集器，其核心部件采用镐钒体材料，结构简单、操作方便，即插即用，它主要由镐钒体、外缸壳组成。

在本发明中，气体捕集组件采用分布式结构，如图5所示，图5(a)为气体捕集A组件，图5(b)为气体捕集B组件,气体捕集A组件、气体捕集B组件是属同一性质，根据本发明微波源结构的气源散发区而设置的捕集位置及结构异型，气体A组件的四个CF35法兰分别与慢波结构腔上的四个CF35法兰通过无氧铜垫相接，B组件与衔接过渡段通过无氧铜垫相接，相接结构如图10(b)所示。

本发明气体捕集采用环形分布式结构，其作用为：

根据气源散发区，在最靠近气源最强点捕集气体分子并以最快的速度吸附；

均匀的捕集气体分子，使其电子束在运动过程中避免受碰撞程度不一，影响电子束均匀发射。

具体实施组装上如图2所示，将气体捕集A组件通过CF35法兰与慢波结构腔上CF35法兰对接，法兰与法兰之间通过无氧铜垫密封，如图(10b)所示，组装后的示意图如图1所示；

将气体捕集B组件通过CF35法兰与衔接过渡段上CF35法兰对接，法兰与法兰之间通过无氧铜垫真空密封，如图(10b)所示，组装后的示意图如图1所示。

如图9所示，强流二极管、衔接过渡段、慢波结构腔、大口径陶瓷封接喇叭天线组成全硬管化封装结构的相对论磁控管，各部件之间通过刀口法兰连接，刀口法兰与刀口法兰通过无氧铜垫真空密封。

如图10所示，图10(a)为刀口法兰结构，刀口内高为1mm，外高为1.5mm，刀口倒角为R0.1,刀口斜角为70°，图10(b)为刀口法兰与刀口法兰通过无氧铜垫真空密封，铜垫厚度为2mm。

图11为本发明设计的硬管永磁封装的吉瓦级相对论磁控管输出的微波波形，强流二极管上电压500kV，电流10kA，永磁磁场0.35T的激励下，输出微波平均功率1.5GW，效率达40％，频率为2.1GHz。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，其特征在于，包括：面天线、第一腔体结构体、第二腔体结构体、磁体封装体、强流二极管、无缘分布式气体捕集器组件；

所述面天线与所述第一腔体结构连接；

所述第一腔体结构与所述磁体封装状体、所述第二腔体结构、所述面天线连接；

所述第二腔体结构与所述磁体封装体、所述强流二极管连接；

所述无缘分布式气体捕集器组件包括第一气体捕集器(17)、第二气体捕集器(13)、第三气体捕集器(6)。

2.根据权利要求1所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，其特征在于：

所述面天线为喇叭天线，包括陶瓷辐射面(11)和无磁不锈钢喇叭(7)；

所述面天线采用一体化结构；

所述无磁不锈钢喇叭(7)上分布多个第一法兰接口；

所述法兰接口通过无氧铜垫对接高真空阀门、真空规管、所述第一气体捕集器(17)；

所述高真空阀门用于真空与外界空气截止隔离；

所述真空规管用于检测腔内真空稀薄程度；

所述第一气体捕集器(17)用于捕集所述面天线端气体分子。

3.根据权利要求1所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，其特征在于：

所述第一腔体结构体为慢波结构腔(8)；

所述慢波结构腔(8)具有第一端及第二端；

所述慢波结构腔(8)第一端与所述面天线连接；

所述慢波结构腔(8)第二端与所述磁体封装体、所述第二腔体结构连接；

所述慢波结构腔(8)采用无磁不锈钢材料；

所述慢波结构腔(8)为一体化机构；

所述慢波结构腔(8)腔体分布多个第二法兰接口，所述第二法兰接口与所述第二气体捕集器(13)连接；所述慢波结构腔(8)腔体具有蜂网结构(5)，所述蜂网结构(5)与所述第二法兰接口贯通，形成疏导通道。

4.根据权利要求1所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管，其特征在于：

所述磁体封装体包括磁缸结构体(12)、第一磁体、第二磁体、第三磁体、第四磁体；

所述第一磁体与第二磁体组成磁体(3)；

所述第三磁体与第四磁体组成磁体(4)；

所述磁缸结构体(12)具有磁缸结构体第一端及磁缸结构体第二端；

所述磁体(3)分布在所述磁缸结构体第一端；

所述磁体(4)分布在所述磁缸结构体第二端；

所述磁缸结构体第一端与所述强流二极管连接；

所述磁缸结构体第二端与所述第二腔体结构体连接。

5.根据权利要求1所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管,其特征在于：

所述第二腔体结构体为衔接过渡段(10)；

所述衔接过渡段(10)具有第一端及第二端；

所述衔接过渡段(10)第一端与所述强流二极管连接；

所述衔接过渡段(10)第二端与所述磁体封装体、所述第一腔体结构连接；

所述衔接过渡段(10)采用所述无磁不锈钢材料；

所述衔接过渡段(10)第二端外端面有若干第三法兰接口，所述第三法兰接口与所述第三气体捕集器(6)连接。

6.根据权利要求1所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管,其特征在于：

所述强流二极管为一体化机构，包括无磁不锈钢阳极(1)、氧化铝陶瓷真空界面(2)、无磁不锈钢中空阴极杆(16)；

所述强流二极管用于维持强场耐压和作介质、真空隔离；

所述无磁不锈钢阳极(1)与所述第二腔体结构体连接；

所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)具有第一端及第二端；

所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)第一端与所述无磁不锈钢阳极(1)连接；

所述氧化铝陶瓷真空界面(2)与无磁不锈钢中空阴极杆(16)第二端连接；

所述无磁不锈钢阳极(1)与所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)同轴。

7.根据权利要求6所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管,其特征在于：

所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)与外界连通，所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)第二端密封。

8.根据权利要求6所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管,其特征在于：

所述强流二极管还与内环磁体(9)、碳纤维电子发射阴极(15)、排风装置(18)连接；

所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)第二端与所述碳纤维电子发射阴极(15)连接；

所述内环磁体(9)放置于所述无磁不锈钢中空阴极杆(16)第二端内部；

所述排风组件与所述碳纤维电子发射阴极(15)连接；

所述排风装置包括：排风罩、排风孔道。

9.根据权利要求2、3、5所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管,其特征在于：

所述第一法兰接口、第二法兰接口、第三法兰接口的法兰连接方式为：

所述第一法兰接口、第二法兰接口、第三法兰接口通过第一无氧铜垫真空密封。

10.根据权利要求1所述一种基于吉瓦级高功率微波源硬管及永磁封装的磁控管,其特征在于：

所述面天线与所述第一腔体结构体、所述第一腔体结构体与所述第二腔体结构体、所述第二腔体结构体与所述磁体封装体、所述磁体封装体与强流二极管的连接方式为刀口法兰连接(14)；

所述刀口法兰与所述刀口法兰通过第二无氧铜垫真空密封。

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