CN113130276A - 一种多级降压收集极 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种多级降压收集极，包括：内筒，包括：多个电极，多个电极通过多个电极隔离瓷一一隔开设置，所述多个电极用于接入不同等级的电压；其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极、....、第N电极，该第一电极为空心圆筒结构，第二电极、第三电极、....、第N‑1电极均为上下开口的延伸式空腔圆环结构，第N电极为凸起的斜锥结构；N≥3；油筒，其为一侧开口一侧封闭的空心圆筒结构，内筒设置于所述油筒内且与油筒内侧形成第一空腔，油筒的一侧开口处与第一电极固定连接。

Description

一种多级降压收集极

技术领域

本公开涉及微波及毫米波电真空器件技术领域，具体涉及一种多级降压收集极。

背景技术

速调管作为一种高功率、高增益和高效率的微波和毫米波放大器件，能够以脉冲或连续波方式工作，同时还具有稳定可靠和频谱纯度好的特点，这使其在科学研究、国防建设和工业领域有着广阔的应用空间。20世纪40年代到70年代初是高功率单注速调管发展最快的时期，具有代表性的成就是研制出了扩展互作用速调管及行波速调管，在这一阶段速调管的功率、效率和带宽都获得了显著提高。与此同时，为了进一步满足移动式雷达、电视广播发射机和加速器功率源对高效率的要求，在降低工作电压的前提下，为了进一步提高电源效率，并减小收集极的热负荷，通常需要引入单级或多级降压收集极。

鉴于卫星平台对电源总功率和效率的苛刻要求，多级降压收集极技术已经广泛应用于空间行波管中，结合电子光学软件对电子运动轨迹的精确分析以及实验调整，通过在收集极中放置多个电极并施加合适的电位，完成注波互作用后的电子所携带的剩余能量能够被电源系统充分回收，从而将器件效率提高到大于60％，同时也显著地减小电子撞击收集极内壁产生的热能，由于束流功率较小，无需采用液冷方式即可通过传导或辐射将热量耗散掉。与空间行波管中普遍采用低压(小于10kV)弱流(几十mA)电子束的情形不同，考虑到速调管中的工作电压高、束流功率大、群聚效应明显、电子速度零散大等因素，在宽带速调管中采用多级降压收集极更为困难，但在一些窄带应用场合中(如高能加速器)，为进一步满足系统对电源总效率的高要求，在速调管中引入功率容量大的多级降压收集极已逐渐变得迫切起来。

现有技术的多级降压收集极存在以下缺陷：

1)、由于降压收集极不可能做到对电子剩余能量的100％回收，电子剩余动能转化而来的热量仍然占总功率30～40％，在大功率脉冲或连续波速调管中，收集极内部电极发热较大，通过热辐射的方式不能很快地将热量带走。

2)、多级降压收集极各电极之间的支撑和绝缘需要使用陶瓷件实现，当温度升高时陶瓷出气严重，将会降低器件内部的真空度，造成离子回轰和阴极中毒，长时间累积将导致器件寿命缩短甚至失效。

发明内容

本公开提供了一种多级降压收集极，包括：内筒，包括：多个电极，多个电极通过多个电极隔离瓷一一隔开设置，所述多个电极用于接入不同等级的电压；其中，多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极、...、第N电极，该第一电极为空心圆筒结构，第二电极、第三电极、...、第N-1电极均为上下开口的延伸式空腔圆环结构，第N电极为凸起的斜锥结构；N≥3；油筒，其为一侧开口一侧封闭的空心圆筒结构，内筒设置于所述油筒内且与油筒内侧形成第一空腔，油筒的一侧开口处与所述第一电极固定连接。

进一步地，该多级降压收集极还包括：水套，其套设于油筒外侧，且与油筒外侧形成第二空腔，水套两端与所述油筒的两个端口处密封连接，所述第二空腔用于注入冷却水后对所述油筒进行降温。

