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加速器的高功率微波源。文中闡述了研制過程中一些主要技術(shù)問題解決方案、部分模擬計(jì)算和制管測試結(jié)果。該管測試性能與e2v同類型管對比，各項(xiàng)參數(shù)基本一致，可以實(shí)現(xiàn)無縫替代與工業(yè)化量產(chǎn)。

　　國內(nèi)外電子直線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(diào)管為主流。面向直線加速器應(yīng)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(chǔ)工業(yè)水平和基礎(chǔ)工藝技術(shù)水平的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　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(jī)械與快速調(diào)諧等特點(diǎn)，具有相當(dāng)卓越的射頻性能，可以說是代表高功率磁控管設(shè)計(jì)及制造方面的最高水平。其主要用戶為瑞典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，全球目前尚無其他廠商研制成功。因此對該管的研制，不僅將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且對打破國外廠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(biāo)如表1，均是高功率普通磁控管，采用玻璃金屬結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)與工藝方式，在基礎(chǔ)材料與工藝實(shí)現(xiàn)方面將受到很大的限制，影響最終的電氣參數(shù)。因此根據(jù)磁控管性能特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)原材料及工藝實(shí)現(xiàn)水平，依托北京真空電子技術(shù)研究所(BVERI)多年來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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得成功。

表1　5.5MW 高功率脈沖磁控管主要性能指標(biāo)

　　1.1、頻率的調(diào)整與控制

　　該磁控管為長陽極結(jié)構(gòu)，且沒有隔模帶，因此陽塊在初步裝配成形后頻率與腔體耦合情況均已固定，無法像其他磁控管一樣通過調(diào)節(jié)隔模帶對頻率進(jìn)行微調(diào)，給磁控管頻率控制帶來困難。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(xiàn)頻率不滿足要求，想要進(jìn)行調(diào)整，無從下手，這就對零件加工精度與裝配工藝提出了極高的要求。

　　陽極結(jié)構(gòu)如圖1所示為扇形諧振腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)互作用空間的導(dǎo)納與對應(yīng)諧振腔的導(dǎo)納之和為零時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的諧振頻率為：

圖1　磁控管陽極示意圖　圖2　π模電場分布圖

　　n=0，1，2，…，N/2，其中，n=N/2時(shí)對應(yīng)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(shù)P 是考慮了端部空間諧振腔的靜電感應(yīng)與沒有考端部空間諧振腔的靜電感應(yīng)的比值。

　　由式(1)、式(2)算出管子的諧振頻率，初步計(jì)算出陽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(yàn)證，π模電場分布如圖2所示。

　　再將仿真出的尺寸代回公式中驗(yàn)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(xiàn)上，依靠提高葉片模具的分角精度和嚴(yán)格控制零件的公差尺寸，并且設(shè)計(jì)出專門模具(圖3)來實(shí)現(xiàn)陽塊成形后頻率的最終微調(diào)，實(shí)現(xiàn)了磁控管頻率的微調(diào)與控制。

圖3　頻率校準(zhǔn)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(nèi)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(dāng)大的差距，之前其他管型采用國內(nèi)研制的玻璃窗在輸出平均功率達(dá)到某一量級后，微波損耗極大，發(fā)熱嚴(yán)重，不能滿足要求，需選用其他介質(zhì)，因此，需要對輸出部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。最初采用的是金屬陶瓷輸出窗結(jié)構(gòu)如圖4，為了實(shí)現(xiàn)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，通過內(nèi)外導(dǎo)體、窗片，圓波導(dǎo)，方圓轉(zhuǎn)換器到矩形波導(dǎo)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法選取，故對于該種結(jié)構(gòu)的磁控管，我們不能像同軸輸出或是盒形窗那樣簡單地計(jì)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)整體來考慮其傳輸情況。模型與駐波仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

　　通過不斷調(diào)整內(nèi)、外導(dǎo)體與窗片的各種參數(shù)，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程中均得到了較好的結(jié)果。但在長時(shí)間高功率熱測老煉時(shí)，多次出現(xiàn)了因功率過高，陶瓷窗片熱累計(jì)導(dǎo)致窗片炸裂的現(xiàn)象，使研制一度陷入困境。經(jīng)過大量調(diào)研與分析，在保證射頻性能和機(jī)械強(qiáng)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(wěn)定可靠地工作在滿功率狀態(tài)。

　　此外還設(shè)計(jì)了金屬陶瓷陰極腿支撐結(jié)構(gòu)以代替E2V原玻璃腿結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)果

　　1.3、燈絲陰極組件的實(shí)現(xiàn)

　　該磁控管為間熱式陰極結(jié)構(gòu)，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(wěn)定，e2v公司也曾宣稱其燈絲與陰極工藝為該管最核心工藝。在制管初期，由于Al2O3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(xiàn)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(shù)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出現(xiàn)燈絲陰極短路現(xiàn)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)，所加燈絲電流超過陰極激活所需數(shù)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(yàn)。最終解決了目前國內(nèi)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(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

　　M5028、MG6028均采用鎳海綿氧化物陰極。但對于長結(jié)構(gòu)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(yàn)。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)射能力與蒸散過大的矛盾中尋找平衡點(diǎn)。經(jīng)過不斷努力與探索，最終解決了長鋇鎢陰極的研制和加工等多方面的問題，實(shí)現(xiàn)了陰極發(fā)射脈沖電流268A，發(fā)射電流密度7.3A/cm2的穩(wěn)定發(fā)射，磁控管脈沖功率達(dá)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(xiàn)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。在使用壽命與陰極耐打火特性等方面更是大大超過了氧化物陰極，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(jié)果

　　BVERI自2009年開始此管的研制，于2012年研制出電接口、機(jī)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(wěn)定，冷測波形、輸出波形、頻譜均表現(xiàn)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(jié)束語

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