一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构

摘要

本发明公开了一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构，目的是提高强流二极管长时间保真空能力和耐受工作电压。本发明由阴极座、第一均压罩、第二均压罩、内导体、第一可伐环、锥角绝缘体、瓷环、第二可伐环、第一法兰、第二法兰、强流二极管外筒组成；阴极座、第一均压罩、第二均压罩、内导体、第一可伐环、锥角绝缘体、瓷环、第二可伐环、第一法兰位于强流二极管外筒内部，锥角绝缘体右端通过第一可伐环封装阴极座和瓷环，左端通过第二可伐环封装第一法兰，实现一体化封装；本发明通过合理设计锥角绝缘体、均压罩等电场屏蔽结构，优化表面电场和沿面磁场分布，降低界面沿面闪络几率，提高强流二极管长时间保真空能力和耐受工作电压。

说明书

技术领域

本发明属于强流加速器和脉冲功率技术领域，具体涉及一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构。

背景技术

强流二极管是强流加速器和脉冲功率技术领域的关键部件之一，用于产生强流相对论带电粒子束。强流二极管真空界面用于隔离脉冲驱动源中的液体工作介质与粒子束负载真空环境，通常包括同轴内导体、外导体、内外导体间起支撑与绝缘作用的绝缘体、起屏蔽与均压作用的均压结构。在强流粒子束发射之前，该真空界面通常将承受几百kV甚至MV量级的脉冲电压。由于沿面闪络放电，强流二极管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。

影响强流二极管真空界面工作性能(包括绝缘特性与真空特性)的主要因素是绝缘体的材料与真空界面构型。绝缘体材料方面，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强流二极管真空界面有利于提高电子束负载真空水平和系统紧凑化水平，减少装配连接环节。真空界面构型方面，真空界面的重要功能是绝缘脉冲高电压，对于陶瓷介质真空界面，从加工与成品率角度出发，陶瓷绝缘体构型多为平板型，即陶瓷平面与功率流方向等于或略小于90度。该种构型的强流二极管陶瓷真空界面也已成功应用于驱动无磁场的高功率微波源电子束负载，如磁绝缘线高功率微波振荡器。对于有磁场的高功率微波源电子束负载，如相对论高功率返波管，为避免回流电子轰击陶瓷绝缘体表面，陶瓷介质需要采取大角度(锥角)设计，即陶瓷平面与功率流方向大于90度，要求陶瓷绝缘体构型从“平板型”变为“圆台型”。相比于有机高分子材料和平板型陶瓷真空界面，大角度锥角陶瓷金属一体化封装的真空绝缘界面能够有效提高负载真空度水平和紧凑化程度，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。大角度锥角陶瓷金属一体化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，但目前尚未有相关技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对驱动有磁场高功率微波源的高真空强流二极管实际应用需求，提出一种强流二极管锥角陶瓷封装真空界面绝缘结构，通过合理设计锥角陶瓷绝缘体、均压罩等电场屏蔽结构，优化表面电场和沿面磁场分布，降低界面沿面闪络几率，提高驱动有磁场高功率微波源的强流二极管长时间保真空能力和耐受工作电压。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明由阴极座、第一均压罩、第二均压罩、内导体、第一可伐环、锥角绝缘体、瓷环、第二可伐环、第一法兰、第二法兰、强流二极管外筒组成。本发明为旋转轴对称结构，定义阴极座的中心轴为旋转对称轴OO'；靠近内导体的一端为左端，靠近第二均压罩的一端为右端；靠近旋转对称轴OO'的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO'的一侧为外侧。第二法兰左端通过螺纹孔外接脉冲功率驱动源外导体，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒左端连接；阴极座、第一均压罩、第二均压罩、内导体、第一可伐环、锥角绝缘体、瓷环、第二可伐环、第一法兰均位于强流二极管外筒内部。内导体左端通过爪状结构外接脉冲功率驱动源内导体，右端与阴极座通过螺纹连接；阴极座右端与第一均压罩左端通过螺纹连接；第一均压罩右端与第二均压罩左端通过螺纹连接；第二均压罩工作时，右端外接强流二极管阴极发射体；第一可伐环外侧表面通过钎焊连接瓷环内表面和左端面，第一可伐环内表面通过氩弧焊连接阴极座外表面；第二可伐环外表面通过氩弧焊连接第一法兰内表面；锥角绝缘体右端面和右端面内表面与第一可伐环外表面通过钎焊连接，左端面和左端面外表面与第二可伐环内表面通过钎焊连接，锥角绝缘体右端通过第一可伐环封装阴极座和瓷环，锥角绝缘体左端通过第二可伐环封装第一法兰，最终实现锥角绝缘体为主体，阴极座、第一可伐环、瓷环、第二可伐环、第一法兰为辅助部分的一体化封装。第一法兰左端通过螺纹孔与第二法兰连接，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒连接。

阴极座、第一均压罩、第三均压罩、内导体、第一法兰、第二法兰和强流二极管外筒采用无磁不锈钢材料，第一可伐环和第二可伐环采用可伐合金(即4J29和4J44型铁镍钴合金)，锥角绝缘体和瓷环采用氧化铝陶瓷材料。

