CN113948355A - 应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及高功率微波技术领域，公开了一种应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，包括：进水管、出水管、支撑结构、电子收集和能量沉积层、冷却水循环层以及冷却水回收层。本发明将同轴HPM源中的支撑结构及电子束收集极进行了一体化设计，通过支撑杆打孔及在电子束收集极表面设计螺旋水道的方式成功的将冷却水引入到同轴HPM源的内导体，能够同时实现同轴高功率微波源电子束收集极的散热及内外导体的支撑及定位；电子束收集极的散热，可有效避免收集极材料表面吸附气体的解吸附及阳极等离子体的产生，确保HPM源工作所需的真空环境，为同轴HPM的重频运行奠定了良好的技术基础。
Description
技术领域
本申请涉及高功率微波技术领域的强流电子束收集极，特别是涉及应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极。
背景技术
高功率微波(High Power Microwave,HPM)技术是一门结合电真空技术、脉冲功率技术及等离子体物理学的前沿交叉学科技术。高功率微波源是高功率微波系统的核心部件，它通过器件内部特殊设计的高频电磁结构将强流相对论电子束(IntenseRelativistic Electron Beam,IREB)的动能转化为微波能量，失能后的IREB直接轰击在电子束收集极表面。
然而，目前HPM源的能量效率普遍较低(约为20％)，IREB在束-波能量交换后仍具有较大的动能。IREB轰击电子束收集极表面后，这部分能量将直接转换为热能，导致收集极表面温度骤然升高。收集极表面温度的骤然上升会导致收集极材料表面吸附气体的解吸附甚至导致材料本身发生熔化、蒸发和汽化，而且收集极材料高温热脱附和汽化不仅会污染真空环境，更可能导致有害等离子体的产生。收集极材料表面吸附气体的热脱附将会污染HPM源的真空环境，气体分子在IREB的轰击下将会发生电离，阻碍IREB的传输，最终导致器件效率降低、脉冲缩短、模式跳变等问题；收集极表面材料的熔化、蒸发和汽化将会形成阳极等离子体源，不断发射电子和离子，这些电子和离子将会沿着磁感线往前扩散到器件束-波相互作用区，与沿着磁感线往后传播的IREB直接相撞，最终导致束流崩溃，器件完全无法工作。因此，在HPM技术领域，任何减少收集极表面热负载的措施都具有积极意义。尤其对于重频运行的HPM源，收集极的散热是实现器件高性能稳定工作的关键一环。
现有技术对于强流电子束收集极的散热，仅仅是针对空心HPM源，且只能对外导体进行散热。
而在同轴HPM源中，电子束收集极完全在内导体上，同时，内导体和外导体间仅仅通过很细的支撑杆进行连接，难以引入冷却结构，因此现有报导的同轴HPM源均未设计外部冷却结构，仅通过内导体的热传导和热辐射进行散热。这种散热方式效率较低，在重频条件下，IREB的持续轰击将会导致收集极表面温度迅速升高，最终破坏器件的正常工作状态。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，能够对重频同轴HPM源进行冷却，减少收集极表面热负载，实现收集极的散热。
应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，包括：支撑结构和冷却通道；
所述支撑结构的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体和外导体相连，所述支撑结构的另一端与同轴HPM源功率辐射系统的内导体和外导体相连；所述支撑结构上设有微波输出窗，所述微波输出窗用于输出高功率微波；
所述冷却通道包括第一流道，所述第一流道设在所述支撑结构内，所述第一流道流经所述微波输出窗周围。
在其中一个实施例中，还包括：冷却组件；
所述冷却组件的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体相连，所述冷却组件的另一端与所述支撑结构相连；
所述冷却通道还包括第二流道；所述第二流道设在所述冷却组件内，所述第二流道与所述第一流道相通，以增加冷却通道的流动路径。
在其中一个实施例中，所述第二流道包括：进水段和出水段；
所述冷却组件为筒状结构，所述冷却组件包括：
电子收集和能量沉积层；
冷却水循环层，所述电子收集和能量沉积层套设在所述冷却水循环层之外，且所述电子收集和能量沉积层和所述冷却水循环层之间形成所述进水段；以及
冷却水回收层，所述冷却水回收层套设在所述冷却水循环层之内，且所述冷却水循环层和所述冷却水回收层之间形成所述出水段；
所述进水段位于同轴HPM源束-波互作用区的一端与所述出水段位于同轴HPM源束-波互作用区的一端相通；所述进水段位于同轴HPM源功率辐射系统的一端和所述出水段位于同轴HPM源功率辐射系统的一端分别与第一流道相通。
在其中一个实施例中，所述支撑结构包括：外导体连接段、内导体连接段和支撑杆；
