5.5mw工业辐照用速调管会议修改稿

5.5MW 工业辐照用速调管 史海如，周红艳 （湖北汉光科技股份有限公司,湖北，孝感，432100） A 5.5MW Klystron for Industry Irradiation Shi Hai-ru,Zhou Hong-yan （Hubei Hanguang Technology Company Limited (Co,.Ltd.)，Hubei,Xiaogan,432100） Abstract: In this paper, a 5.5MW klystron for industry irradiation will be introduced.It will pay more attention to the details of input resonant cavity and some structure design. The preliminary test result will show. Key words: 5.5MW klystron; Industry irradiation 摘 要：本文介绍了一种 5.5MW工业辐照用速调管。较详细介绍了输入腔和部分结构设计。给出 了初步测试结果。 关键词：5.5MW 速调管；工业辐照 一、引言 利用低能辐照加速器对食品、材料等进行辐照加工处理，在国外已经有相当规模的发展。但是在 我国这一物理应用还处于兴起阶段。和低能辐照加速器配套的关键部件，如：速调管、加速管等，特 别是脉冲输出功率为 5.5MW速调管只在个别研究所进行小量生产。我公司原生产的 HK-1型速调管经改 型后，也仅在浙江宁波超能公司应用，虽然运行时数达到 10000小时以上，平均功率达到指标 20KW左 右，但是其脉冲功率高，整机效率低。对于加工量不是很饱满的用户，在经济上不是很合适。为了推 动我国日益发展的低能辐照工业，并满足我国低能辐照加速器速调管的需求，我公司逐步推出 5.5MW 工业辐照用速调管系列。本文介绍的 5.5MW工业辐照用速调管就是其中一种。 二、基本技术指标 脉冲电压： 135KV 脉冲电流： 88A 效率； 43% 脉冲输出功率： 5.5MW 脉冲重复频率； 250Hz 高频包络宽度： 7.5s 三、部分参量的确定 1、直流电子注电导 = = =0.65110 姆欧0GVI310583 2、计算直流电子注电子速度和电子注传播常数电子速度 =5.94 10 =5.94 10 =2.18 10 厘米/秒070715010 轴向传播常数 e 2 = = = =0.8227e0 02f 1068.25 径向传播常数 e = = =0.565e22c210623587. 3、直流电子注平均半径的选取 根据有关资料选取 1 时，即归一化间隙电压 0.264时可获得较高效率q2 = =2.37 10q10856264.09 试选： 0.32be 4、漂移管半径的确定 选 =0.8a =0.32 e= =0.4be8.032 =0.7 厘米 5、电子负载的计算 由 =0.658 查曲线得de =0.0480G =3.125 10e5 6、输入腔外观品质因数的选择 A、根据大功率速调管设计手册介绍，应保证在中心频率处，输入速调管的高频能量全 部为电子注和谐振腔所吸收，此时增益最高，即： = + 式1exQ01e 式中 、 、 分别为输入腔的外观品质因数、固有品质因数和电子负载品质因数。 = 式1e1RG 如果 R/Q=72那么 = 445eQ72105.3 3 若略去腔壁损耗、谐振回路的损耗即为 。在直流电子注负载电阻和外负载电阻相等时，1exQ 谐振腔取得最大效率（或增益） 。就是说整个回路损耗增加一倍。此时回路热态有载品质因数 为 的一半。则式变为：hLQ1ex =2 式hL10e 如果输入腔外观品质因数 =175，则：1exQ = =175/2=87.5hLQ12ex = = =288.401hLee15.8724 则冷态驻波比 = = =1.6c0Qex = = =175a10e45.28 热态驻波比 = = =1.0h1exa7 B、考虑到目前同轴结构输入系统，要求冷态驻波比做得很小尚有困难。