锥角绝缘体为中空圆台形结构，右端面内半径R₁满足R₁＝R₅+Δ₁，R₅为阴极座第一圆柱半径，Δ₁为形变余量，Δ₁一般取1～2mm，右端面外半径R₂满足R₂＝R₁+D₁，D₁为锥角绝缘体侧壁厚度，由耐受静压强度P确定，耐受静压强度P一般大于1MPa绝对压力，厚度D₁满足关系D₁≥15mm；左端面外半径为R₃，等于第二法兰内半径，左端面内半径为R₄，满足R₄＝R₃-0.5D₁。为方便描述，规定锥角绝缘体表面为其与右侧真空环境接触面，沿面方向为锥角绝缘体圆台结构母线方向。锥角绝缘体侧壁沿面与功率流流向(用表示)所成夹角θ₁由静电场分布确定，为降低沿面闪络发生几率，夹角θ₁应满足以下原则：强流二极管外筒(11)内部电力线沿OO’轴对称分布，OO’轴同侧的电力线与锥角绝缘体(6)沿面夹角θ₂成45°、锥角绝缘体(6)沿面附近磁力线平行锥角绝缘体(6)沿面方向、锥角绝缘体(6)沿面最大电场强度小于30kV/cm且电场沿面分布尽量均匀，实际设计中θ₁应保持在125°到145°之间；沿面长度L₁由本发明所封装的强流二极管工作脉冲高电压V和锥角绝缘体6的耐受电场强度E(一般取值在40～60kV/cm，根据实际应用条件选取)确定，满足关系L₁≥V/E。

阴极座由第一圆柱和第二圆柱同轴连接而成，第一圆柱半径为R₅，长度为L₂；第二圆柱半径为R₆，长度为L₃。R₅根据流通电流大小确定，一般不小于40mm，L₂满足能够有效固定锥角绝缘体并方便装配即可，一般满足关系L₂＝8Δ₁；R₆根据屏蔽阴极三结合点区域(阴极座、真空与锥角绝缘体交界处)电场效果确定，满足关系R₆＝R₅+4Δ₁；L₃一般满足关系L₃＝10Δ₁。为优化两段圆柱结构分界处表面电场分布，第二圆柱与第一圆柱的分界处倒圆角。倒圆角参数根据静电场分析软件ANSYS(美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件是一款计算机辅助工程(CAE)软件)仿真结果选取，要求倒圆角后锥角绝缘体阴极三结合点区域沿面电场强度小于30kV/cm。第一圆柱右端中心挖有第一螺纹孔，第一螺纹孔内插有均压罩左端；第二圆柱左端中心挖有第二螺纹孔，第二螺纹孔内插有内导体右端。考虑焊接形变因素，第一圆柱右端外表面切除一个圆环，圆环厚度h₁满足关系h₁＝1.5Δ₁，长度l₁满足关系l₁＝5Δ₁。

第一均压罩由第三圆柱和第四圆柱同轴连接而成。第三圆柱半径为R₇，长度为L₄；第四圆柱半径为R₈，长度为L₅。第三圆柱左端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R₇₁、内半径为R₇₃、长度为L₄₁的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R₇₂、内半径为R₇₃、长度为L₄₂的圆环，使得中心留下第一细圆柱。第三圆柱参数选取主要根据屏蔽锥角绝缘体与阴极座连接区域表面电场效果和实际装配情况，满足下列关系：R₇＝R₇₁+7Δ₁，R₇₁＝R₂+3Δ₁，R₇₂＝R₇₁-2Δ₁，R₇₃满足第一细圆柱正好插入第一螺纹孔，考虑装配实际情况，L₄＝L₂+2Δ₁，L₄₁＝L₄-2Δ₁，L₄₂＝2.5Δ₁。第四圆柱半径R₈满足关系R₈＝R₅+2Δ₁，长度L₅选取时应考虑实际装配条件，一般满足L₅＝2L₂+(2～5)Δ₁实际，第三圆柱内外表面均倒圆角，倒圆角参数根据静电场分析软件ANSYS仿真结果选取，要求倒圆角后锥角绝缘体阴极三结合点区域沿面电场强度小于30kV/cm，同时不影响锥角绝缘体表面结构。第一细圆柱外表面设置有外螺纹，第一细圆柱插到第一螺纹孔内并与第一螺纹孔螺纹连接。第四圆柱以旋转对称轴OO'为中心挖一个第一中心孔，第一中心孔半径等于R₇₃，第一中心孔深度为h₂，h₂＝L₅-2Δ₁，第一中心孔设置有内螺纹，第一中心孔内插有第二均压罩的第二细圆柱，与第二均压罩的第二细圆柱螺纹连接。

第二均压罩设计思路和第一均压罩基本一致，第二均压罩由第五圆柱和第六圆柱同轴连接而成。第五圆柱半径为R₁₀，长度为L₇；第六圆柱半径为R₁₁，长度为L₈。第五圆柱左端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R₁₀₁、内半径为R₉、长度为L₆的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R₁₀₁、内半径为R₈、长度为L₇₁的圆环，使得中心留下第二细圆柱。R₉等于第一中心孔半径，R₁₀选取以能够有效阻止阴极发射的电子回轰到锥角绝缘体表面为准，满足关系R₁₀≥R_c+1.5cm，其中R_c为外接的强流二极管阴极发射体(为圆柱形)半径；L₇选取时应兼顾优化锥角绝缘体表面电场和避免强流二极管外筒右端面和第二均压罩下游连接阴极发射区的表面电场增强，目前尚无理论公式说明，主要根据设计经验，一般取值在20～40mm之间。第五圆柱设置有倒圆角结构以优化第五圆柱表面电场分布，倒圆角选取时应保证倒角处和强流二极管外筒右端面表面电场强度小于30kV/cm。第六圆柱半径R₁₁满足关系R₁₁＝R_c+0.5Δ₁，长度L₈以不引起强流二极管外筒表面电场增强为准，一般取值在20～40mm之间。第五圆柱和第六圆柱交界面处采用斜面连接代替直角连接，减小表面电场。R₉满足第二细圆柱正好插入第一中心孔。第二细圆柱设置有外螺纹，内插到第一均压罩的第一中心孔实现螺纹连接。第六圆柱以旋转对称轴OO'为中心，挖一个第二中心孔第二中心孔内侧壁设置有内螺纹，其内插有强流二极管阴极发射体。第二中心孔直径h₃等于内插强流二极管阴极发射体螺纹直径，深度l₃略大于内插强流二极管阴极发射体螺纹长度。