所述外导体连接段的一端且靠近内环的部分与同轴HPM源束-波互作用区的外导体相连，所述外导体连接段的另一端且靠近内环的部分与同轴HPM源功率辐射系统的外导体相连；所述内导体连接段的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体相连，所述内导体连接段的另一端与同轴HPM源功率辐射系统的内导体相连；
所述外导体连接段和所述内导体连接段均固定设置为环状结构；
所述外导体连接段的内环与所述内导体连接段的外环通过所述支撑杆相连，所述支撑杆的数量为多个，所述支撑杆环形间隔设在所述内导体连接段的角向，相邻的两个支撑杆之间围成所述微波输出窗；
在其中一个实施例中，还包括：水循环结构；所述水循环结构固定设在所述外导体连接段的另一端，且固定设在所述外导体连接段上靠近外环的位置，所述水循环结构的数量为两个以上，所述水循环结构包括进水管和出水管，所述进水管与所述第一流道的一端相连，所述出水管与所述第一流道的另一端相连。
在其中一个实施例中，所述第一流道固定设在所述支撑杆内；
所述第一流道包括：冷却水注入段和冷却水回流段；所述进水管与所述冷却水注入段相连，所述出水管与所述冷却水回流段相连。
在其中一个实施例中，所述电子收集和能量沉积层包括：左侧定位段、电子收集段和右侧定位段；所述左侧定位段连接到所述HPM源束-波互作用区的内导体，且固定设置为环状结构；所述电子收集段用于收集强流相对论电子束，且固定设置为中空的圆台结构；所述右侧定位段连接到所述支撑结构，且固定设置为环状结构；
所述冷却水循环层包括：左侧热量交换段和右侧冷却水进入段；所述左侧热量交换段固定设置为中空的圆台结构，且其斜边倾角与所述电子收集段的斜边倾角相等；所述右侧冷却水进入段连接到所述支撑结构，且固定设置为环状结构；所述冷却水循环层的外表面固定设有螺旋形水道，所述螺旋形水道的右侧连接到所述冷却水注入段；
所述冷却水回收层包括：左侧定位槽段、水槽段和右侧定位槽段；所述左侧定位槽与所述左侧定位段相配合；所述水槽段和所述右侧定位槽与所述支撑结构相配合；所述水槽段的外表面固定设有螺旋形水槽，所述螺旋形水槽的右侧连接到所述冷却水回流段。
在其中一个实施例中，所述进水管、所述冷却水注入段、所述冷却水回流段和所述出水管均设有两个，所述螺旋形水道为双螺旋水道，所述螺旋形水槽为双螺旋水槽。
在其中一个实施例中，所述水循环结构分为：圆环形管道段和螺纹接口段；
所述圆环形管道段连接到所述支撑结构，所述螺纹接口段连接到冷却机；
所述圆环形管道段与所述支撑结构相连的一侧设有定位台阶，所述定位台阶与水流通道相切且所述定位台阶的半径与所述圆环形管道段的外半径相等。
在其中一个实施例中，所述外导体连接段的径向截面呈矩形，且其左下侧和右下侧分别设有方形的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽用于同轴HPM源束-波互作用区的外导体的定位，所述第二凹槽用于同轴HPM源功率辐射系统的外导体的定位。
在其中一个实施例中，所述内导体连接段的径向截面呈矩形，且其左下侧和右上侧分别设有方形的第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽用于同轴HPM源束-波互作用区的内导体的定位和所述电子收集和能量沉积层的定位，所述第四凹槽用于同轴HPM源功率辐射系统的内导体的定位。
上述应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，包括支撑结构和冷却通道；支撑结构的两端分别与同轴HPM源束-波互作用区和同轴HPM源功率辐射系统相连，且支撑结构上设有微波输出窗，可以输出高功率微波；冷却通道的第一流道设在支撑结构内，且流经微波输出窗周围，可以对重频同轴HPM源进行冷却，减少收集极表面热负载，实现同轴HPM源电子束收集极的散热，保证了器件的正常工作。本申请将支撑、定位、微波输出和冷却功能集成于一体。
附图说明
图1为一个实施例中同轴三轴相对论速调管放大器的一体化结构示意图；(a)一体化结构的纵向剖面图，(b)一体化结构中支撑杆的横向剖面图；
图2为一个实施例中应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极的结构图；(a)正视图，(b)左侧视图，(c)右侧视图，(d)进水管剖面图，(e)出水管剖面图；
图3为一个实施例中水循环结构的结构图；
图4为一个实施例中支撑结构的结构图；(a)左视图，(b)右视图；
图5为一个实施例中支撑结构的剖面图；(a)支撑结构在80°及-60°的双剖面图，(b)支撑结构的横向剖面图，(c)支撑结构在60°的剖面视图，(d)支撑结构在0°的剖面视图，(e)支撑结构在-30°的剖面视图，(f)支撑结构在-75°的剖面视图；
图6为一个实施例中电子收集和能量沉积层的剖面图；
图7为一个实施例中冷却水循环层的结构图；(a)正视图，(b)剖面图，(c)左视图，(d)右视图；
图8为一个实施例中冷却水循环层的水流通道螺旋线示意图；(a)正视图，(b)左视图；
图9为一个实施例中冷却水回收层的结构图；(a)正视图，(b)剖面图；
图10为一个实施例中焊接缝位置的示意图。
附图编号：