进一步地，油筒外侧设置有多个水槽，所述水套与所述多个水槽形成冷却水流动的通路。

进一步地，第一空腔内设置绝缘油，所述绝缘油用于提高所述多个电极隔离瓷间的耐压且对所述多个电极隔离瓷进行冷却。

进一步地，多级降压收集极还包括：N-1根电极引线；该N-1根电极引线放置于所述多个电极隔离瓷的凹槽内，其一端分别与所述多个电极中的除了第一电极的其他电极连接，另一端分别穿过油筒底盖上的引线绝缘瓷内部的通孔并焊接于位于所述油筒底盖上的引线螺柱的端部。

进一步地，所述第一电极为地电极，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、....、所述第N电极的电位均不相同。

进一步地，所述水套上设置冷却水输入口及冷却水输出口。

进一步地，所述N-1根电极引线套设于引线瓷管内，所述引线瓷管用于隔离所述N-1根电极引线接触到其它电极。

进一步地，每个电极与其相邻的电极隔离瓷间均通过电极隔离瓷焊边连接。

进一步地，所述多个电极隔离瓷为氧化铝电极隔离瓷。

本公开相比现有技术至少具备以下有益效果：

(1)本公开提供的多级降压收集极，将若干金属电极和电极隔离瓷相间组成的密封收集极内筒浸泡在绝缘油中，很好地解决了电极之间以及电极对地耐压问题，并作为介质高效地将电子轰击收集极内筒壁产生的热量传导到外部的油筒壁，因而显著提高了多级降压收集极所能承受的功率。

(2)本公开提供的多级降压收集极，冷却水不与高压电极直接接触，而是通过冷却绝缘油间接降低收集极内筒的温度，这为在大功率速调管中应用多级降压收集极创造了条件，同时从根本上消除了安全隐患。

(3)本公开提供的多级降压收集极内筒区域小，且电极隔离瓷直接由绝缘油冷却，故而更加有利于改善管内真空度，实现器件的长脉冲或连续波方式工作，解决了收集极内部空间较大、热辐射相较于介质传热的效率较低的缺陷。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开一实施例的多级降压收集极的立体结构图；

图2示意性示出了根据本公开一实施例的内筒的立体结构图；

图3示意性示出了根据本公开一实施例的电极隔离瓷与电极隔离瓷焊边局部结构图；

图4示意性示出了根据本公开一实施例的油筒的立体结构图；

图5示意性示出了根据本公开一实施例的油筒的侧桶的立体结构图；

图6示意性示出了根据本公开一实施例的油筒一侧底盖的结构示意图；

图7示意性示出了根据本公开一实施例的水套的立体结构图；

图8示意性示出了根据本公开一实施例的焊边的剖视图；

图9示意性示出了根据本公开一实施例的电极引线与引线瓷管的结构示意图；

图10示意性示出了根据本公开一实施例的封油栓的立体结构图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的多级降压收集极的立体结构图。

如图1所示，该多级降压收集极100包括：

内筒1，该内筒1包括：多个电极，多个电极通过多个电极隔离瓷16一一隔开设置，所述多个电极用于接入不同等级的电压；其中，多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极、…、第N电极，该第一电极为空心圆筒结构，所述第二电极、第三电极、…、第N-1电极均为上下开口的延伸式空腔圆环结构，所述第N电极为凸起的斜锥结构；N≥3。

如图2所示，N取值4，即内筒1包括4个电极，分别为第一电极11、第二电极12、第三电极13及第四电极14，其中，第一电极11为空心圆筒结构，第二电极12与第三电极13为上下开口的延伸式空腔圆环结构，第四电极14为凸起的斜锥结构。该收集极内筒1的内部对应各电极和电极隔离瓷钎焊而成的真空密封区域，完成互作用的电子经由第一电极11的圆形开口进入收集极内部，电极的数量、截面形状和各电极电位通过仿真优化经多次迭代确定，以实现较为均匀的散布和较高的回收效率。通过第一电极11、第二电极12、第三电极13及第四电极14结构的设计与优化，目的是进一步增加电极表面积并有利于改变二次电子的运动方向。各电极均采用导热和导电性能良好的无氧铜材料加工制造，电极之间通过氧化铝材料的电极隔离瓷16在空间上分隔，由于无氧铜与陶瓷的热膨胀系数差异较大，如图3所示，二者需通过可伐材料的电极隔离瓷焊边15进行连接。电极隔离瓷16的外边缘根据电极数量开有若干个凹槽，用于放置电极引线6并起到一定限位的作用。实际装配时，要注意使电极隔离瓷16上的凹槽轴线与油筒底盖3上的引线绝缘瓷33的中心孔对正。

