S波段5.5MW高功率脈沖磁控管

　　本文介紹了一只S波段5.5MW 高功率脈沖磁控管的研制，該磁控管主要用于電子直線(xiàn)加速器的高功率微波源。文中闡述了研制過(guò)程中一些主要技術(shù)問(wèn)題解決方案、部分模擬計算和制管測試結果。該管測試性能與e2v同類(lèi)型管對比，各項參數基本一致，可以實(shí)現無(wú)縫替代與工業(yè)化量產(chǎn)。

　　國內外電子直線(xiàn)加速器廣泛采用高功率磁控管作為微波源，中能及中能以上加速器微波源以e2v公司M5028、MG6028磁控管和速調管為主流。面向直線(xiàn)加速器應用的高功率磁控管突出特點(diǎn)是陰極發(fā)射電流密度大、脈沖寬度寬、效率較高，顛覆了以往中小功率磁控管的很多技術(shù)理念，是對國家基礎工業(yè)水平和基礎工藝技術(shù)水平的嚴峻挑戰。

　　M5028、MG6028磁控管具有高功率、低電壓、大電流、高效率、寬脈沖、精密機械與快速調諧等特點(diǎn)，具有相當卓越的射頻性能，可以說(shuō)是代表高功率磁控管設計及制造方面的最高水平。其主要用戶(hù)為瑞典ELEKTA公司的Precise和Synergy加速器，每年需求管量在1000只左右，全部為e2v公司所壟斷，全球目前尚無(wú)其他廠(chǎng)商研制成功。因此對該管的研制，不僅將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益，而且對打破國外廠(chǎng)商的壟斷具有重要意義。

1、研制方案與技術(shù)難點(diǎn)

　　E2V公司M5028與MG6028S波段5.5MW高功率磁控管技術(shù)指標如表1，均是高功率普通磁控管，采用玻璃金屬結構、玻璃輸出窗與玻璃陰極腿、氧化物陰極。如果采用與E2V公司完全一樣的結構與工藝方式，在基礎材料與工藝實(shí)現方面將受到很大的限制，影響最終的電氣參數。因此根據磁控管性能特點(diǎn)，結合國內原材料及工藝實(shí)現水平，依托北京真空電子技術(shù)研究所(BVERI)多年來(lái)軍用微波管研制的技術(shù)優(yōu)勢，針對一些技術(shù)上的難點(diǎn)重點(diǎn)，最終采用鋇鎢陰極和全金屬陶瓷結構設計，獲得成功。

表1　5.5MW 高功率脈沖磁控管主要性能指標

　　1.1、頻率的調整與控制

　　該磁控管為長(cháng)陽(yáng)極結構，且沒(méi)有隔模帶，因此陽(yáng)塊在初步裝配成形后頻率與腔體耦合情況均已固定，無(wú)法像其他磁控管一樣通過(guò)調節隔模帶對頻率進(jìn)行微調，給磁控管頻率控制帶來(lái)困難。并且為了配合加速管的工作頻率，該管的工作帶寬又非常窄，如果裝配后發(fā)現頻率不滿(mǎn)足要求，想要進(jìn)行調整，無(wú)從下手，這就對零件加工精度與裝配工藝提出了極高的要求。

　　陽(yáng)極結構如圖1所示為扇形諧振腔結構，當互作用空間的導納與對應諧振腔的導納之和為零時(shí)，整個(gè)系統處于諧振狀態(tài)。若考慮端部空間對磁控管的影響，整個(gè)系統的諧振頻率為：

圖1　磁控管陽(yáng)極示意圖　圖2　π模電場(chǎng)分布圖

　　n=0，1，2，…，N/2，其中，n=N/2時(shí)對應π模�？紤]端部空間后π模的諧振頻率為：

　　式中ω0是考慮了端部空間電容的單腔固有頻率;CΣ

　　為單腔電容和邊緣電容的總和;C″ 為葉片對陰極的電容和葉片對頂蓋的電容之和。系數P 是考慮了端部空間諧振腔的靜電感應與沒(méi)有考端部空間諧振腔的靜電感應的比值。

　　由式(1)、式(2)算出管子的諧振頻率，初步計算出陽(yáng)極諧振腔的大概尺寸。采用微波工作室進(jìn)行本征模仿真驗證，π模電場(chǎng)分布如圖2所示。

　　再將仿真出的尺寸代回公式中驗算，不斷進(jìn)行修正，最終確定了諧振腔的最佳尺寸。

　　在工藝實(shí)現上，依靠提高葉片模具的分角精度和嚴格控制零件的公差尺寸，并且設計出專(zhuān)門(mén)模具(圖3)來(lái)實(shí)現陽(yáng)塊成形后頻率的最終微調，實(shí)現了磁控管頻率的微調與控制。