内导体从左往右依次由第七圆柱、第一圆台和第八圆柱组成。第七圆柱半径为R₁₂、长度为L₉；第一圆台上底面半径为R₁₂、下底面半径为R₁₃、长度为L₁₀；第八圆柱半径为R₁₃、长度为L₁₁。第七圆柱左端设置有爪状结构内插到脉冲功率驱动源内导体(为圆柱形)，爪状结构加工方法如下：首先在第七圆柱左端以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个半径为R₁₂₁、长度为L₉₁的圆柱，之后沿圆周方向将剩余的圆环均匀分成2N份，按照间隔一份切除一份、沿旋转对称轴OO'方向分别切除长度为L₉₁的N份，N为整数，取值一般为12～24，长度L₉₁应满足关系L₉₁＝L₉-(2～5)Δ₁。第七圆柱半径R₁₂等于脉冲功率驱动源内导体(为圆柱形)半径；第一圆台侧面与OO'夹角θ₃一般取值40°～60°，下底面半径R₁₃根据实际装配需求确定，一般满足关系R₁₃＝(1.5～2)R₁₂，长度L₁₀选取时应满足关系L₁₀＝(R₁₃-R₁₂)/arctan(θ₃)；第八圆柱长度L₁₁保证爪状结构内插到外接的脉冲功率驱动源内导体右端圆环且爪状结构的左端面与脉冲功率驱动源内导体右端圆环底部平齐(脉冲功率驱动源内导体一部分是圆柱，与爪状结构连接处是圆环，圆环与圆柱相连接的地方为脉冲功率驱动源内导体右端圆环底部)，半径R₁₃需避免局部电场强度增强效应、控制阴极三结合点区域电场强度小于30kV/cm，一般取值30～50mm。第八圆柱右端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R₁₃、内半径为R₁₃₂、长度为L₁₁₁的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R₁₃₁、内半径为R₁₃₂、长度为L₁₁₂的圆环，使得中心留有第三细圆柱，半径R₁₃₂等于第二螺纹孔半径，半径R₁₃₁满足关系R₁₃₁＝R₁₃₂+2Δ₁，长度L₁₁₁取值应满足第一圆台装配时不接触锥角绝缘体，长度L₁₁₂基本等于L₁₁₁。第八圆柱右端采用倒圆角结构优化表面电场分布，倒角参数选取以静电场分析软件ANSYS仿真中大锥角绝缘体沿面电场强度小于30kV/cm为标准。第三细圆柱表面设置有外螺纹，内插到阴极座的第二螺纹孔中，与第二螺纹孔螺纹连接。

第一可伐环整体呈圆环状，从左往右依次包括第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环。第一圆环外半径为R₁₄，内半径等于R₅、长度为L₁₂₁；第二圆环外半径等于R₂、内半径等于R₅、长度为L₁₂₂；第三圆环外半径等于R₁₄，内半径等于R₅、长度为L₁₂₃；第四圆环外半径为R₁₅，内半径等于R₅，满足关系R₁₅＝R₅+0.5Δ₁，长度为L₁₂₄；第一可伐环整体长度L₁₂＝L₁₂₁+L₁₂₂+L₁₂₃+L₁₂₄，各部分长度分别为L₁₂₁＝2Δ₁、L₁₂₂＝Δ₁、L₁₂₃＝3Δ₁、L₁₂₄＝2Δ₁，R₁₄根据第一可伐环与锥角绝缘体实际装配条件选取，一般满足关系R₅＜R₁₄≤R₅+3Δ₁。第一可伐环内插有阴极座的第一圆柱，第一可伐环通过氩弧焊连接在阴极座上；第一可伐环的第一圆环内插于锥角绝缘体右端面内表面，直至第二圆环左端表面与锥角绝缘体右端面紧贴，第一可伐环的第一圆环和第二圆环通过钎焊连接在锥角绝缘体右端，使得阴极座通过第一可伐环封装在锥角绝缘体上。根据工作真空度要求，锥角绝缘体与阴极座封接处(也即与第一可伐环钎焊处)封接漏率要求小于5×10^-7Pa.L/s。第三圆环提供第二圆环所需机械支撑，第四圆环的功能是预留钎焊封装与氩弧焊封装热形变空间，满足焊接后瓷环内表面不接触第四圆环外表面即可。

瓷环为圆环状，内半径等于锥角绝缘体右端面内半径R₁，外半径等于锥角绝缘体右端面外半径R₂，长度为L₁₃＝3Δ₁。瓷环内部插有第一可伐环的第三圆环，直至瓷环左端面紧贴第二圆环右端面，瓷环与第一可伐环通过钎焊连接，进而封装到锥角绝缘体上。瓷环主要作用是保证封接均匀度和强度、抵消封接应力。

第二可伐环为圆环状，内半径等于第一法兰内半径R₁₆，外半径等于R₁₆+Δ₁，长度等于第一法兰长度L₁₄。第二可伐环套在锥角绝缘体左端面外表面上，第二可伐环右端面与锥角绝缘体左端面外表面右端平齐，第二可伐环通过钎焊与锥角绝缘体连接，使得第二可伐环固定在锥角绝缘体左端；第二可伐环外部同轴嵌套于第一法兰，第二可伐环左端面与第一法兰左端面平齐，第二可伐环外表面与第一法兰内表面通过氩弧焊接，将第二可伐环与第一法兰封装在一起；最终在锥角绝缘体左端，实现锥角绝缘体对第二可伐环和第一法兰的一体化封装。根据工作真空度要求，锥角绝缘体与第二可伐环封接处封接漏率一般要求小于5×10^-7Pa.L/s。