作为一般情况，应考虑输 入速调管的高频能量部分为电子注和谐振腔所吸收，则有： = + +hLQ101ex 如果冷态驻波比为 5， =175， 则： = =5 =5 175=875c01ex01 = = =295Qa10e4587 由于结构确定后，当速调管输入端冷态驻波比变化时，由于固有品质因数不变化，因而外观品质 因数将有较大变化。 =h01exa =cLQ1c0 为了比较，将从速调管输入端测得的冷态驻波比 设为 5、8、10、20 时，并将计算的相关数据c0 列于下表 4 c05 8 10 201exQ 175 109 87.5 43.75cL 145.8 97.2 79.5 41.7h1 109.8 79.6 67.5 38.10 1.69 2.71 3.37 6.74 设 P 为谐振腔和电子负载吸收的功率，由微波技术可知L P =1- 为谐振时反射系数的模02 0 设输入到速调管输入端的微波功率为 P ，并设为 1。将上表中输入端驻波比变化引起的 P 变化，S L 计算后列表如下 PSP Lc0电压驻波比 h0电压驻波比 （DB）h0 反射系数的模 0 1 0.934 5 1.69 4.56 0.257 1 0.787 8 2.71 8.66 0.461 1 0.706 10 3.37 10.55 0.542 1 0.449 20 6.74 16.57 0.742 注：电压驻波比用分贝表示的计算公式为 电压驻波比=20log (DB)h0 从速调管输入端到管子的输能装置，一般是通过一段同轴电缆、输入接头连接。从上表中可以看 出，如果从速调管输入端口测得的冷态驻波比 在 10以内，那么损失的功率在 30%以内，基本可以c0 满足使用要求。所以，有资料显示速调管输入冷态驻波比 可以在 610范围内选择。c0 速调管输入端口测得的冷态驻波比 与同轴电缆的特性、输入接头的设计密切相关。因此在设计c0 输入腔时，这一部分的设计好坏及装配是否良好是保证速调管正常工作的重要条件。可以看出这一部 分良好的设计将降低对激励微波功率源的要求。 7、参差调谐各腔频率布置 一腔 二腔 三腔 四腔 五腔 2856MHz 2824MHz 2903 MHz 2998 MHz 2857 MHz 四、结构特点 1、谐振腔钎焊结构的设计 高频段各谐振腔的谐振频率及相关参数，直接影响到管子的高频特性。高频段是由多种零件通过 多次冷测、钎焊而成。根据以往的经验，高频段在经过多次钎焊后，腔体的谐振频率都会不同程度的 产生偏移，严重时可能造成高频段部件报废。其设计原则是：一、应根据各公司现有工艺条件，使高 频段上端和下端处于设备恒温区。如果不能满足要求，应调整设计，进行分段；二、合理设计高频段 5 钎焊结构，保证焊料在焊接过程中既能填满焊缝，又不流淌到谐振腔内。这样经过多次钎焊（或补焊） ， 由于焊料流淌不到腔体内，因而对腔体的谐振频率等参数影响不大；三、从高频段结构设计上保证高 频段钎焊焊缝，特别是谐振腔部分，在钎焊过程中，不致于因热膨胀、收缩等原因引起变形，造成谐 振腔频率等参数变化。采取以上措施后，腔体谐振频率在钎焊前、后的变化量原则上在 1MHz范围内。 2、谐振腔冷却水路设计 传统的冷却水设计方式是：在谐振腔外加不锈钢水套。这种结构加强了整管的刚性。但是其缺点 也是很明显的。首先，水套和腔体在钎焊的过程中不一定同步膨胀和收缩，这也是有时造成谐振腔性 能变化的一个不可忽视的因素；二、由于水套是在谐振腔外，而发热源却在漂移管上，因此对漂移管 的冷却不直接，冷却不够充分；三、由于存在外水套，外水套和腔体之间的焊接，特别是速调管输入 接头的焊接，需要穿过水套，这部分在结构设计上要达到气密、水密，存在很大的难度。稍有不慎， 会造成漏水。在新的设计中，我们直接将水路引到漂移管部分，冷却效果明显提高；输入接头不存在 穿过水套问题，焊接可靠性增加；没有外水套，高频钎焊质量有了明显提高，特别是不会对谐振腔频 率等参数产生影