CN205900503U - 大角度陶瓷金属封装的高压、强流真空界面 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于强流加速器和脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于大角度陶瓷金属封装的高压、强流真空界面。所述真空界面包含内部中空的圆台形陶瓷、加载高压脉冲的内导体电极、外部连接法兰以及用于陶瓷金属封接的一号可伐环、二号可伐环和匹配瓷环，所述内导体电极和外部连接法兰均为不锈钢材质。本实用新型所述基于大角度陶瓷金属封装的真空界面在驱动带磁场的高功率强流负载时，能实现耐受百ns、百kV量级脉冲电压，同时提高负载的真空度水平和紧凑化程度。

Description

大角度陶瓷金属封装的高压、强流真空界面

技术领域

本实用新型属于强流加速器和脉冲功率技术领域，具体涉及一种基于大角度陶瓷金属封装的高压、强流真空界面。

背景技术

在强流加速器和脉冲功率技术领域中，强流真空界面用于隔离脉冲功率驱动源中的工作介质及电子束负载中的真空环境。该界面通常包含同轴内、外导体，以及在内外导体起支撑和绝缘作用的绝缘体。在强流加速器或强流脉冲功率驱动源运行时，真空界面内导体将加载高电压脉冲，电压等级为几百kV甚至MV量级，外导体为地电位，通流能力为几kA到数十kA。由于沿面闪络放电，真空界面往往成为高功率流的限制因素和系统设计的难点。

影响真空界面工作性能(包括绝缘特性及真空特性)的主要因素是绝缘体的材料及构型。材料方面，常以有机高分子和尼龙材料为代表，其特点是介电常数低、易加工，但放气量大，不适合应用于高真空场合。陶瓷材料由于具有出气率低、耐高温烘烤且易于和金属焊接等优点，采用陶瓷金属一体化封装的真空界面，有利于提高电子束负载的真空水平，也有利于系统的紧凑化，减少装配连接环节。构型方面，真空界面的重要功能是实现脉冲高电压的绝缘，对于采用陶瓷介质的真空界面，从加工和成品率角度，陶瓷构型多为平板型，即陶瓷沿面与功率流的方向等于或略小于90度。这种构型的陶瓷真空界面也已成功应用于驱动无磁场的电子束负载，如磁绝缘线高功率微波振荡器等。但对于有磁场的电子束负载，如相对论高功率返波管，为了避免回流电子轰击绝缘体表面，陶瓷介质需要采取大角度(钝角)设计，即陶瓷平面与功率流方向的夹角大于90度。这需要将陶瓷从“平板型”变为“圆台型”。相比于有机高分子材料和平板型陶瓷界面，大角度陶瓷金属封装的真空界面能够有效提高负载的真空度水平和紧凑化水平，并且同时适用于无磁场和有磁场的高功率、强流电子束负载。大角度陶瓷金属封装的强流真空界面作为绝缘支撑部件，可应用于强流加速器、脉冲功率系统以及高功率微波源等技术领域，具有较好的军事及工业效益。

实用新型内容

本实用新型针对有磁场的高功率、强流、高真空电子束负载需求，提出一种基于大角度陶瓷金属封装的高压、强流真空界面，有利于提高强流电子束负载的真空度和脉冲高压等级。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，包含内部中空的圆台形陶瓷、加载高压脉冲的内导体电极、外部连接法兰，内导体电极和外部连接法兰均为不锈钢材质，由于不锈钢无法直接与陶瓷焊接，所以该强流真空界面还包含用于陶瓷金属封接的可伐环和匹配瓷环。

圆台形陶瓷沿面与功率流流向所成夹角θ由静电场设计确定，陶瓷沿面长度由耐受脉冲电压等级确定，陶瓷厚度d由界面耐受的静压强度确定。

内导体电极通过一号可伐环与圆台形陶瓷上底端面实现封接，其中一号可伐环与陶瓷为 钎焊，一号可伐环与内导体电极为氩弧焊。为了保证内导体电极的封接均匀度和封接强度，在一号可伐环另一侧需焊接匹配瓷环，用于抵消封接应力。内导体前后端均有螺纹，前端螺纹用于装配电子束负载阴极均压环、阴极支座等部件，后端螺纹用于连接脉冲功率源的内导体。

外部连接法兰采用上述相同方式通过二号可伐环与圆台陶瓷下底端面实现封接，外部连接法兰开有螺纹孔或通孔，实现与脉冲功率驱动源外筒以及电子束负载阳极外壳的连接。

该真空界面实际工作时，通常一侧为脉冲功率源工作介质，如液体介质或SF₆气体，另一侧为真空环境。此外，为提高耐压水平，内导体前端螺纹还可以加装均压环等部件，用于屏蔽由可伐环引入的焊料凸起以及阻挡回流电子。