101内导体，102外导体，103支撑组件，104反射腔，105提取腔，106电子束收集极，107强流相对论电子束，108微波输出口，109支撑部件，110微波输出窗口，201第一进水管，202第一出水管，203第二进水管，204第二出水管，205支撑结构，206电子收集和能量沉积层，207冷却水循环层，208冷却水回收层，401外导体连接段，402内导体连接段，403微波输出窗，404支撑杆，405螺栓连接孔，406水循环结构连接孔，501外导体连接段的角向剖面，502内导体连接段的角向剖面，503支撑杆的角向剖面，504第一定位孔，505第二定位孔，506冷却水回流段，507冷却水注入段，601右侧定位段，602电子收集段，603左侧定位段。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，“多组”的含义是至少两组，例如两组、三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
同轴HPM源一般分为内导体和外导体两部分，电子束收集极完全在内导体上，束-波能量交换后的IREB直接轰击内导体。三轴相对论速调管放大器(Triaxial KlystronAmplifier,TKA)是一种典型的同轴HPM源器件，这里我们以其为例进行说明。
如图1所示，同轴三轴相对论速调管放大器的一体化结构，包括：内导体101、外导体102、支撑组件103、反射腔104、提取腔105、电子束收集极106、强流相对论电子束107及微波输出口108，除支撑组件103外其余结构关于轴线(oz轴)旋转对称。支撑组件103包括：支撑部件109及微波输出窗口110。内导体101和外导体102之间通过支撑组件103进行支撑和定位，支撑组件103中支撑部件109用于承重，微波输出窗口110用于微波传输；反射腔104及提取腔105为内导体101和外导体102上所刻的环形凹槽，用于束-波能量交换；电子束收集极106为内导体101上所刻的环形凹槽，用于接收束-波能量交换后的强流相对论电子束107；微波输出口108为内导体101和外导体102间的环形空腔，用于HPM的传输。
如图2至图10所示，为本申请提供的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，在一个实施例中，包括：支撑结构205和冷却通道；支撑结构205的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体和外导体相连，支撑结构205的另一端与同轴HPM源功率辐射系统的内导体和外导体相连；支撑结构205上设有微波输出窗403，微波输出窗403用于输出高功率微波；冷却通道包括第一流道，第一流道设在支撑结构205内，第一流道流经微波输出窗403周围。
在本实施例中，支撑结构205安装在同轴HPM源束-波互作用区和同轴HPM源功率辐射系统之间，同时与两者的内导体和外导体相连。将同轴HPM源束-波互作用区称为左端，将同轴HPM源功率辐射系统称为右端。
冷却通道的第一流道设置在支撑结构205内，第一流道的横切面可以是圆形、方形、三角形等，纵切面可以是直线型、弧形、环形等，具体的冷却路径可以根据需求和实际情况进行详细设计。
外部冷却设备通过冷却通道使支撑结构205中存在水循环通路，由于支撑结构205设置在同轴HPM源束-波互作用区和同轴HPM源功率辐射系统之间且同时与两者的内导体和外导体相连，因此当水在支撑结构205中循环时，可以实现电子束收集极的冷却。外部冷却设备一般是指冷却机。
上述应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，包括支撑结构和冷却通道；支撑结构的两端分别与同轴HPM源束-波互作用区和同轴HPM源功率辐射系统相连，且支撑结构上设有微波输出窗，可以输出高功率微波；冷却通道的第一流道设在支撑结构内，且流经微波输出窗周围，可以对重频同轴HPM源进行冷却，减少收集极表面热负载，实现同轴HPM源电子束收集极的散热，保证了器件的正常工作。本申请将支撑、定位、微波输出和冷却功能集成于一体。
在一个实施例中，还包括：冷却组件；冷却组件的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体相连，冷却组件的另一端与支撑结构相连；冷却通道还包括第二流道，第二流道设在冷却组件内，第二流道与第一流道相通，以增加冷却通道的流动路径。
在本实施例中，水循环通路为：外部冷却设备→第一流道→第二流道→第一流道→外部冷却设备。
由于增加了冷却组件，且冷却组件内设有第二流道，因此增加了冷却面积，冷却效果更佳。
在一个实施例中，第二流道包括：进水段和出水段；冷却组件为筒状结构，冷却组件包括：电子收集和能量沉积层206；冷却水循环层207，电子收集和能量沉积层206套设在冷却水循环层207之外，且电子收集和能量沉积层206和冷却水循环层207之间形成进水段；以及冷却水回收层，冷却水回收层208套设在冷却水循环层207之内，且冷却水循环层207和冷却水回收层208之间形成出水段；进水段位于同轴HPM源束-波互作用区的一端与出水段位于同轴HPM源束-波互作用区的一端相通；进水段位于同轴HPM源功率辐射系统的一端和出水段位于同轴HPM源功率辐射系统的一端分别与第一流道相通。
