一种收集极组件、速调管永磁聚焦系统

摘要

本公开提供了一种收集极组件，包括：体芯段，包括：圆柱筒及锥形收口，所述圆柱筒及锥形收口一体成型，所述锥形收口用于电子注发散；延长段，其与所述体芯段同轴，包括：定位孔，所述定位孔与所述锥形收口连接，所述定位孔与所述锥形收口处形成通道，其中，所述通道用于发散后的电子注穿过至所述延长段进行二次发散。本公开还提供了一种速调管永磁聚焦系统。

说明书

技术领域

本公开涉及收集极组件工装设计领域，具体涉及一种收集极组件、速调管永磁聚焦系统。

背景技术

随着波长缩短，Ka波段(26.5GHz-40GHz)速调管研制面临着部件几何尺寸缩小、热耗散平衡困难、功率容量下降、元件加工困难等技术问题，国际上对Ka波段速调管的研制多数集中在几kW以下的脉冲或连续波器件，目前见报道研制成功的Ka波段扩展互作用速调管(EIK)最大峰值功率输出在20kW左右。近年来，相关气象雷达、材料处理、深空探测、微波武器系统和计量技术对Ka波段速调管100kW及更高输出功率电平提出了新的需求，Ka波段速调管各个部件的研制都由此面临新的挑战。

速调管通常由电子枪、聚焦系统、高频电路、输能装置、收集极以及钛泵等部件组成。其中，收集极部件的作用是收集经高频电路互作用后发散的电子注，将电子注的动能转换成热能，并通过外部冷却媒质带走，其结构形式、几何尺寸和冷却方式对速调管的可靠性、体积、质量和寿命等性能指标有重要影响。

在Ka波段，由于器件尺寸小而紧凑，π型永磁聚焦系统是一种合理选择，由双磁极构成的聚焦回路除了在高频电路区产生所需的主磁场外，还会分别在电子枪区域和收集极区域具有很强的反磁场，如图1所示，通过在收集极区设计磁屏圆筒加以屏蔽，反磁场强度仍可以达到主磁场的1/4至1/3。电子枪区可以通过设计和选择阴极面处于合适的磁场强度位置避免反磁场影响，而收集极区的反磁场则无法完全消除，可能会滞后电子注的发散，甚至引起二次聚焦导致电子注在收集极内表面着陆的能量密度增加，影响收集极冷却和功率承受能力。Ka波段速调管收集极的设计，一方面通过增加收集极磁屏筒长度来屏蔽部分反磁场，将收集极区的反磁场强度降低到合适的范围之内；另一方面将收集极顶端适当延长到与磁屏筒长度相近，通过兼容体积重量不过渡增长和便于收集极水路及接口设计和安装(磁屏筒内空间狭小)。

现有技术中的收集极存在如下技术缺陷：

1)当Ka波段速调管输出功率提升、所需主磁场增强的情况下，增加收集极磁屏筒长度的方式难以将收集极区域的反磁场屏蔽到足够低的安全范围，收集极内仍可能发生电子注二次聚焦，可能引起材料烧蚀或熔穿，因此现有收集极设计的结构功率承受能力受限。

2)收集极顶端延长后，拉长了电子注的发散空间，圆柱形电子注内部靠近中心部分的电子得不到及时回收，受反磁场作用击打在内壁上产生二次电子和反射电子的几率高，可能增加由返回电子引起的速调管振荡和工作不稳定性。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种收集极组件、速调管永磁聚焦系统，通过将收集极圆柱形内壁在前半部分设置锥面收口，使多数电子注在锥面附近均匀发散，以确保电子注中心为数不多的高能电子穿过从而不会在此处着陆能量密度集中，避免造成材料烧蚀或熔穿的问题。

本公开的一个方面提供了一种收集极组件，包括：体芯段，包括：圆柱筒及锥形收口，所述圆柱筒及锥形收口一体成型，所述锥形收口用于电子注发散；延长段，其与所述体芯段同轴，包括：定位孔，所述定位孔与所述锥形收口连接，所述定位孔与所述锥形收口处形成通道，其中，所述通道用于发散后的电子注穿过至所述延长段进行二次发散。

进一步地，该收集极组件还包括：水套筒，其套设于所述体芯段及所述体芯段外侧，并与所述体芯段及所述体芯段外侧形成空腔，所述空腔用于注入冷却介质对所述体芯段及所述体芯段进行冷却处理。