在多级降压收集极100的各电极设计过程，为获得良好的性能，需要准确掌握电子在进入收集极之前和之后的运动状态，一般情况下，提取高频段出口位置一个时间周期内的电子运动状态，将其作为收集极入口处的电子入射状态循环使用，之后通过电子光学计算优化得到降压收集极的形状结构和各级电压。

需说明的是，图2和图3仅为示例性的说明各电极、电极隔离瓷与电极隔离瓷焊边的结构关系图，并不构成对其他实施例中电极数量及结构的限定。

油筒2，如图4所示，其为一侧开口一侧封闭的空心圆筒结构，所述内筒1设置于该油筒2内且与所述油筒2内侧形成第一空腔，该油筒2的一侧开口处与所述第一电极11固定连接。

请参考图1和图4，并结合图5，油筒2内壁25与收集极内筒1外壁之间形成第一空腔，通过灌注绝缘油使收集极内筒1整个浸泡在其中，这不仅进一步提高了不同收集极金属电极之间的耐压值，更重要的是能够有效地对收集极进行冷却，将电子动能转化的热量传导至油筒壁，从而允许大功率速调管以高平均功率工作。在本公开的实施例中，基于简化结构的考虑，油筒2与收集极内筒1的第一电极11钎焊在一起，考虑到安全性，第一电极11优选设置为地电位。油筒2的前端台阶21放置焊边5，通过焊边5与速调管的高频段连接形成密封结构，因此该处钎焊要保证气密性。油筒2的外壁上加工出若干水槽22，在油筒2与水套4焊接成一体后形成水路，通以去离子水带走绝缘油传导出的热量。油筒2后端的定位台阶23用于限定水套4的安装位置，定位台阶24用于限定油筒底盖3的安装位置，这两处钎焊连接只需保证水密即可。

如图6所示，油筒底盖3上根据该多级降压收集极100中的电极数量焊接有若干引线绝缘瓷33和引线螺柱34，引线绝缘瓷33的作用是将各电极与收集极外壳(地电位)相隔离，与各电极连接的引线61穿过引线绝缘瓷33，尾部可通过锡焊固定到引线螺柱34的端面上，在使用时引线螺柱34通过螺母与外接电源线鼻紧固连接。油筒底盖3上还开有螺孔32，与封油栓7配合，在向由收集极内筒1外壁、油筒2内壁和油筒底盖3组成的空腔内充入绝缘油时，可将封油栓7移除以增大注油孔直径，在速调管安装或工作时，在螺孔32上旋入封油栓7以避免绝缘油因晃动或受热溢出。油筒底盖3上的台阶31与油筒2上的定位台阶24相配合钎焊为一个整体。

根据本公开的实施例，该多级降压收集极100还包括：水套4，其套设于所述油筒2外侧，且与所述油筒2外侧形成第二空腔，所述水套4两端与所述油筒2的两个端口处密封连接，所述第二空腔用于注入冷却水后对所述油筒2进行降温。

具体地，如图7所示，水套4通过台阶41与油筒2上的定位台阶23相配合经钎焊封接，水套4中的水套侧壁42与油筒2外侧形成第二空腔，水套侧壁42与油筒2外壁上的若干水槽22构成去离子冷却水流动的通路。水嘴44与水套侧壁上的水嘴座43钎焊为一体，由于油筒2外壁上水槽22的分布具有平面(通过中心轴线)对称性，两个水嘴44完全相同，可以互换作为去离子冷却水的进、出口，圆柱形水嘴44外侧加工有螺纹以确保与外部水接头的可靠连接。为提高强度，水套4可由无磁不锈钢材料加工，同时表面电镀镍层以便于钎焊。