在本实施例中，水循环通路为：外部冷却设备→第一流道→第二流道的进水段→第二流道的出水段→第一流道→外部冷却设备。
冷却组件包括三个不同的组成部分，且第二流道由部件之间的配合形成。
在一个实施例中，支撑结构205包括：外导体连接段401、内导体连接段402、支撑杆404和水循环结构；外导体连接段401的一端且靠近内环的部分与同轴HPM源束-波互作用区的外导体相连，外导体连接段401的另一端且靠近内环的部分与同轴HPM源功率辐射系统的外导体相连；内导体连接段402的一端与冷却组件相连，内导体连接段402的另一端与同轴HPM源功率辐射系统的内导体相连；外导体连接段401和内导体连接段402均固定设置为环状结构；外导体连接段401的内环与内导体连接段402的外环通过支撑杆404相连，支撑杆404的数量为多个，支撑杆404环形间隔设在内导体连接段402的角向，相邻的两个支撑杆404之间围成微波输出窗403；水循环结构固定设在外导体连接段401的另一端，且固定设在外导体连接段401上靠近外环的位置，水循环结构的数量为两个以上，水循环结构包括进水管和出水管，进水管与第一流道的一端相连，出水管与第一流道的另一端相连。
在本实施例中，水循环通路为：外部冷却设备→水循环结构的进水管→第一流道→第二流道的进水段→第二流道的出水段→第一流道→水循环结构的出水管→外部冷却设备。
在一个实施例中，第一流道固定设在支撑杆404内；第一流道包括：冷却水注入段507和冷却水回流段506；进水管与冷却水注入段507相连，出水管与冷却水回流段506相连。
水循环通路为：外部冷却设备→水循环结构的进水管→第一流道的冷却水注入段→第二流道的进水段→第二流道的出水段→第一流道的冷却水回流段→水循环结构的出水管→外部冷却设备。
本发明不限制水循环通路的数量，在实际应用时，可根据同轴HPM源收集极热量沉积量、支撑杆尺寸数量及冷却水需求量等参数灵活设计单进单出或者多进多出的螺旋形水道。
优选地，进水管、冷却水注入段507、进水段、出水段、冷却水回流段506和出水管都有两个，螺旋形水道为双螺旋水道，螺旋形水槽为双螺旋水槽，形成双进双出的水循环通路，增加了冷却路径和冷却面积，又相对容易加工，成本较低。
在本实施例中，两个进水管分别为第一进水管201和第二进水管203，两个出水管分别是第一出水管202和第二出水管204。
支撑结构205为圆盘状结构，还包括：螺栓连接孔405、水管连接孔406、第一定位孔504和第二定位孔505。其中，螺栓连接孔405用于支撑结构205与同轴HPM源束-波互作用区外导体及同轴HPM源功率辐射系统外导体的螺栓连接，水管连接孔406为水循环结构的连接孔，第一定位孔504为冷却水回收层208的定位孔，第二定位孔505为冷却水循环层207的定位孔。
为表述方便，以支撑结构205的右视图为基准建立直角坐标系，以第一出水管202及第二出水管204对应连接孔的中心线为x轴。
外导体连接段401为环状结构，其内半径为R6，外半径为R4；内导体连接段402也为环状结构，其内半径为R3，外半径为R5；微波输出窗403及支撑杆404为角向排布阵列结构，分布在半径R5至R6的圆环面上，其中，微波输出窗403为扇形结构，支撑杆404为矩形结构；螺栓连接孔405为外导体连接段401上贯穿的通孔，分布在半径R7的圆环上，其直径为φ1；水管连接孔406为外导体连接段401上的沉孔，下沉深度为L3。
微波输出窗403及支撑杆404的角向数目可以根据器件功率容量优化得到，螺栓连接孔405的角向数目可根据具体实际装配需求灵活设计，本发明均不做限制。
为增强水循环结构与支撑结构205的连接强度及密封性，水管连接孔406右侧进行了斜角设计，焊接时焊锡可完全覆盖斜角区域，加强焊接区域的机械强度；在具体加工时，外导体连接段401、内导体连接段402、微波输出窗403及支撑杆404可以采用一整块金属加工而成，仅需要在其上贯穿性的加工微波输出窗403及螺栓连接孔405，并加工水管连接孔406。
在一个实施例中，外导体连接段401的径向截面呈矩形，且其左下侧和右下侧分别设有方形的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽用于同轴HPM源束-波互作用区的外导体的定位，第二凹槽用于同轴HPM源功率辐射系统的外导体的定位。
外导体连接段401的角向剖面501为倒“凸”字形结构，长边宽度为L4，短边凸台左侧向内缩进L5，短边凸台右侧向内缩进L6，短边凸台高度为R8与R6的差值。
在一个实施例中，内导体连接段402的径向截面呈矩形，且其左下侧和右上侧分别设有方形的第三凹槽和第四凹槽，第三凹槽用于同轴HPM源束-波互作用区的内导体的定位和电子收集和能量沉积层206的定位，第四凹槽用于同轴HPM源功率辐射系统的内导体的定位。
内导体连接段402的角向剖面502为带定位槽的倒“L”字形结构，短边宽度为L7。第三凹槽的长度为L8，内半径为R9，外半径为R5；第四凹槽的长度为L9，内半径为R10，外半径为R5。
支撑杆404的角向剖面503中，支撑杆404的角向截面为矩形结构，内半径为R5，外半径为R6，宽度为L4-L5-L6。