进一步地，水套筒包括：同轴设置的内套筒和外套筒，所述内套筒与所述体芯段及所述延长段外侧形成第一空腔，所述外套筒与所述内套筒外侧形成第二空腔。

进一步地，体芯段外侧设置多个沟槽，所述多个沟槽与所述水套筒间形成多个冷却通道。

进一步地，所述锥形收口与所述定位孔通过焊料槽套密封焊接。

进一步地，水套筒为双层金属光面圆柱形薄筒。

进一步地，所述内套筒的筒壁上设置至少一个内筒通孔，所述外套筒的筒壁上设置至少两个外筒通孔。

进一步地，所述内筒通孔与所述外筒通孔一端均设置水路接口。

进一步地，体芯段的长度与所述延长段的长度不同。

本公开的另一个方面提供了一种速调管永磁聚焦系统，包括：如本公开第一个方面提供的收集极组件。。

本公开提供的一种收集极组件、速调管永磁聚焦系统，通过收集极体芯段锥面收口的合理设置确保电子注得到充分地发散，及延长段配合缓解电子注轴线附近高能电子的着陆集中，同时降低了二次电子和反射电子的不利影响。本公开既能满足在延长收集极磁屏筒情况下对收集极组件总长度的要求，又能在最大程度上实现发散电子注及时有效截获和充分冷却，有效降低了现有技术中收集极部件在反磁场过高情况下电子注二次聚焦可能引起的局部过热、烧蚀乃至熔穿的风险，提升了收集极组件的承受功率量级，保证了速调管工作的稳定性。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了Ka波段100kW脉冲速调管永磁聚焦系统的轴向磁场分布曲线图；

图2示意性示出了Ka波段100kW脉冲速调管永磁聚焦系统在现有技术中收集极条件下的电子光学轨迹图；

图3示意性示出了本公开实施例的收集极组件结构示意图；

图4示意性示出了本公开实施例的体芯段的横向剖视截面图；

图5示意性示出了本公开实施例的体芯段从A-A方向的示意图；

图6示意性示出了本公开实施例的延长段的横向剖视截面图；

图7示意性示出了本公开实施例的延长段从B-B方向的示意图；

图8示意性示出了本公开实施例的收集极组件中水套筒横向剖视截面图；

图9示意性示出了本公开实施例的速调管永磁聚焦系统的横向剖视截面图；

图10示意性示出了Ka波段100kW脉冲速调管永磁聚焦系统在本公开实施例的收集极组件条件下的电子光学轨迹图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了Ka波段100kW脉冲速调管永磁聚焦系统的轴向磁场分布曲线图。如图1所示，聚焦系统除了在高频电路区产生所需最高达9100高斯的主磁场外，还在收集极区域带来很强的反磁场，经设计长度117mm的收集极磁屏筒屏蔽后，反磁场强度仍高达1500高斯。

图2示意性示出了Ka波段100kW脉冲速调管永磁聚焦系统在现有技术中收集极条件下的电子光学轨迹图，通过数值仿真计算显示，自阴极发射的高电流密度电子注在主磁场作用下穿过高频电路区，受较强的收集极反磁场作用，本该均匀发散的电子注在现有收集极内部距阴极104mm位置处发生二次聚焦，只有少部分电子在二次聚焦后击打在收集极内壁，为数较多的电子滞后发散，并集中击打在收集极末端，极有可能造成此处的电子着陆能量密度增加，引起收集极材料烧蚀熔穿，降低收集极冷却和功率承受能力。

本公开提供的一种收集极组件，有效克服了收集极反磁场对电子注发散过程的影响，避免电子注的二次聚焦，提高了现有Ka波段收集极的功率容量，通过将收集极圆柱形内壁在前半部分设置锥面收口，使多数电子注在锥面附近均匀发散，锥面与收集极后半部分之间是一小段空间连通区域，以确保电子注中心为数不多的高能电子穿过从而不会在此处着陆能量密度集中，造成材料烧蚀或熔穿，收集极后半部分恢复到收集极内壁原有直径，一方面为穿越到此处的电子提供充足的发散空间，另一方面减轻收集极重量、提高冷却效率。收集极水路设计为光面双层水套与沟槽型冷却表面结构，以提高单位面积的功率耗散承受密度，适应Ka波段大功率速调管使用需求。

