l波段磁絕緣線振蕩微波功率功率功率效率研究

l波段磁絕緣線振蕩微波功率功率功率效率研究

磁極線衍射器（milo）是一種低阻正交場微波設(shè)備。主要優(yōu)點是沒有必要添加磁體。它的直接磁體由管道的內(nèi)部電流提供，這與正交磁體的流動速度有關(guān)。MILO產(chǎn)生的直流磁場阻止電子從陰極發(fā)射到陽極慢波結(jié)構(gòu)葉片上,這種自絕緣機制杜絕了陰陽極的電子擊穿,允許較高的外加電壓和較高的輸入電功率。因此,該器件在實用化方面具有較廣闊的前景。經(jīng)過多年的努力,有效地抑制了模式競爭,得到了穩(wěn)定的單模輸出微波,提高了器件的輸出功率和功率效率。同時,為了使得器件更加的緊湊,需要開展“硬管化”研究。本文從硬管化的要求出發(fā),對原有的MILO器件進行了優(yōu)化設(shè)計,其主要內(nèi)容有:(1)采用平板開槽的陶瓷絕緣子取代了錐形的尼龍絕緣子,并對相應(yīng)的屏蔽環(huán)進行了改進,以達到縮短二極管的整體長度的目的,避免二極管的耐壓不足;(2)根據(jù)改進的二極管結(jié)構(gòu),將其與器件進行整體的模擬,從而對器件進行了粒子模擬和優(yōu)化設(shè)計;(3)對微波輸出段,模式轉(zhuǎn)換與輻射天線的一體化設(shè)計,包括縮短微波輸出段的長度,減小輻射天線的口徑,并將陶瓷介質(zhì)窗取代了聚四氟乙烯天線介質(zhì)窗,從而使其達到小型化和硬管化的要求;(4)研制出了L波段硬管MILO的保真空系統(tǒng),保真空時間超過5h。1陰陽極的研究二極管主要是包括絕緣子、屏蔽環(huán)、陰極和陽極。二極管與器件密不可分,在MILO器件研究中,陽極主要是指器件的葉片,同時陰極進入了互作用區(qū),因此將陰陽極作為器件的一部分來進行研究,而對二極管的研究主要是針對絕緣子和屏蔽環(huán)的研究。在以往的MILO研究中,二極管的絕緣子通常是采用錐形的尼龍絕緣子,在圓錐頂上加屏蔽環(huán),如圖1所示。1.1陶瓷在軸向距離上的應(yīng)用為了進行小型化并考慮到耐壓的要求,減小二極管的軸向距離,采用平板型的絕緣子。為了進行硬管化,選用陶瓷作為二極管的絕緣子材料。為了增加沿面爬電距離,絕緣子采用平面開槽結(jié)構(gòu),如圖2所示。1.2雙屏蔽環(huán)式導(dǎo)電系統(tǒng)為了使得三相點的場強足夠低,確保二極管的耐壓能力能夠達到設(shè)計要求,我們設(shè)計了半球形的屏蔽環(huán),為了減輕重量,將球體掏空。根據(jù)屏蔽環(huán)的屏蔽原理,設(shè)計了雙屏蔽環(huán),以達到最大限度地降低三相點場強的目的。在設(shè)計的過程中,對不同情況、不同的球半徑進行了模擬。當(dāng)兩個半球屏蔽環(huán)的半徑均為50mm時,二極管區(qū)的徑向電場分布如圖3所示。當(dāng)所加電壓為500kV時,二極管區(qū)Er場強分布圖,此時三相點場強約為5kV/cm。1.3正常電極電壓、電流波形針對硬管化的要求,結(jié)合模擬的結(jié)果,對二極管的結(jié)構(gòu)形式、二極管絕緣子的材料等進行了大量實驗研究。圖4(a)表示正常的二極管電壓、電流波形;圖4(b)表示二極管耐壓不足時,有擊穿的電壓、電流波形。2lo結(jié)構(gòu)的模擬及結(jié)果分析主要針對6個葉片的MILO進行了粒子模擬與優(yōu)化設(shè)計。研究了葉片周期、葉片徑向尺寸、陰極半徑和與葉片的相對位置、提取間隙、電子束電壓電流等對輸出微波的影響。根據(jù)實驗條件,在420kV,36kA的條件下,輸入MILO的電壓波形為真實脈沖波形,改進MILO的結(jié)構(gòu)(如圖5所示)參數(shù)為:葉片數(shù)為6個;前2個為扼流片;第3至第5葉片為互作用葉片;最后一個葉片為提取葉片。