第一法兰为圆环状，内半径为R₁₆，外半径为R₁₇，R₁₇等于强流二极管外筒左端面第五圆环内半径R₂₁₁，长度L₁₄等于强流二极管外筒左端面第五圆环长度L₁₆₁与第六圆环处切除圆环部分长度h₄之和。第一法兰左端面设置有2个第三螺纹孔，用于与第二法兰的第四螺纹孔连接。第一法兰右端面设置有第一刀口密封槽，用于安放第一法兰与强流二极管外筒装配时使用的铜密封圈；第一法兰左端面设置有第一矩形密封槽，用于安放第一法兰与第二法兰装配时使用的氟橡圈或铜密封圈，提高系统工作真空水平。第一法兰内同轴嵌套有第二可伐环，第一法兰左端面与第二可伐环左端面平齐，第一法兰内表面与第二可伐环外表面通过氩弧焊连接。

第二法兰为圆环状，外半径为R₁₉，R₁₉等于强流二极管外筒外半径R₂₀，内半径为R₁₈，为优化锥角绝缘体与第二可伐环、第一法兰连接处表面电场，R₁₈满足关系R₁₈＝R₄-5Δ₁，长度为L₁₅，根据与左侧连接的脉冲功率驱动源外导体配合实际需求选取，一般满足关系L₁₅＝2.5Δ₁。第二法兰内表面通过倒圆角结构优化表面电场分布，倒圆角参数应满足倒角处表面电场强度小于30kV/cm。第二法兰右端面设置有第四螺纹孔，用于装配第一法兰；左端面设置有第五螺纹孔，用于与强流二极管外筒的第六螺纹孔和上游脉冲功率驱动源外导体螺纹装配连接。

强流二极管外筒整体呈圆环状，从左至右依次包括第五圆环、第六圆环、第二圆台、第七圆环和第八圆环。第五圆环外半径为R₂₀、内半径为R₂₁₁、长度为L₁₆₁；第六圆环外半径为R₂₁₂、内半径为R₂₁₃、长度为L₁₆₂；第二圆台左端面外半径为R₂₁₂，左端面内半径为R₂₁₁，右端面外半径为R₂₀，右端面内半径为R₂₁，长度为L₁₆₃，圆台侧面与旋转对称轴OO’夹角为θ₄；第七圆环外半径为R₂₀、内半径为R₂₁、长度为L₁₆₄；第八圆环外半径为R₂₀、内半径为R₂₁₄、长度为L₁₆₅，强流二极管外筒总长度为L₁₆＝L₁₆₁+L₁₆₂+L₁₆₃+L₁₆₄+L₁₆₅。第五圆环外半径R₂₀等于左端连接的脉冲驱动源外导体(为圆柱形)半径，内半径R₂₁₁满足关系R₂₁₁＝R₂₀-7.5Δ₁，长度为L₁₆₁＝5Δ₁；第六圆环左端面挖掉一外半径为R₂₁₁、内半径为R₂₁₃、长度为h₄的圆环，第六圆环外半径R₂₁₂满足关系R₂₁₂＝R₂₀-5Δ₁，内半径R₂₁₃满足关系R₂₁₃＝R₂₁₂-8Δ₁，长度L₁₆₂＝6Δ₁；第二圆台右端面内半径R₂₁满足关系R₂₁＝R₂₀-Δ₁，长度L₁₆₃满足圆台表面与中心轴OO'夹角θ₄＝45°；第七圆环长度L₁₆₄根据实际装配条件确定，一般取40～60mm；第八圆环内半径R₂₁₄满足关系R₂₁₄＝R₂₀-20Δ₁，长度L₁₆₅满足关系L₁₆₅＝5Δ₁。实际设计时应保证强流二极管外筒内部空间足够大，以预留后续放置吸气剂、真空补给泵空间和优化强流二极管外筒内部电场分布。强流二极管外筒左端面设置有与第二法兰连接的第六螺纹孔，紧靠第六螺纹孔处设置有第二矩形密封槽以安装氟橡圈密封圈。第六圆环左端设置有第二刀口密封槽，第二刀口密封槽内安装有铜密封圈，用于密封第二法兰与强流二极管外筒连接处。第八圆环设置第七螺纹孔，用于连接右侧高功率微波源。第八圆环的右端面还设置有若干抽气口方便后续抽真空等操作。

本发明在工作时，锥角绝缘体的右侧通常为真空环境，锥角绝缘体左侧为脉冲功率源工作介质，如液体或SF₆气体。

采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明以锥角绝缘体为主体结构，锥角绝缘体右端通过第一可伐环实现与阴极座、瓷环封装，锥角绝缘体左端通过第二可伐环实现与第一法兰封装，进而通过螺纹结构实现强流二极管陶瓷真空界面绝缘结构一体化封装，提高了脉宽几十ns、几百kV单次脉冲和重复频率脉冲条件下强流二极管真空度水平，通过优化锥角绝缘体锥角角度、沿面长度、添加均压罩和表面倒角等措施，提高了有磁场条件下强流二极管真空界面绝缘结构沿面耐受电场强度。本发明可以有效提高有磁场、几十ns脉宽、几百kV量级重复频率脉冲高压条件下，强流二极管的真空度水平和系统整体紧凑化程度。

附图说明

图1是本发明沿OO’总体结构正向剖视示意图；

图2(a)是本发明锥角绝缘体6沿OO’正向剖视图；图2(b)是电力线沿面分布半剖面图(OO’以上部分)；图2(c)是磁力线沿面分布半剖面图(OO’以上部分)；

图3是本发明阴极座1沿OO’正向剖视放大图；

图4是本发明第一均压罩2沿OO’正向剖视放大图；

图5是本发明第二均压罩3沿OO’正向剖视放大图；

图6(a)是本发明内导体4沿OO’正向剖视放大图；图6(b)是本发明内导体4左视图；

图7是本发明第一可伐环5沿OO’正向剖视放大图；

图8是本发明瓷环7沿OO’正向剖视放大图；

图9是本发明第一法兰9沿OO’正向剖视图；

图10是本发明第二法兰10沿OO’正向剖视图；

图11是本发明强流二极管外筒11沿OO’正向剖视图；

图12是本发明实验输出波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

图1是本发明沿OO’总体结构正向剖视示意图。本发明由阴极座1、第一均压罩2、第二均压罩3、内导体4、第一可伐环5、锥角绝缘体6、瓷环7、第二可伐环8、第一法兰9、第二法兰10、强流二极管外筒11组成。本发明为旋转轴对称结构，定义阴极座1的中心轴为旋转对称轴OO'；靠近内导体4的一端为左端，靠近第二均压罩3的一端为右端；靠近旋转对称轴OO'的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO'的一侧为外侧。