如图8所示，焊边5为镀镍的可伐材料，作为过渡件连接高频段和收集极，使二者内部空间连通为一个整体并保证器件的真空密封性。

根据本公开的实施例，该多级降压收集极100还包括：N-1根电极引线6；所述N-1根电极引线6放置于所述多个电极隔离瓷16的凹槽内，其一端分别与所述多个电极中的除了第一电极的其他电极连接，另一端分别穿过油筒底盖3上的引线绝缘瓷33内部的通孔并焊接于位于所述油筒底盖3上的引线螺柱34的端部。

具体地，如图9所示，每根电极引线6包括：引线弯头61与引线尾部63，中间段电极引线设置于引线瓷管62内。其中，分别通过引线弯头61与第二电极至第N电极的外侧壁连接，金属引线穿过引线瓷管62放置于电极隔离瓷16的凹槽内，延伸至油筒底盖3上焊接的引线绝缘瓷33和引线螺柱34的内孔中，并在将引线尾部63穿过内孔后焊接于引线螺柱34的端部。引线瓷管62起到避免金属引线长距离裸露的作用，以及隔离各电极引线6接触到其它电极，进一步提高耐压和可靠性。

本公开的实施例中，第一电极为地电极，第一电极、第二电极、第三电极、......、第N电极的电位均不相同。优选地，第二电极至第N电极依次逐级降低，或者可以表述为逐渐接近电子进入收集极时所具有的电位。例如，若通过仿真计算完成能量交换后的电子在进入收集极时所带的电位介于-14.5kV～-28kV之间(对地)，则第二电极电位可以设置为-6.5kV左右，然后将第三电极至第N电极的电位设置为-16kV左右或以-16kV为起始值逐级降低的电位，这样与输出腔互作用后存在速度零散的电子进入收集极后，会根据其具有的不同能量而在与其能量接近的不同电极上被截获，有效避免了电子剩余能量全部转化为热能显著地降低电源总效率。需说明的是，各电极的电位设置根据实际应用需求而定，本公开对此不做限定。

如图10所示，在速调管直立的工作状态下，封油栓7通过螺纹71旋入油筒底盖3上的螺孔32内，二者之间压入密封胶圈73，防止收集极内绝缘油因受热或其它原因导致油位上升时的渗漏，中部的孔道72提供了油位变化的空间，同时作为腔内空气受热排出时的气孔。

在多级降压收集极的设计过程中，可通过仿真优化确定各电极的电位，但也需考虑实际束流状态和设计状态存在差异，在实际使用过程中，还需要通过实验对其各电极的电位进行调整才能达到最优的状态。线包聚焦速调管中的电子注直流状态通常有较大的调节余地，初始时可将多级降压收集极的各电极电位均设置为相同的地电位，先将束流通过率调整到尽可能高的值。在此基础上，经过小信号激励状态、大信号激励状态逐步提高电子注的群聚(器件的各项指标也逐渐达到设计值)，在此过程中，相应地有序调整各电极电位到合适的值，同时，还需配合改变聚焦线包中各饼线圈的电流，维持通过率在较高的数值。

此外，上述对各部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行一定的更改或替换，例如：1)可进一步将油筒与第一电极通过隔离瓷分开，在第一电极上焊接电极引线连接到油筒底盖上与之相应的引线螺柱上，在使用中设置低于零的电位，同时，收集极内筒中的电极数量不限于本公开图2所述的4个电极，其也可以为其他数量的电极，可针对具体的器件运行参数，根据计算结果进行优化后增加或减少。2)在速调管为垂直地面的立位放置时，将收集极内筒外壁、油筒内壁和油筒底盖构成的空腔用绝缘油充满之后，也可采用无中部孔道的实心封油螺栓替换原来的空心方案，使之成为完全密闭的结构，在外部循环水充分冷却绝缘油的情况下，同样能满足大功率速调管收集极散热的要求。对于某些需要速调管以平行于地面的卧式状态放置的情形，采用实心结构的封油栓能够更好地满足使用要求。