支撑结构205的横向剖面图是沿支撑杆404在oz方向上的中心线剖开得到。支撑杆404的角向宽度为L10。
第一定位孔504分布在半径为R11的圆环上，分为结构完全相同的两组，分布在-75°及105°位置处，其直径均为φ3，下沉深度为L12；第二定位孔505分布在半径为R12的圆环上，分为结构完全相同的两组，分布在-30°及150°位置处，其直径均为φ4，下沉深度为L11；
支撑杆404内部的冷却水回流段506为支撑杆404内部的空心圆柱，分为结构完全相同的两组，分布在0°及180°位置处，其内半径为R11，外半径为R4，直径为φ5；为与冷却水回收层208的出水段相配合，支撑杆404内部的冷却水回流段506在半径为R11的一端沿逆时针方向进行共形斜角设计；支撑杆404内部的冷却水注入段507为支撑杆404内部的空心圆柱，分为结构完全相同的两组，分布在-120°及60°位置处，其内半径为R13，外半径为R4，直径为φ5；为与冷却水循环层207的进水段相配合，支撑杆404内部的冷却水注入段507在半径为R13的一端沿顺时针方向进行共形斜角设计。
在一个实施例中，电子收集和能量沉积层206包括：左侧定位段603、电子收集段602和右侧定位段601；左侧定位段603连接到HPM源束-波互作用区的内导体，且固定设置为环状结构；电子收集段602用于收集强流相对论电子束，且固定设置为中空的圆台结构；右侧定位段601连接到所述支撑结构205，且固定设置为环状结构；冷却水循环层207包括：左侧热量交换段和右侧冷却水进入段；左侧热量交换段固定设置为中空的圆台结构，且其斜边倾角与所述电子收集段602的斜边倾角相等；右侧冷却水进入段连接到支撑结构205，且固定设置为环状结构；冷却水循环层207的外表面固定设有螺旋形水道，螺旋形水道的右侧连接到冷却水注入段；冷却水回收层208包括：左侧定位槽段、水槽段和右侧定位槽段；左侧定位槽与左侧定位段603相配合；水槽段和右侧定位槽与支撑结构205相配合；水槽段的外表面固定设有螺旋形水槽，螺旋形水槽的右侧连接到冷却水回流段。
在本实施例中，应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极用于同轴HPM中IREB的收集，同时能够实现电子束收集极的散热及内外导体的支撑及定位。
电子收集和能量沉积层206中，右侧定位段601的内半径为R9，外半径为R5，长度为L13；由于同轴HPM源中电子束收集极和微波输出口间的金属结构较薄，因此右侧定位段601的左端进行了螺纹设计，以实现不同部件间的连接，所述螺纹尺寸可根据实际应用场景灵活设计，本发明不做限定；电子收集段602的斜边倾角为θ1，厚度为H1，其内部中空圆台下底半径为R9，上底半径为R17；左侧定位段603为带定位槽的环状结构，其内半径为R16，外半径为R14，长度为L15其定位槽的内半径为R16，外半径为R15，长度为L16。
冷却水循环层207的轴向长度为L17；其中，左侧热量交换段的上底半径为R17，下底半径为R9，长度为L17-L18，其内部挖有半径为R18的圆柱形空腔；右侧冷却水进入段的内半径为R18，外半径为R9，长度为L18，满足L18＝L13+L8，以保证支撑结构205、电子收集和能量沉积层206和冷却水循环层207间的紧密配合。
左侧热量交换段和右侧冷却水进入段的外表面均挖有螺旋形水道，以左侧热量交换段的外表面螺旋线为例，螺旋线起始点半径为R9，终止点半径为R17；螺旋线正视图中的倾斜角为θ1，目的是与电子收集和能量沉积层206紧密配合，提高热量交换效率；螺旋线左视图中的起始点和终止点间夹角θ2，具体可根据实际应用需求优化得到。左侧热量交换段的螺旋形水道的截面呈直角梯形结构，短边长度为H2，高为L19，斜边倾角为θ1；右侧冷却水进入段的螺旋形水道的截面也呈直角梯形结构，短边长度为H2，高为L20，斜边倾角为θ1；满足L19<L20，以确保冷却水供应充足。
在右侧冷却水进入段设有对称的第一定位销，呈圆柱状，分布在半径为R12的圆环上，分为结构完全相同的两组，分布在-30°及150°位置处，其直径均为φ4，长度为L21；满足L21<L11，以确保冷却水循环层207右表面与支撑结构205左表面紧密配合；同时，第一定位销可以确保冷却水循环层207右表面的进水段的口与支撑结构205左表面的冷却水注入段的口的位置完全固定，不会因为冷却水循环层207的角向旋转而增大水流阻力。
冷却水回收层208为圆柱状结构，其内半径为R19，外半径为R18，轴向长度为L22；左侧定位槽段的内半径为R19，外半径为R16，长度为L15；右侧定位槽段的内半径为R19，外半径为R20，长度为L7；一般取R20＝R3，以确保右侧定位槽段的上表面与支撑结构205的下表面紧密配合。
冷却水回收层208的外表面挖有水槽，水槽截面为矩形结构，其长度为L23，高度为H3；满足L23>L19，H3>H2，以确保热交换后冷却水能够通畅地流出。