第二法兰10左端通过螺纹孔外接脉冲功率驱动源外导体，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒11左端连接；阴极座1、第一均压罩2、第二均压罩3、内导体4、第一可伐环5、锥角绝缘体6、瓷环7、第二可伐环8、第一法兰9均位于强流二极管外筒11内部。内导体4左端通过爪状结构4011外接脉冲功率驱动源内导体，右端与阴极座1通过螺纹连接；阴极座1右端与第一均压罩2左端通过螺纹连接；第一均压罩2右端与第二均压罩3左端通过螺纹连接；第二均压罩3工作时，右端外接强流二极管阴极发射体；第一可伐环5外侧表面通过钎焊连接瓷环7内表面和左端面，第一可伐环5内表面通过氩弧焊连接阴极座1外表面；第二可伐环8外表面通过氩弧焊连接第一法兰9内表面；锥角绝缘体6右端面601和右端面内表面602与第一可伐环5外表面通过钎焊连接，左端面603和左端面外表面604与第二可伐环8内表面通过钎焊连接，锥角绝缘体6右端通过第一可伐环5封装阴极座1和瓷环7，锥角绝缘体6左端通过第二可伐环8封装第一法兰9，最终实现锥角绝缘体6为主体，阴极座1、第一可伐环5、瓷环7、第二可伐环8、第一法兰9为辅助部分的一体化封装；第一法兰9左端通过螺纹孔与第二法兰10连接，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒11连接。

阴极座1、第一均压罩2、第三均压罩3、内导体4、第一法兰9、第二法兰10和强流二极管外筒11采用无磁不锈钢材料，第一可伐环5和第二可伐环8采用可伐合金(即4J29和4J44型铁镍钴合金)，锥角绝缘体6和瓷环7采用氧化铝陶瓷材料。

图2(a)是本发明锥角绝缘体6沿OO’正向剖视图；图2(b)是电力线沿面分布半剖面图(OO’以上部分)；图2(c)是磁力线沿面分布半剖面图(OO’以上部分)。锥角绝缘体6为中空圆台形结构，右端面内半径R₁满足R₁＝R₅+Δ₁，R₅为阴极座1第一圆柱101半径，Δ₁为形变余量，Δ₁一般取1～2mm，右端面外半径R₂满足R₂＝R₁+D₁，D₁为锥角绝缘体6侧壁厚度，由耐受静压强度P确定，耐受静压强度P一般大于1MPa绝对压力，厚度D₁满足关系D₁≥15mm；左端面外半径为R₃，等于第二法兰9内半径，左端面内半径为R₄，满足R₄＝R₃-0.5D₁。为方便描述，规定锥角绝缘体6表面为其与右侧真空环境接触面，沿面方向为锥

角绝缘体6圆台结构母线方向。锥角绝缘体6侧壁沿面与功率流流向(用表示)所成夹角θ₁由静电场分布确定，为降低沿面闪络发生几率，夹角θ₁应满足以下原则：强流二极管外筒

(11)内部电力线(用表示)沿OO’轴对称分布，OO’轴同侧的电力线与锥角绝缘体(6)

沿面夹角θ₂成45°、锥角绝缘体(6)沿面附近磁力线(用表示)平行锥角绝缘体(6)沿面方向、锥角绝缘体(6)沿面最大电场强度小于30kV/cm且电场沿面分布尽量均匀；实际设计中θ₁应保持在125°到145°之间；沿面长度L₁由本发明所封装的强流二极管工作脉冲高电压V和锥角绝缘体6的耐受电场强度E(一般取值在40～60kV/cm，根据实际应用条件选取)确定，满足关系L₁≥V/E。

图3是本发明阴极座1沿OO’正向剖视放大图；阴极座1由第一圆柱101和第二圆柱102同轴连接而成，第一圆柱101半径为R₅，长度为L₂；第二圆柱102半径为R₆，长度为L₃。R₅根据流通电流大小确定，一般不小于40mm，L₂满足能够有效固定锥角绝缘体6并方便装配即可，一般满足关系L₂＝8Δ₁；R₆根据屏蔽阴极三结合点区域100(阴极座1、真空与锥角绝缘体6交界处)电场效果确定，满足关系R₆＝R₅+4Δ₁；L₃一般满足关系L₃＝10Δ₁。为优化两段圆柱结构分界处表面电场分布，第二圆柱102与第一圆柱101的分界处103倒圆角。倒圆角参数根据静电场分析软件ANSYS仿真结果选取，要求倒圆角后锥角绝缘体6阴极三结合点区域100沿面电场强度小于30kV/cm。第一圆柱101右端中心挖有第一螺纹孔1011，第一螺纹孔1011内插有均压罩2左端；第二圆柱102左端中心挖有第二螺纹孔1021，第二螺纹孔1021内插有内导体4右端。考虑焊接形变因素，第一圆柱101右端外表面切除一个圆环，圆环厚度h₁满足关系h₁＝1.5Δ₁，长度l₁满足关系l₁＝5Δ₁。