慢波結(jié)構(gòu)周期為39mm,葉片厚度為7cm;輸出口內(nèi)外徑分別為82和143mm;采用階梯陰極,第一陰極桿半徑r=53mm,第二陰極桿半徑r=46mm。改進后得到了頻率為1.20GHz、功率為1.5GW的模擬微波輸出,模擬結(jié)果見圖6~8。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),輸出波導(dǎo)中支撐桿的位置對輸出微波有一定的影響,輸出腔間隙的大小及葉片內(nèi)徑大小對輸出微波有較大影響。原因是由于空間結(jié)構(gòu)變化,場分布也發(fā)生改變,使得電流的發(fā)射以及調(diào)制變化很大,相應(yīng)的輸出功率也發(fā)生變化。在二極管設(shè)計完成后,將二極管和器件進行了整體的模擬。圖9顯示,當(dāng)微波起振后形成了電子輪輻。圖10為微波起振后Er電場的分布。當(dāng)二極管的結(jié)構(gòu)合適時,模擬的微波輸出結(jié)果與上述一致。3輻射天線的開發(fā)3.1軸向輻射天線的設(shè)計由于MILO器件產(chǎn)生的微波模式為TM01模式,是對稱模式,不利于微波源的定向輻射,因此需要研究和設(shè)計出模式轉(zhuǎn)換器,并設(shè)計出高增益的軸向輻射天線?？紤]到高功率微波的功率容量以及一體化的要求,我們設(shè)計出了如圖11所示的軸向輻射天線。采用分區(qū)并利用介質(zhì)移向的方法,實現(xiàn)了TM01-TE11模式的轉(zhuǎn)換。移相介質(zhì)塊采用介電常數(shù)較大的尼龍。圖12為計算的遠(yuǎn)場方向圖。3.2天線冷測的遠(yuǎn)場方向一體化設(shè)計的微波輻射天線(帶模式轉(zhuǎn)換器)經(jīng)過安裝調(diào)試后,進行了實驗。圖13為冷測的天線駐波曲線。圖14為天線冷測的遠(yuǎn)場方向圖。通過比較法測試的天線增益如表1所示。圖15為天線熱測的遠(yuǎn)場方向圖,即在高功率微波輻射條件下,通過測試輻射場不同位置的功率密度,經(jīng)過歸一化處理得到的輻射天線的遠(yuǎn)場方向圖,其中兩個測試點之間相隔10°,5號位置處為0°。4保真空milo裝置針對硬管的要求,保真空系統(tǒng)主要采用了以下措施:用金屬刀口密封替代了橡皮密封;二極管絕緣子采用陶瓷金屬封接;天線窗采用陶瓷金屬封接;保真空過程中采用5只鋯泵吸氣;特殊加工的腔體外筒并帶輔助烘烤設(shè)備。雙排氣閥門保證相當(dāng)?shù)呐艢馑俣?減少抽真空時間。保真空MILO裝置,如圖16所示。表2列出了保真空MILO裝置的保真空時間實測結(jié)果。5硬管milo的聯(lián)試實驗聯(lián)合試驗的系統(tǒng)包括初級能源系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和L波段硬管MILO(包括二極管,保真空的微波器件,模式變換和輻射天線)等。表3列出了L波段硬管MILO的聯(lián)試實驗結(jié)果,此時電壓約為450kV,電流約35kA。圖17為輻射場監(jiān)測的微波信號、檢波包絡(luò)及其頻譜,頻率為單頻1.22GHz。6硬管milo保真空系統(tǒng)的研制本文從硬管化的要求出發(fā),對原有的MILO器件進行了優(yōu)化設(shè)計,采用了平板開槽的陶瓷絕緣子取代了錐形的尼龍絕緣子,改進了屏蔽環(huán),縮短了二極管的整體長度,進行了改進二極管與器件整體的模擬,優(yōu)化設(shè)計了器件,并一體化優(yōu)化設(shè)計了模式轉(zhuǎn)換與輻射天線,并將陶瓷介質(zhì)窗取代了聚四氟乙烯天線介質(zhì)窗,從而使其達到小型化