在右侧定位槽段设有对称的第二定位销，呈圆柱状，分布在半径为R11的圆环上，分为结构完全相同的两组，分布在-75°及105°位置处，其直径均为φ3，长度为L24；满足L24<L12，以确保冷却水回收层208右表面与支撑结构205左表面紧密配合；同时，第二定位销可以确保冷却水回收层208右表面的出水段的口与支撑结构205左表面的水道进水冷却水回收段口的位置完全固定，不会因为冷却水回收层208的角向旋转而增大水流阻力。
在一个实施例中，水循环结构分为：圆环形管道段和螺纹接口段；圆环形管道段连接到支撑结构，螺纹接口段连接到冷却机；圆环形管道段与支撑结构相连的一侧设有定位台阶，定位台阶与水流通道相切且定位台阶的半径与圆环形管道段的外半径相等。
水循环结构左侧与支撑结构205相连，右侧与冷却机相连。
水循环结构完全相同，仅仅是根据安装位置及水流方向不同，划分为：第一进水管201、第一出水管202、第二进水管203及第二出水管204。
水循环结构的总长度为L1；圆环形管道段的内半径为R1，外半径R2；螺纹接口部分采用标准螺纹接口；定位台阶的长度为L2。R1可根据收集极冷却的进水量需求计算得到，螺纹外径及R2可根据实际设计需求灵活选取，本发明不做限定。
定位台阶的设置可以确保冷却水流动通畅，防止水循环结构与支撑结构205连接时水循环结构堵塞水流通道。
在一个实施例中，应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极包括：第一进水管201、第一出水管202、第二进水管203、第二出水管204、支撑结构205、电子收集和能量沉积层206、冷却水循环层207、冷却水回收层208。支撑结构205包括：外导体连接段401、内导体连接段402、支撑杆404和水循环结构，还包括：螺栓连接孔405、水管连接孔406、第一定位孔504和第二定位孔505。电子收集和能量沉积层206包括：左侧定位段603、电子收集段602和右侧定位段601。冷却水循环层207包括：左侧热量交换段和右侧冷却水进入段。冷却水回收层208包括：左侧定位槽段、水槽段和右侧定位槽段。
水循环通路为：外部冷却设备→第一进水管和第二进水管→第一流道的冷却水注入段→第二流道的进水段→第二流道的出水段→第一流道的冷却水回流段→第一出水管和第二出水管→外部冷却设备。
本发明的工作过程如下：将电子收集和能量沉积层206装配在同轴HPM源束-波互作用区一侧，将水循环结构装配在同轴HPM源功率辐射系统一侧，并将第一进水管201、第一出水管202、第二进水管203和第二出水管与双进双出水冷机相连；工作时，预先启动水冷机，待冷却水充分循环后启动HPM源，以保证冷却水能够充分带走IREB轰击收集极时产生的热能。
在本实施例中，应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，将同轴HPM源中的支撑结构及电子束收集极进行了一体化设计，通过支撑杆打孔及在电子束收集极表面设计螺旋水道的方式成功地将冷却水引入到同轴HPM源的内导体，首次同时实现了同轴HPM源电子束收集极的热交换散热及内外导体的支撑及定位；电子束收集极的散热，可有效避免收集极材料表面吸附气体的解吸附及阳极等离子体的产生，确保HPM源工作所需的真空环境，为同轴HPM的重频运行奠定了良好的技术基础；
而且，在整体结构两端预留了同轴HPM源束-波互作用区及同轴HPM源功率辐射系统的定位槽、连接螺纹及连接螺栓孔，具有极强的拓展性，不仅可用于本文所提及的三轴相对论速调管放大器，还能拓展至其他同轴HPM源器件；
并且，本申请将电子束水冷收集极分为水循环结构、支撑结构、电子收集和能量沉积层、冷却水循环层及冷却水回收层等部件，各部件间通过定位面、定位槽、定位销等进行连接和定位，有效确保了各部件间的紧密配合及相对位置完全固定；同时，对电子束水冷收集极外表面的所有连接缝进行了激光焊接和表面剖光处理，确保了本发明电子束水冷收集极的密封性；
最后，采用双进双出的螺旋形水道进行散热；在具体应用时，可根据同轴HPM源收集极热量沉积量、支撑杆尺寸数量及冷却水需求量等参数灵活设计单进单出、或者多进多出的螺旋形水道，提高散热冷却效率。
在一个实施例中，应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极采用无磁不锈钢、无氧铜等材料加工而成；第一进水管201、第一出水管202、第二进水管203、第二出水管204、支撑结构205、电子收集和能量沉积层206、冷却水循环层207及冷却水回收层208可分别加工，而后进行装配。
在具体装配时，可先将冷却水循环层207右侧的第一定位销与支撑结构205左侧的第二定位孔505对齐装配；而后，将冷却水回收层208右侧的第二定位销与支撑结构205左侧的第一定位孔504对齐装配；之后，装配电子收集和能量沉积层206，确保电子收集和能量沉积层206外表面与支撑结构205内导体的外表面平齐；同时，确保电子收集和能量沉积层206的左侧定位段603的定位槽的左表面与冷却水回收层208的左表面平齐；上述两个平齐的配合可以保证支撑结构205、电子收集和能量沉积层206、冷却水循环层207及冷却水回收层208间的紧密配合，尽可能地避免冷却水从配合面间溢出；进一步，由于HPM源为电真空器件，本文所述的一种应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极在实际使用时，由于压力不匹配，支撑结构205、电子收集和能量沉积层206、冷却水循环层207及冷却水回收层208间的配合面间将不可避免的有水流溢出，破坏器件的真空环境；基于此，对支撑结构205和电子收集和能量沉积层206的连接处，支撑结构205和冷却水回收层208的连接处、电子收集和能量沉积层206和冷却水回收层208的连接处进行了激光焊接操作，激光焊接后又进行了剖光，以保证表面光洁度及密封性；最后，将第一进水管201、第一出水管202、第二进水管203、第二出水管204焊接在支撑结构205的对应位置；值得注意的是，定位台阶在焊接时需要放置在水管连接孔406的大半径位置处，以确保定位台阶不会阻碍冷却水流动。