图4是本发明第一均压罩2沿OO’正向剖视放大图；第一均压罩2由第三圆柱201和第四圆柱202同轴连接而成。第三圆柱201半径为R₇，长度为L₄；第四圆柱202半径为R₈，长度为L₅。第三圆柱201左端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R₇₁、内半径为R₇₃、长度为L₄₁的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R₇₂、内半径为R₇₃、长度为L₄₂的圆环，使得中心留下第一细圆柱2011。第三圆柱201参数选取主要根据屏蔽锥角绝缘体6与阴极座1连接区域表面电场效果和实际装配情况，满足下列关系：R₇＝R₇₁+7Δ₁，R₇₁＝R₂+3Δ₁，R₇₂＝R₇₁-2Δ₁，R₇₃满足第一细圆柱2011正好插入第一螺纹孔1011，考虑装配实际情况，L₄＝L₂+2Δ₁，L₄₁＝L₄-2Δ₁，L₄₂＝2.5Δ₁。第四圆柱202半径R₈满足关系R₈＝R₅+2Δ₁，长度L₅选取时应考虑实际装配条件，一般满足L₅＝2L₂+(2～5)Δ₁实际，第三圆柱201内外表面均倒圆角，倒圆角参数根据静电场分析软件ANSYS仿真结果选取，要求倒圆角后锥角绝缘体6阴极三结合点区域100沿面电场强度小于30kV/cm，同时不影响锥角绝缘体6表面结构。第一细圆柱2011外表面设置有外螺纹，第一细圆柱2011插到第一螺纹孔1011内并与第一螺纹孔1011螺纹连接。第四圆柱202以旋转对称轴OO'为中心挖一个第一中心孔2021，第一中心孔2021半径等于R₇₃，第一中心孔2021深度为h₂，h₂＝L₅-2Δ₁，第一中心孔2021设置有内螺纹，第一中心孔2021内插有第二均压罩3的第二细圆柱3011，与第二均压罩3的第二细圆柱3011螺纹连接。

图5是本发明第二均压罩3沿OO’正向剖视放大图；第二均压罩3设计思路和第一均压罩2基本一致，第二均压罩3由第五圆柱301和第六圆柱302同轴连接而成。第五圆柱301半径为R₁₀，长度为L₇；第六圆柱303半径为R₁₁，长度为L₈。第五圆柱301左端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R₁₀、内半径为R₉、长度为L₆的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R₁₀₁、内半径为R₈、长度为L₇₁的圆环，使得中心留下第二细圆柱3011。R₉等于第一中心孔2021半径，R₁₀选取以能够有效阻止阴极发射的电子回轰到锥角绝缘体6表面为准，满足关系R₁₀≥R_c+1.5cm，其中R_c为强流二极管阴极发射体(为圆柱形)半径；L₅选取时应兼顾优化锥角绝缘体6表面电场和避免强流二极管外筒11右端面和第二均压罩3下游连接阴极发射区的表面电场增强，目前尚无理论公式说明，主要根据设计经验。第五圆柱301设置有倒圆角结构以优化第五圆柱301表面电场分布，倒圆角选取时应保证倒角处和强流二极管外筒11右端面表面电场强度小于30kV/cm。第六圆柱302半径R₁₁满足关系R₁₁＝R_c+0.5Δ₁，长度L₈以不引起强流二极管外筒11表面电场增强为准。第五圆柱301和第六圆柱302交界面处采用斜面连接代替直角连接，减小表面电场。R₉满足第二细圆柱3011正好插入第一中心孔2021。第二细圆柱3011设置有外螺纹，内插到第一均压罩2的第一中心孔2021实现螺纹连接。第六圆柱302以旋转对称轴OO'为中心，挖一个第二中心孔3021，第二中心孔3021内侧壁设置有内螺纹，其内插有强流二极管阴极发射体。第二中心孔3021直径h₃等于内插强流二极管阴极发射体螺纹直径，深度l₃略大于内插强流二极管阴极发射体螺纹长度。

图6(a)是本发明内导体4沿OO’正向剖视放大图；图6(b)是本发明内导体4左视图；第七圆柱401半径为R₁₂、长度为L₉；第一圆台402上底面半径为R₁₂、下底面半径为R₁₃、长度为L₁₀；第八圆柱403半径为R₁₃、长度为L₁₁。第七圆柱401左端设置有爪状结构4011内插到脉冲功率驱动源内导体(为圆柱形)，爪状结构4011加工方法如下：首先在第七圆柱401左端以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个半径为R₁₂₁、长度为L₉₁的圆柱，之后沿圆周方向将剩余的圆环均匀分成2N份，按照间隔一份切除一份、沿旋转对称轴OO'方向分别切除长度为L₉₁的N份，N为整数，取值一般为12～24，长度L₉₁应满足关系L₉₁＝L₉-(2～5)Δ₁。第七圆柱401半径R₁₂等于脉冲功率驱动源内导体(为圆柱形)半径；第一圆台402上底面与侧面夹角θ₃一般取值40°～60°，下底面半径R₁₃根据实际装配需求确定，一般满足关系R₁₃＝(1.5～2)R₁₂，长度L₁₀选取时应满足关系L₁₀＝(R₁₃-R₁₂)/arctan(θ₃)；第八圆柱403长度L₁₁保证爪状结构(4011)内插到外接脉冲功率驱动源内导体右端圆环且爪状结构的左端面与脉冲功率驱动源内导体右端圆环底部平齐，半径R₁₃需避免局部电场强度增强效应、控制阴极三结合点区域100电场强度小于30kV/cm，一般取值30～50mm。第八圆柱403右端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R₁₃、内半径为R₁₃₂、长度为L₁₁₁的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R₁₃₁、内半径为R₁₃₂、长度为L₁₁₂的圆环，使得中心留有第三细圆柱4031，半径R₁₃₂等于第二螺纹孔121半径，半径R₁₃₁满足关系R₁₃₁＝R₁₃₂+2Δ₁，长度L₁₁₁取值应满足第一圆台402装配时不接触锥角绝缘体6，长度L₁₁₂基本等于L₁₁₁。第八圆柱403右端采用倒圆角结构优化表面电场分布，倒角参数选取以静电场分析软件ANSYS仿真中大锥角绝缘体6沿面电场强度小于30kV/cm为标准。第三细圆柱4031表面设置有外螺纹，内插到阴极座1的第二螺纹孔1021中，与第二螺纹孔1021螺纹连接。