本公开提供的一种多级降压收集极，通过若干金属电极和电极隔离瓷相间组成的密封收集极内筒浸泡在绝缘油中，很好地解决了电极之间以及电极对地耐压问题，并作为介质高效地将电子轰击收集极内壁产生的热量传导到外部的油筒壁，因而显著提高了多级降压收集极所能承受的功率。使用中冷却水不与高压电极直接接触，而是通过冷却绝缘油间接降低收集极内筒的温度，这为在大功率速调管中应用多级降压收集极创造了条件，同时从根本上消除了安全隐患。

在已有的大功率速调管多级降压收集极方案中，各电极上的热量需要以热辐射的方式传递至外筒，收集极外筒内均为真空结构。与本公开实施例提供的多级降压收集极相比，该已有方案的收集极内部空间较大、热辐射相较于介质传热的效率较低，由此带来的问题是收集极内部的表面积大且温度高(即高温气源面积大)，同时考虑到电极之间必不可少的隔离瓷在高温下更容易出气，因而对速调管内维持高真空有不利影响(速调管内的电子枪区、高频段和收集极区为连通的整体)。本公开实施例提供的多级降压收集极内筒区域小，且电极隔离瓷直接由绝缘油冷却，故而更加有利于改善管内真空度，实现器件的长脉冲或连续波方式工作。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (10)

1.一种多级降压收集极，其特征在于，包括：

内筒(1)，包括：多个电极，所述多个电极通过多个电极隔离瓷(16)一一隔开设置，所述多个电极用于接入不同等级的电压；其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极、...、第N电极，所述第一电极为空心圆筒结构，所述第二电极、第三电极、...、第N-1电极均为上下开口的延伸式空腔圆环结构，所述第N电极为凸起的斜锥结构；N≥3；

油筒(2)，其为一侧开口一侧封闭的空心圆筒结构，所述内筒(1)设置于所述油筒(2)内且与所述油筒(2)内侧形成第一空腔，所述油筒(2)的一侧开口处与所述第一电极(11)固定连接。

2.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述多级降压收集极还包括：

水套(4)，其套设于所述油筒(2)外侧，且与所述油筒(2)外侧形成第二空腔，所述水套(4)两端与所述油筒(2)的两个端口处密封连接，所述第二空腔用于注入冷却水后对所述油筒(2)进行降温。

3.根据权利要求2所述的多级降压收集极，其特征在于，所述油筒(2)外侧设置有多个水槽(22)，所述水套(4)与所述多个水槽(22)形成冷却水流动的通路。

4.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述第一空腔内设置绝缘油，所述绝缘油用于提高所述多个电极隔离瓷(16)间的耐压且对所述多个电极隔离瓷(16)进行冷却。

5.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述多级降压收集极还包括：N-1根电极引线(6)；所述N-1根电极引线(6)放置于所述多个电极隔离瓷(16)的凹槽内，其一端分别与所述多个电极中的除了第一电极的其他电极连接，另一端分别穿过油筒底盖(3)上的引线绝缘瓷(33)内部的通孔并焊接于位于所述油筒底盖(3)上的引线螺柱(34)的端部。

6.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述第一电极为地电极，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、....、所述第N电极的电位均不相同。

7.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述水套(4)上设置冷却水输入口及冷却水输出口。

8.根据权利要求5所述的多级降压收集极，其特征在于，所述N-1根电极引线(6)套设于引线瓷管(62)内，所述引线瓷管(62)用于隔离所述N-1根电极引线(6)接触到其它电极。

9.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，每个电极与其相邻的电极隔离瓷(16)间均通过电极隔离瓷焊边(15)连接。

10.根据权利要求1所述的多级降压收集极，其特征在于，所述多个电极隔离瓷(16)为氧化铝电极隔离瓷。

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