图3示意性示出了本公开实施例的收集极组件结构示意图。

如图3所示，该收集极组件100包括体芯段1、延长段2及水套筒3。

体芯段1，包括：圆柱筒11及锥形收口12，所述圆柱筒11及锥形收口12一体成型，所述锥形收口12用于电子注发散。

根据本公开的实施例，如图4所示为体芯段1的横向剖视图，该体芯段1上下成中心对称结构，16为体芯段内壁，其中，圆柱筒11为一定厚度的圆柱筒，其外侧设置有轴向均匀分布的多个轴对称的沟槽13，该多个沟槽13的末端完全连通，锥形收口12末端的小段圆柱形通道14的直径选择不宜过小也不宜过大，若过小，则起不到缓解电子注在此处着陆能量密度集中的作用，若过大，则可能泄漏过多的电子使其穿越到达延长段2发生二次聚焦，减弱体芯段1中的锥面收口12的作用，得优化设计通道直径和长度。

本公开的实施例中，该体芯段的内长50.3mm，圆柱筒11内径优选18mm，最大外径为28.2mm(-0.1mm公差以便与水套筒3的外筒装配焊接)；多个沟槽13的直径大小为24mm(-0.1mm公差以便与水套筒3的内筒装配焊接)，沟槽13的末端完全连通，考虑到水流量和冷却效果，完全连通处的圆柱筒内径略微收缩至16mm；锥形收口12的椎体倾斜角优选45°的圆椎，椎体的高度为9mm(即圆柱筒11内径的一半)；经过优化设计的该锥形收口12末端的小段圆柱形通道14的直径优选2mm，长度优选8.3mm。沟槽末端连通段15用于冷却介质的流通，均能直接注入多个沟槽13。

如图5所示为体芯段从图4中A-A方向的示意图，如图5所示，该体芯段1各部件结构均为同轴的圆柱形结构，其成轴对称结构，锥形收口12末端的小段圆柱形通道14的通道口位于该体芯段1的正中心位置。

本公开实施例中，根据预先确定的收集极反磁场条件计算出电子注轨迹在收集极区的分布，通过观察和判断电子注发生二次聚焦的距离范围和落点，确定体芯段1圆柱筒长度和锥面收口的长度，使绝大多数电子注在尽可能充分发散(以降低着陆能量密度)而轨迹尚未发生扭转之前即被圆柱筒和锥面内壁及时截获，圆柱筒与锥面收口的直径大小应根据速调管的电子注功率量级、筒壁材料容许的耗散功率密度、冷却液流速以及适应于磁屏筒内径的限制等因素综合平衡判定。

延长段2，其与所述体芯段1同轴，包括：定位孔21，所述定位孔21与所述锥形收口12连接，所述定位孔21与所述锥形收口12处形成通道，其中，所述通道用于发散后的电子注穿过至所述延长段2进行二次发散。

根据本公开的实施例，如图6所示，延长段2包括：定位孔21、延长段内壁22、水套筒内筒固定位23及延长段外廓表面24。延长段2的定位孔21与体芯段1的锥形收口12匹配并通过2道焊料槽套封焊接，延长段2的主体结构亦为圆柱型筒状，其中，延长段外廓表面24与体芯段1表面沟槽连通，此处水阻较小，正好对应于体芯段1与延长段2之间的圆柱形通道14，能够实现较好的冷却效果。设计延长段2长度使其末端比收集极磁屏筒末端略长。如图7所示为延长段2从图6中B-B方向的示意图，可以看出延长段2为同轴的圆柱形结构，其成轴对称结构。本公开的实施例中，延长段2的作用一方面为少量穿越到此处的电子提供充足的发散空间，另一方面减轻收集极重量、提高冷却效率。

根据本公开的实施例，延长段2的外径与体芯段1中圆柱筒11内径相同，其外壁较薄，延长段2的作用一方面为穿越到此处的电子提供充足的发散空间以及散热和冷却面积，另一方面减轻收集极重量、提高冷却效率。因绝大多数电子注已被体芯段1截获，此处的冷却压力已经很小，因此延长段2的长度无严格限制，确保其末端比收集极磁屏筒末端略长以方便设计冷却介质接口即可。

本公开实的施例中，延长段2的最大内径优选18mm，壁厚为2mm，最大外径28.2mm(-0.1mm公差以便与水套筒3的内筒装配焊接)，长度优选95.4mm，以及其末端比收集极磁屏筒末端略长18mm。