本实用新型达到的技术效果是：本实用新型所述基于大角度陶瓷金属封装的真空界面在驱动带磁场的高功率强流负载时，能实现耐受百ns、百kV量级脉冲电压，同时提高负载的真空度水平和紧凑化程度。

附图说明

图1是大角度陶瓷金属封装的真空界面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示的大角度陶瓷金属封装的高压、强流真空界面，包括中空的圆台陶瓷1，加载高压脉冲(通常大于300kV)的内导体电极2，外部连接法兰(地电极)3，用于陶瓷金属焊接的过渡金属可伐环4、6，以及匹配瓷环5。

圆台陶瓷1为95％氧化铝陶瓷，陶瓷沿面与功率流流向所成夹角θ由静电场设计确定，为了降低沿面闪络发生几率，夹角θ应保持在125°到145°之间；陶瓷沿面长度由设计的脉冲电压等级确定，取25kV/cm的平均绝缘强度，则圆台陶瓷沿面长度(单位cm)应大于等于V/25，其中V为耐受电压，单位kV。以500kV、100ns脉冲电压为例，沿面长度不应小于20cm；陶瓷厚度d由设计的耐受静压强度确定，由于是真空界面，以至少承受0.1MPa绝对压力为例，考虑安全裕度后的陶瓷厚度d不得小于9mm。

内导体电极2为不锈钢材质，根据通流能力，其外直径不小于40mm；如图1所示，圆台陶瓷1的上底端面首先与一号可伐环4实现钎焊，一号可伐环4再与内导体电极2实现氩弧焊接，最终使得圆台陶瓷1与内导体电极2实现封接，封接漏率一般要求小于5×10^-7Pa.L/s。此外，为了保证封接均匀度和封接强度，在一号可伐环4的另一侧需焊接匹配瓷环5，用于抵消封接应力。内导体前后端均有螺纹，前端螺纹21用于装配真空侧电子束负载的阴极均压环和阴极支座等部件，后端螺纹22用于连接脉冲功率源的内导体。

外部连接法兰3采用上述相同方式，首先通过二号可伐环6与圆台陶瓷1的下底端面实现钎焊，二号可伐环6再与外部连接法兰3实现氩弧焊接，最终实现外部连接法兰3与圆台陶瓷1的封接,封接漏率要求小于5×10^-7Pa.L/s。外部连接法兰3开有螺纹孔或通孔31，用于 与脉冲功率驱动源外筒以及电子束负载阳极外壳的连接装配。

基于上述方案，国防科学技术大学研制了一种大角度陶瓷金属封装的强流界面，陶瓷沿面与功率流角度θ为135°，封装后部件的整体尺寸小于Φ400×150mm，并进行了实验测试，实验获得的真空界面耐受电压大于500kV，脉冲宽度(FWHM)大于80ns；通流大于15kA，负载真空度优于5×10^-4Pa，界面运行稳定、可靠，已成功应用于驱动X波段相对论返波管。

本实用新型基于大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，采用中空的陶瓷圆台，通过可伐金属实现了陶瓷与同轴不锈钢电极的一体化封装，在驱动带磁场的高功率、强流负载时，实现耐受百ns、百kV量级脉冲电压，同时显著提高了负载的真空度水平和紧凑化程度。

Claims (5)

1.一种大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，其特征在于：所述真空界面包含内部中空的圆台形陶瓷、加载高压脉冲的内导体电极、外部连接法兰以及用于陶瓷金属封接的一号可伐环、二号可伐环和匹配瓷环，所述内导体电极和外部连接法兰均为不锈钢材质；

所述圆台形陶瓷沿面与功率流流向所成夹角θ由静电场设计确定，陶瓷沿面长度由耐受脉冲电压等级确定，陶瓷厚度d由界面耐受的静压强度确定；

内导体电极通过一号可伐环与圆台形陶瓷上底端面实现封接，其中一号可伐环与陶瓷为钎焊，一号可伐环与内导体电极为氩弧焊，在一号可伐环另一侧焊接匹配瓷环，用于抵消封接应力；

外部连接法兰采用上述一号可伐环与圆台形陶瓷上底端面相同的封接方式通过二号可伐环与圆台陶瓷下底端面实现封接。

2.一种根据权利要求1所述大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，其特征在于：所述圆台形陶瓷沿面与功率流流向所成夹角θ应保持在125°到145°之间。

3.一种根据权利要求2所述大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，其特征在于：所述圆台形陶瓷沿面与功率流流向所成夹角θ为135°。

4.一种根据权利要求1所述大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，其特征在于：所述圆台陶瓷沿面长度应大于等于V/25cm，其中V为耐受电压，单位kV。

5.一种根据权利要求1所述大角度陶瓷金属封装的强流真空界面，其特征在于：所述陶瓷厚度d不得小于9mm。