由于加工问题，支撑杆404内部的冷却水回流段506及冷却水注入段507必须从支撑结构205最外侧进行沉孔加工，冷却水可能从支撑杆404内部的冷却水回流段506及冷却水注入段507半径大于R7的一端流出；为保证本文中应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极的密封性，需要设计四段密封塞进行密封；四段密封塞为结构完全相同的实心圆柱体，其直径为φ5，长度为R4-R7-φ2/2；在具体使用时，将四段密封塞从支撑杆404内部的冷却水回流段506及冷却水注入段507的半径为R4的一端塞入，而后采用激光焊接进行密封。
如图10所示，焊接缝1为电子收集和能量沉积层206和冷却水回收层208的连接缝，焊接缝2为支撑结构205和电子收集和能量沉积层206的连接缝，焊接缝3为支撑结构205和冷却水回收层208的连接缝，焊接缝4为支撑结构205和水循环结构的连接缝，焊接缝5为密封塞与支撑结构205的连接缝；焊接缝1、焊接缝2、焊接缝3和焊接缝5采用激光焊接而后进行抛光，既能保证本发明的密封性、表面光洁度，又能避免氩弧焊高温导致焊接缝表面变形。由于水循环结构为器件外侧孤立的部件，在运输及装配过程中容易受外力干扰而脱落，因此支撑结构205和水循环结构的连接缝处设计了焊锡槽，焊接缝4采用焊锡进行焊接以加强其机械强度。
在一个实施例中，提供了一种应用于X波段TKA的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极(相应的尺寸为：R1＝2.5mm，R2＝4mm，R3＝24mm，R4＝94mm，R5＝46mm，R6＝60mm，R7＝80mm，R8＝61.5mm，R9＝41.38mm，R10＝42mm，R11＝6.7mm，R12＝30.3mm，R13＝38.5mm，R14＝35mm，R15＝31mm，R16＝25mm，R17＝32.18mm，R18＝14mm，R19＝21.5mm，R20＝24mm，L1＝152mm，L2＝5.5mm，L3＝7.5mm，L4＝10mm，L5＝1.5mm，L6＝1.5mm，L7＝11mm，L8＝10mm，L9＝4mm，L10＝7mm，L11＝3.5mm，L12＝3.5mm，L13＝15mm，L14＝23mm，L15＝12mm，L16＝2.5mm，L17＝48mm，L18＝25mm，L19＝2.78mm，L20＝5mm，H1＝1.5mm，H2＝1.73mm，H3＝2.5mm,φ1＝9mm，φ2＝8mm，φ3＝2mm，φ4＝3mm，φ5＝5mm，θ1＝21.8°，θ2＝96°)。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，包括：支撑结构(205)和冷却通道；
所述支撑结构(205)的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体和外导体相连，所述支撑结构(205)的另一端与同轴HPM源功率辐射系统的内导体和外导体相连；所述支撑结构(205)上设有微波输出窗(403)，所述微波输出窗(403)用于输出高功率微波；
所述冷却通道包括第一流道，所述第一流道设在所述支撑结构(205)内，所述第一流道流经所述微波输出窗(403)周围。
2.根据权利要求1所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，还包括：冷却组件；
所述冷却组件的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体相连，所述冷却组件的另一端与所述支撑结构(205)相连；
所述冷却通道还包括第二流道；所述第二流道设在所述冷却组件内，所述第二流道与所述第一流道相通，以增加所述冷却通道的流动路径。
3.根据权利要求2所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述第二流道包括：进水段和出水段；
所述冷却组件为筒状结构，所述冷却组件包括：
电子收集和能量沉积层(206)；
冷却水循环层(207)，所述电子收集和能量沉积层(206)套设在所述冷却水循环层(207)之外，且所述电子收集和能量沉积层(206)和所述冷却水循环层(207)之间形成所述进水段；以及