水套筒3，其套设于所述体芯段1及所述体芯段2外侧，并与所述体芯段1及所述体芯段2外侧形成空腔，所述空腔用于注入冷却介质对所述体芯段1及所述体芯段2进行冷却处理。

根据本公开的实施例，如图8所示，水套筒3包括内套筒31、外套筒32、内筒通孔33、外筒通孔34、外筒通孔35、冷却介质接口36，其中，内套筒31与外套筒32同轴且金属光面圆柱形薄筒，内套筒31与所述体芯段1及所述延长段2外侧形成第一空腔，所述外套筒32与所述内套筒31外侧形成第二空腔，该第一空腔及第二空腔用于形成冷却介质的流向通道，以使冷却介质对体芯段1、延长段2以及体芯段1/延长段2内的电子注进行降温处理。本公开的实施例中，在该第一空腔及第二空腔内输入的冷却介质可以为冷却水或冷却媒质等，本公开对此不做限制。

具体地，内套筒31的内径与体芯段1轴对称竖直沟槽的外径相等，内套筒31一端固定在延长段2上，内套筒31的筒壁上具有一个内筒通孔33；外套筒32的内径略大于所述内套筒31的外径，外套筒32一端固定在体芯段1底部，外套筒32筒壁上具有两个对称外筒通孔34/35，其中，内筒通孔33与外筒通孔34在装配时保证同轴心以贯通冷却介质通路。水套筒3包括至少两个冷却介质接口36，其安装关系如图8所示，与内筒通孔33连接设置的冷却介质接口36用于输入冷却介质，与外筒通孔35连接设置的冷却介质接口36用于输出冷却介质。

本公开的实施例中，内套筒31与外套筒32的壁厚均取1mm，其中，内套筒31的内径为24mm(+0.1mm公差以便与体芯段1轴对称竖直沟槽的外径相等装配焊接)，外套筒32的内径为28.2mm(+0.1mm公差以便与体芯段1和延长段2的最大外径相等装配焊接)，冷却介质接口36的内径优选6.5mm。

本公开提供的一种收集极组件，通过收集极体芯段锥面收口的合理设置确保电子注得到充分地发散，及延长段配合缓解电子注轴线附近高能电子的着陆集中，同时降低了二次电子和反射电子的不利影响。本公开既能满足在延长收集极磁屏筒情况下对收集极组件总长度的要求，又能在最大程度上实现发散电子注及时有效截获和充分冷却，有效降低了现有技术中收集极部件在反磁场过高情况下电子注二次聚焦可能引起的局部过热、烧蚀乃至熔穿的风险，提升了收集极组件的承受功率量级，保证了速调管工作的稳定性。

需说明的是，上述各部件结构、尺寸仅为示例性的说明，并不代表在其他实际应用过程中各部件结构、尺寸不能为其他替换选择，其并不构成对本公开提供的收集极组件结构及尺寸的限定。

图9示意性示出了本公开实施例的速调管永磁聚焦系统的横向剖视截面图。

如图9所示，本公开的实施例还提供一种速调管永磁聚焦系统，该速调管永磁聚焦系统包括：上述实施例所示的收集极组件100、外磁屏200、径向磁化永磁铁(正磁极)310、径向磁化永磁铁(负磁极)320、电子枪磁屏400、延长的收集极磁屏筒500。其中，收集极组件100设置于延长的收集极磁屏筒500内，其水套筒3上的冷却介质接口36设置于延长的收集极磁屏筒500外侧，即收集极组件100中的体芯段1与延长段2的整体横向长度大于延长的收集极磁屏筒500的横向长度，便于安装冷却介质接口36。

根据本公开的实施例，对Ka波段100kW脉冲速调管进行数值仿真计算结果，由图10可见，有了体芯段1提前截获电子注的作用，仅有较少数电子能够到达延长段2，配合高速双层水冷结构(即水套筒3)，可在最大程度上实现发散电子注的及时截获和充分冷却，有效降低了现有收集极部件在反磁场过高情况下电子注二次聚焦可能引起的局部过热、烧蚀乃至熔穿的风险，提升了收集极组件的承受功率量级。速调管热测试验表明，在通以10L/min水流量条件下，该收集极组件能够保证Ka波段100kW脉冲速调管稳定工作。

需说明的是，上述对收集极组件中各部件和优选设计方法的定义并不仅限于Ka波段100kW脉冲速调管，本领域普通技术人员可通过等比例缩尺将其应用于更高波段、可能存在二次电子聚焦风险的其他高功率容量毫米波-亚毫米波微波器件中。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的，如图1所示为根据本公开实施例示意的收集极组件的结构示意图，在实际应用过程中该收集极组件中某些部件可用其他相同或类似功能的部件替代或是实验原理装置结构更加简化或复杂，此实施例并不构成对该收集极组件的限定。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。