圖3　頻率校準模具

　　1.2、輸出部件方案

　　E2V所有磁控管基本上采用玻璃輸出窗，但由于國內在輸能玻璃的制作、低損耗玻璃材料與封接工藝等方面跟國外相比均有相當大的差距，之前其他管型采用國內研制的玻璃窗在輸出平均功率達到某一量級后，微波損耗極大，發(fā)熱嚴重，不能滿(mǎn)足要求，需選用其他介質(zhì)，因此，需要對輸出部件進(jìn)行重新設計。最初采用的是金屬陶瓷輸出窗結構如圖4，為了實(shí)現大功率微波輸出，該磁控管輸出部件是從相間葉片上依靠6個(gè)銅柱耦合出相位相同的能量，通過(guò)內外導體、窗片，圓波導，方圓轉換器到矩形波導輸出能量。由于取能方式比較特殊，在微波工作室中其端口面無(wú)法選取，故對于該種結構的磁控管，我們不能像同軸輸出或是盒形窗那樣簡(jiǎn)單地計算窗部件的傳輸特性，而是需要將諧振腔與能量輸出鏈看做一個(gè)整體來(lái)考慮其傳輸情況。模型與駐波仿真結果如圖5、圖6所示。

　　通過(guò)不斷調整內、外導體與窗片的各種參數，確定了輸出部件的最佳幾何尺寸。在隨后冷測和低功率熱測過(guò)程中均得到了較好的結果。但在長(cháng)時(shí)間高功率熱測老煉時(shí)，多次出現了因功率過(guò)高，陶瓷窗片熱累計導致窗片炸裂的現象，使研制一度陷入困境。經(jīng)過(guò)大量調研與分析，在保證射頻性能和機械強度的前提下，針對輸出窗材料進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)，最終使得該管可以穩定可靠地工作在滿(mǎn)功率狀態(tài)。

　　此外還設計了金屬陶瓷陰極腿支撐結構以代替E2V原玻璃腿結構，增加了結構強度，提高了可靠性。

圖4　輸出部件　圖5整管冷測模型　圖6　S11仿真結果

　　1.3、燈絲陰極組件的實(shí)現

　　該磁控管為間熱式陰極結構，如圖7所示，其燈絲與陰極底金屬之間的距離非常近，需要對光絲進(jìn)行絕緣處理，但在粗絲徑燈絲上電泳Al2O3層的工藝技術(shù)尚不穩定，e2v公司也曾宣稱(chēng)其燈絲與陰極工藝為該管最核心工藝。在制管初期，由于A(yíng)l2O3層電泳不牢，燈絲與陰極底金屬相接觸而造成短路，其具體表現為通電后燈絲發(fā)熱量大，其表面電泳的Al2O3層與底絲因膨脹系數不同而發(fā)生形變、分離，最終Al2O3層龜裂而剝落，有時(shí)在排氣臺上進(jìn)行正常的陰極分解老煉都會(huì )出現燈絲陰極短路現象，一度使得該管研制陷入困境。依靠我所陰極研究室不斷進(jìn)行工藝改進(jìn)，模擬燈絲工作環(huán)境，加電近百小時(shí)，所加燈絲電流超過(guò)陰極激活所需數值，考察Al2O3層在極端使用環(huán)境下的牢固度，進(jìn)行了大量的壽命與破壞試驗。最終解決了目前國內一直困擾的粗絲徑燈絲電泳Al2O3層不牢固的難題，取得了工藝技術(shù)突破，達到了國際領(lǐng)先水平。

　　M5028、MG6028均采用鎳海綿氧化物陰極。但對于長(cháng)結構粗直徑的陰極尺寸要求，在保證陰極正常工作所需發(fā)射能力的前提下，氧化物陰極的制作存在較大難度，因此采用鋇鎢陰極進(jìn)行試驗。針對鋇鎢陰極二次電子發(fā)射能力與氧化物陰極相差較大的事實(shí)，從改進(jìn)發(fā)射體與增大發(fā)射面等方面入手，并且在提高陰極發(fā)射能力與蒸散過(guò)大的矛盾中尋找平衡點(diǎn)。經(jīng)過(guò)不斷努力與探索，最終解決了長(cháng)鋇鎢陰極的研制和加工等多方面的問(wèn)題，實(shí)現了陰極發(fā)射脈沖電流268A，發(fā)射電流密度7.3A/cm2的穩定發(fā)射，磁控管脈沖功率達到5.5MW，也使得鋇鎢陰極取代氧化物陰極方案得以順利實(shí)現，填補了國內空白。在使用壽命與陰極耐打火特性等方面更是大大超過(guò)了氧化物陰極，使整管可靠性得到極大提高。

圖7　磁控管燈絲陰極組件

2、制管結果

　　BVERI自2009年開(kāi)始此管的研制，于2012年研制出電接口、機械接口、射頻性能與M5028、MG6028完全一致的高功率脈沖磁控管(圖8、圖9)。在加電測試中，該管工作狀態(tài)穩定，冷測波形、輸出波形、頻譜均表現良好(圖10-圖12)。

圖8　E2V M5028磁控管　圖9　BVERI　S波段5.5MW 磁控管

圖10　磁控管冷測波形　圖11　磁控管輸出波形　圖12　磁控管頻譜

3、結束語(yǔ)

　　本文介紹了S波段5.5MW 高功率脈沖磁控管的研制過(guò)程及取得的成果，測試性能與e2v同類(lèi)型管對比，其各項參數基本一致，可以實(shí)現無(wú)縫替代與工業(yè)化量產(chǎn)。在工程應用中，本管作為電子直線(xiàn)加速器的高功率微波源具有廣闊的市場(chǎng)前景。