冷却水回收层(208)，所述冷却水回收层(208)套设在所述冷却水循环层(207)之内，且所述冷却水循环层(207)和所述冷却水回收层(208)之间形成所述出水段；
所述进水段位于同轴HPM源束-波互作用区的一端与所述出水段位于同轴HPM源束-波互作用区的一端相通；所述进水段位于同轴HPM源功率辐射系统的一端和所述出水段位于同轴HPM源功率辐射系统的一端分别与第一流道相通。
4.根据权利要求1所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述支撑结构(205)包括：外导体连接段(401)、内导体连接段(402)、支撑杆(404)和水循环结构；
所述外导体连接段(401)的一端且靠近内环的部分与同轴HPM源束-波互作用区的外导体相连，所述外导体连接段(401)的另一端且靠近内环的部分与同轴HPM源功率辐射系统的外导体相连；所述内导体连接段(402)的一端与同轴HPM源束-波互作用区的内导体相连，所述内导体连接段(402)的另一端与同轴HPM源功率辐射系统的内导体相连；
所述外导体连接段(401)和所述内导体连接段(402)均固定设置为环状结构；
所述外导体连接段(401)的内环与所述内导体连接段(402)的外环通过所述支撑杆(404)相连，所述支撑杆(404)的数量为多个，所述支撑杆(404)环形间隔设在所述内导体连接段(402)的角向，相邻的两个支撑杆(404)之间围成所述微波输出窗(403)；
所述水循环结构固定设在所述外导体连接段(401)的另一端，且固定设在所述外导体连接段(401)上靠近外环的位置，所述水循环结构的数量为两个以上，所述水循环结构分为进水管和出水管，所述进水管与所述第一流道的一端相连，所述出水管与所述第一流道的另一端相连。
5.根据权利要求4所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述第一流道固定设在所述支撑杆(404)内；
所述第一流道包括：冷却水注入段(507)和冷却水回流段(506)；所述进水管与所述冷却水注入段(507)相连，所述出水管与所述冷却水回流段(506)相连。
6.根据权利要求5所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述电子收集和能量沉积层(206)包括：左侧定位段(603)、电子收集段(602)和右侧定位段(601)；所述左侧定位段(603)连接到所述HPM源束-波互作用区的内导体，且固定设置为环状结构；所述电子收集段(602)用于收集强流相对论电子束，且固定设置为中空的圆台结构；所述右侧定位段(601)连接到所述支撑结构(205)，且固定设置为环状结构；
所述冷却水循环层(207)包括：左侧热量交换段和右侧冷却水进入段；所述左侧热量交换段固定设置为中空的圆台结构，且其斜边倾角与所述电子收集段(602)的斜边倾角相等；所述右侧冷却水进入段连接到所述支撑结构(205)，且固定设置为环状结构；所述冷却水循环层(207)的外表面固定设有螺旋形水道，所述螺旋形水道的右侧连接到所述冷却水注入段(507)；
所述冷却水回收层(208)包括：左侧定位槽段、水槽段和右侧定位槽段；所述左侧定位槽与所述左侧定位段(603)相配合；所述水槽段和所述右侧定位槽与所述支撑结构(205)相配合；所述水槽段的外表面固定设有螺旋形水槽，所述螺旋形水槽的右侧连接到所述冷却水回流段(506)。
7.根据权利要求6所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述进水管、所述冷却水注入段(507)、所述冷却水回流段(506)和所述出水管均设有两个，所述螺旋形水道为双螺旋水道，所述螺旋形水槽为双螺旋水槽。
8.根据权利要求4至7任一项所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述水循环结构包括：圆环形管道段和螺纹接口段；
所述圆环形管道段连接到所述支撑结构(205)，所述螺纹接口段连接到冷却机；
所述圆环形管道段与所述支撑结构(205)相连的一侧设有定位台阶，所述定位台阶与水流通道相切且所述定位台阶的半径与所述圆环形管道段的外半径相等。
9.根据权利要求4至7任一项所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述外导体连接段(401)的径向截面呈矩形，且其左下侧和右下侧分别设有矩形的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽用于同轴HPM源束-波互作用区的外导体的定位，所述第二凹槽用于同轴HPM源功率辐射系统的外导体的定位。
10.根据权利要求4至7任一项所述的应用于重频同轴高功率微波源的强流电子束水冷收集极，其特征在于，所述内导体连接段(402)的径向截面呈矩形，且其左下侧和右上侧分别设有矩形的第三凹槽和第四凹槽，所述第三凹槽用于同轴HPM源束-波互作用区的内导体的定位和所述电子收集和能量沉积层(206)的定位，所述第四凹槽用于同轴HPM源功率辐射系统的内导体的定位。
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