清洁强流真空二极管相关技术研究

高功率微波(HPM)技术的实用化进程要求发展高清洁度和高真空技术。强流真空二极管作为高功率微波系统的重要组成部分,其清洁化根据实际应用需求,包括应用陶瓷界面实现静态真空保持以及满足不同微波源重频运行的真空要求。为此,本文通过理论分析、数值模拟和实验验证等手段,针对陶瓷界面,设计了一种二极管径向绝缘结构,并对其机械特性和材料出气特性进行了研究;针对具体微波源,对天鹅绒阴极重频运行真空特性、磁绝缘线振荡器(MILO)的瞬态抽气及相对论返波管(BWO)收集极热管理等相关技术开展了研究。论文研究成果为强流二极管清洁化发展奠定了坚实的基础,主要研究内容包括以下两个方面: 1、二极管陶瓷真空界面相关技术研究 (1)陶瓷径向绝缘结构设计 依据真空沿面闪络机理及其影响因素,提出了二极管径向绝缘结构设计原则;针对外径224 mm的陶瓷板,应用ANSYS静电场模拟,设计了一种“锥-柱”型阳极外壳、和带有阴极屏蔽、均压环的绝缘结构;通过对电极形状和尺寸的优化,使得陶瓷沿面电场和阴、阳极三结合点场强均得到了有效控制。模拟结果显示:陶瓷沿面电场分布均匀,电场线与陶瓷表面所成角度基本保持在45o。在脉宽200 ns的脉冲驱动源上进行了实验研究,陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm,二极管运行稳定,实验结果与理论设计相符。 (2)材料出气特性 建立了该二极管的抽气模型,模拟了管道流导对有效抽速的影响以及真空室主要材料出气率和抽气曲线;实际比较了常温和烘烤状态下二极管材料的出气特性:以60小时作为总的出气时间,200°C烘烤8小时的出气量超过了总出气量的65%;真空室气压在没有吸气泵作用下维持10-2 Pa水平的时间相比未烘烤时提高了约1.5倍。 (3)陶瓷界面机械特性及电水锤模型 针对该二极管的陶瓷约束结构,通过静力和模态分析,确定了陶瓷件可承受的最大静压和固有振动频率;在此基础上,应用ANSYS/LS-DYNA,建立了一种含有陶瓷件的电水锤模型,模拟得到了水中冲击波压力特性及陶瓷板的动态响应,陶瓷件可耐受电水锤冲击波的最大峰值压力为60 MPa;设计了“针-板”电极水开关并在10级Marx发生器上开展了水中放电实验研究。实测了冲击波参数,由此确立的冲击波能量与峰压关系与数值模拟符合较好。综合模拟与实验结果,以水介质线形成线储能4 kJ为例,分析了陶瓷件抗水锤的安全工作条件,为降低碎裂风险,应避免在距离陶瓷界面10 cm之内的区域发生水击穿。 2、微波源重频运行真空保持的相关技术研究 (1)天鹅绒高重频运行真空特性 基于重频调制器Torch-02(~300kV、~100 ?、~6ns、1~300 Hz),设计了阴极脉冲放气测试平台,系统研究了天鹅绒在10-300 Hz重复频率运行时的真空特性。通过比较不同重频下二极管束流波形、气压演化以及天鹅绒表面微观状态,发现10~100 Hz时,平衡压强与重复频率近似呈线性递增;超过100 Hz时,真空恶化明显,气压随频率呈非线性增长,300 Hz时平衡压强已升至1 Pa量级;而天鹅绒寿命则由30 Hz的约20000炮下降到300 Hz的不足2000炮。随着二极管内气压的升高,电流幅值不稳定度由3%上升至8%,而半高宽则由5 ns下降至3 ns;高气压下运行后,扫描电镜结果显示,天鹅绒簇间距明显缩短,这导致了电流脉宽的下降。 (2)MILO的瞬态抽气 为改善器件重频运行的真空环境,建立了MILO分子流下的抽气模型,采用Monte-Carlo方法对脉冲放气后的瞬态抽气过程进行了模拟计算,获得了不同时刻气体分子在MILO内部的三维分布情况,并据此提出了一种“分布式”抽气方案,即在MILO靠近气源的微波传输区增加一抽气单元,以减小抽气时间。在Torch-01脉冲调制器上开展了MILO“分布式”抽气的实验研究。结果显示,“分布式”抽气时的气压下降特征时间为单泵的0.22倍,与模拟结果基本一致;5 Hz的重频测试也证明了“分布式”抽气能够缩短脉冲串间隔内的抽气时间并使MILO保持较低的气压水平。从真空气压的角度,在所给实验条件下“分布式”抽气将使MILO有效运行的重频数提升至单泵抽气时的5倍。 (3)BWO收集极重频运行热管理 为避免电子束轰击导致的阳极热脱附污染真空环境,针对一种BWO收集极,实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积,以电子能量700 keV、束流7 kA、脉宽50 ns为例,确立了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度;采用ANSYS脉冲热源加载的方式,得到了收集极10-100 Hz重频运行时的温度历史曲线及温度分布,比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系;由流体传热理论,确定了不同对流换热系数对应的管道水流流速。在此基础上,提出了收集极散热优化的一般原则,并采用黄铜材料,从收集极内径、内表面壁厚及冷却水道结构等方面进行了优化设计。