图7是本发明第一可伐环5沿OO’正向剖视放大图；第一可伐环5整体呈圆环状，从左往右依次包括第一圆环501、第二圆环502、第三圆环503、第四圆环504。第一圆环501外半径为R₁₄，内半径为R₅、长度为L₁₂₁；第二圆环502外半径为R₂、内半径等于R₅、长度为L₁₂₂；第三圆环503外半径等于R₁₄，内半径等于R₅、长度为L₁₂₃；第四圆环504外半径为R₁₅，内半径等于R₅，满足关系R₁₅＝R₅+0.5Δ₁，长度为L₁₂₄；第一可伐环5整体长度L₁₂＝L₁₂₁+L₁₂₂+L₁₂₃+L₁₂₄，各部分长度分别为L₁₂₁＝2Δ₁、L₁₂₂＝Δ₁、L₁₂₃＝3Δ₁、L₁₂₄＝2Δ₁，R₁₄根据第一可伐环5与锥角绝缘体6实际装配条件选取，一般满足关系R₅＜R₁₄≤R₅+3Δ₁。阴极座1的第一圆柱101内插到第一可伐环5，通过氩弧焊接将第一可伐环5连接在阴极座1上；第一可伐环5左端通过第一圆环501内插到锥角绝缘体6右端面内表面602，直至第二圆环502左端表面与锥角绝缘体6右端面601，第一可伐环5的第一圆环501和第二圆环502通过钎焊连接锥角绝缘体6，最终在锥角绝缘体6右端，将第一可伐环5封装在锥角绝缘体6上，阴极座1通过第一可伐环5封装在锥角绝缘体6上。根据工作真空度要求，锥角绝缘体6与阴极座1(也即与第一可伐环5钎焊处)封接处封接漏率要求小于5×10^-7Pa.L/s。第三圆环503提供第二圆环502所需机械支撑，第四圆环504预留钎焊封装与氩弧焊封装热形变空间，满足焊接后瓷环7内表面不接触第四圆环504外表面即可。

图8是本发明瓷环7沿OO’正向剖视放大图；瓷环7为圆环状，内半径等于锥角绝缘体6右端面内半径R₁，外半径等于锥角绝缘体6右端面外半径R₂，长度为L₁₃＝3Δ₁。瓷环7内部插入第一可伐环5的第三圆环503，直至瓷环7左端面紧贴第二圆环502右端面，瓷环7与第一可伐环5通过钎焊连接，进而封装到锥角绝缘体6上。瓷环7主要作用是保证封接均匀度和强度、抵消封接应力。

第二可伐环8为圆环状，内半径等于第一法兰9内半径R₁₆，外半径等于R₁₆+Δ₁，长度等于第一法兰9长度L₁₄。第二可伐环8套在锥角绝缘体6左端面外表面604上，第二可伐环8右端面与锥角绝缘体6左端面外表面604平齐，第二可伐环8通过钎焊与锥角绝缘体6连接，使得第二可伐环8固定在锥角绝缘体6左端；第二可伐环8同轴嵌套于第一法兰9，第二可伐环8左端面与第一法兰9左端面平齐，第二可伐环8外表面与第一法兰9内表面通过氩弧焊接，将第二可伐环8与第一法兰9封装在一起；最终在锥角绝缘体6左端，实现锥角绝缘体6对第二可伐环8和第一法兰9的一体化封装。根据工作真空度要求，锥角绝缘体6与第二可伐环8封接处封接漏率一般要求小于5×10^-7Pa.L/s。

图9是本发明第一法兰9沿OO’正向剖视图；第一法兰9为圆环状，内半径为R₁₆，外半径为R₁₇，R₁₇等于强流二极管外筒11左端面第五圆环1101内半径R₂₁₁，长度为L₁₅，L₁₄等于强流二极管外筒11左端面第五圆环1101长度L₁₆₁与第六圆环1102处切除圆环部分长度h₄之和。第一法兰9左端面设置有2个第三螺纹孔901，用于与第二法兰10的第四螺纹孔1001连接。第一法兰9右端面设置有第一刀口密封槽902，用于安放第一法兰9与强流二极管外筒11装配时使用的铜密封圈；第一法兰9左端面设置有第一矩形密封槽903，用于安放第一法兰9与第二法兰10装配时使用的氟橡圈或铜密封圈，提高系统工作真空水平。第一法兰9内同轴嵌套有第二可伐环8，第一法兰9左端面与第二可伐环8左端面平齐，第一法兰9内表面与第二可伐环8外表面通过氩弧焊连接。

图10是本发明第二法兰10沿OO’正向剖视图；第二法兰10为圆环状，外半径为R₁₉，R₁₉等于强流二极管外筒11外半径R₂₀，内半径为R₁₈，为优化锥角绝缘体6与第二可伐环8、第一法兰9连接处表面电场，R₁₈满足关系R₁₈＝R₄-5Δ₁，长度为L₁₅，根据与左侧连接的脉冲功率驱动源外导体配合实际需求选取，一般满足关系L₁₅＝2.5Δ₁。第二法兰10内表面通过倒圆角结构优化表面电场分布，倒圆角参数应满足倒角处表面电场强度小于30kV/cm。第二法兰10右端面设置有第四螺纹孔1001，用于装配第一法兰9；左端面设置有第五螺纹孔1002，用于与强流二极管外筒11的第六螺纹孔1106和上游脉冲功率驱动源外导体螺纹装配连接。

图11是本发明强流二极管外筒11沿OO’正向剖视图；强流二极管外筒11整体呈圆环状，从左至右依次包括第五圆环1101、第六圆环1102、第二圆台1103、第七圆环1104和第八圆环1105。第五圆环1101外半径为R₂₀、内半径为R₂₁₁、长度为L₁₆₁；第六圆环1102外半径为R₂₁₂、内半径为R₂₁₃、长度为L₁₆₂；第二圆台1103左端面外半径为R₂₁₂，左端面内半径为R₂₁₁，右端面外半径为R₂₀，右端面内半径为R₂₁，长度为L₁₆₃，圆台侧面与旋转对称轴OO’夹角为θ₄；第七圆环1104外半径为R₂₀、内半径为R₂₁、长度为L₁₆₄；第八圆环1105外半径为R₂₀、内半径为R₂₁₄、长度为L₁₆₅，强流二极管外筒总长度为L₁₆＝L₁₆₁+L₁₆₂+L₁₆₃+L₁₆₄+L₁₆₅。第五圆环1101外半径R₂₀等于左端连接的脉冲驱动源外导体(为圆柱形)半径，内半径R₂₁₁满足关系R₂₁₁＝R₂₀-7.5Δ₁，长度为L₁₆₁＝5Δ₁；第六圆环1102左端面挖掉一外半径为R₂₁₁、内半径为R₂₁₃、长度为h₄的圆环，第六圆环1102外半径R₂₁₂满足关系R₂₁₂＝R₂₀-5Δ₁，内半径R₂₁₃满足关系R₂₁₃＝R₂₁₂-8Δ₁，长度L₁₆₂＝6Δ₁；第二圆台1103右端面内半径R₂₁满足关系R₂₁＝R₂₀-Δ₁，长度L₁₆₃满足圆台表面与中心轴OO'夹角θ₄＝45°；第七圆环1104长度L₁₆₄根据实际装配条件确定，一般取40～60mm；第八圆环1105内半径R₂₁₄满足关系R₂₁₄＝R₂₀-20Δ₁，长度L₁₆₅满足关系L₁₆₅＝5Δ₁。实际设计时应保证强流二极管外筒11内部空间足够大，以预留后续放置吸气剂、真空补给泵空间和优化强流二极管外筒11内部电场分布。强流二极管外筒11左端面设置有与第二法兰10连接的第六螺纹孔1106，紧靠第六螺纹孔1106处设置有第二矩形密封槽1107以安装氟橡圈密封圈。第六圆环1102左端设置有第二刀口密封槽1108，第二刀口密封槽1108内安装有铜密封圈，用于密封第二法兰9与强流二极管外筒11连接处。第八圆环1105设置第七螺纹孔1109，用于连接右侧高功率微波源。第八圆环1105的右端面还设置有若干抽气口11010方便后续抽真空等操作。

按本发明所述结构制备了一个强流二极管陶瓷封装真空界面绝缘结构(实施例1)，实现了驱动有磁场高功率微波源的强流二极管陶瓷封装真空界面绝缘结构的一体化装配。实施例1相应尺寸为：R₁＝20mm，R₂＝32mm，R₃＝151.5mm，R₄＝145.5mm，R₅＝18.5mm，R₆＝24.5mm，R₇＝47mm，R₇₁＝36.5mm，R₇₂＝33.5mm，R₇₃＝10mm，R₈＝21.5mm，R₉＝10mm，R₁₀＝106mm，R₁₀₁＝86mm，R₁₁＝30mm，R₁₂＝26mm，R₁₂₁＝25mm，R₁₃＝42mm，R₁₃₁＝26mm，R₁₃₂＝20mm，R₁₄＝20.25mm，R₁₅＝19.25mm，R₁₆＝151.5mm，R₁₇＝210mm，R₁₈＝235mm，R₁₉＝138mm，R₂₀＝235mm，R₂₁＝233.5mm，R₂₁₁＝223.75mm，R₂₁₂＝227.5mm，R₂₁＝215.5mm，R₂₁₄＝205mm，R_c＝29.25mm，L₁＝166mm，L₂＝12mm，L₃＝15mm，L₄＝15mm，L₄₁＝12mm，L₄₂＝3.75mm，L₅＝41.5mm，L₆＝8mm，L₇＝30mm，L₇₁＝15mm，L₈＝30mm，L₉＝25mm，L₉₁＝20mm，L₁₀＝33mm，L₁₁＝87mm，L₁₁₁＝9.5mm，L₁₁₂＝10mm，L₁₂＝12mm，L₁₂₁＝3mm，L₁₂₂＝1.5mm，L₁₂₃＝4.5mm，L₁₂₄＝3mm，L₁₃＝4.5mm，L₁₄＝18.5mm，L₁₅＝3.75mm，L₁₆＝72mm，L₁₆₁＝7.5mm，L₁₆₂＝9mm，L₁₆₃＝7.5mm，L₁₆₄＝40.5mm，L₁₆₅＝7.5mm，Δ₁＝1.5mm，D₁＝12mm，θ₁＝135°，θ₂＝45°，θ₃＝45°，θ₄＝45°，h₁＝2.25mm，h₂＝12mm，h₃＝10mm，h₄＝1.5mm，l₁＝7.5mm。图12是实施例1在强流二极管工作脉冲高电压V＝630kV、工作脉冲高电压重复频率10Hz、强流二极管外加磁场0.7T实验条件下示波器采集到的本发明电流电压波形图，图中C1、C2分别是电压波形和电流波形，纵坐标为幅值，每格为1V，横坐标为时间，每格为200ns。从图12中可以看出：电压、电流波形一致性与重复性很好，未出现脉宽缩短现象，电压脉宽大于60ns，换算后平均电压幅值超过630kV，未出现沿面闪络现象，高功率微波源真空度优于5×10^-4Pa，且系统整体紧凑。可见本发明提高了脉宽几十ns、几百kV单次脉冲和重复频率脉冲条件下强流二极管真空度水平，提高了有磁场条件下强流二极管真空界面绝缘结构沿面耐受电场强度。

以上所述仅是本发明的一个优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。