一种在管外调整管内参数的方法鄢陵县水利局丁东良教学资料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一种在管外调整管内参数的方法鄢陵县水利局丁东良-OneMethodaboutRepairingInteriorParameteroftheTubeCaoHu-HaiHENANInformationEngineeringCollegeZhengzhou，Henan450008，ChinaSummary：TheKMF-1017high-powermicrowavetubeisonekindofhigh-powervacuumelectronicdevicethathasbeendesignedinourco

2、untry，itspulsepoweramountsto20megawatts,hetubeis510-9Torr.Ifthereisthedefectintheproduct,thetubemustbecutopentorepair.thiswillcausemanyeconomicloss.Inthissituation,ifwedontcutopenthetube,dontdestroytheoriginalvacuumsystem,cantheperformanceofthetubeberestoredbyadjustinginteriorparameteroutsidethetube

3、?Inthispaper，theauthormainlydiscussesonekindofmethodaboutadjustinginteriorparameteroutsidethetube.Keyword：eriorparameter一种修复真空管内部参数的方法曹湖海河南信息工程学校郑州450008提要：KMF1017大功率微波管是我国自己设计制造的一种大功率的真空电子器件，其脉冲功率高达20MW，管内真空度为5109Torr。对于一个成品管，如果发现管内有问题，就需要把管子剖开，进行返修，这将会造成很大的经济损失，在这种情况下，如果我们不把管子剖开，即在不破坏原有的真空系统的情况下，能

4、不能在管外通过采取一定的手段，来改变管内参数，恢复管子原有性能呢？本文正是讨论一种通过在真空管外的调整来修复管子内部参数的方法。关键词：真空电子管改变内部参数问题的提出KMF1017大功率微波速调管是一种功率放大真空电子器件，其脉冲输出功率达20MW，工作频率为2856MHz，阳极电压为20kV，其管内真空度为5109Torr，由电子枪、谐振腔、收集极等组成，如图1所示，谐振腔共有五个，包括一个输入腔、三个中间腔、一个输图1速调管原理图Fig1.Diagramoftheklystron出腔，输出腔再通过一段波导与输出窗相连，输出窗内有一陶瓷片，起真空密封作用，同时微波通过输出窗向管外输出。工作

5、时，在输入腔中激起高频振荡，电子注穿过腔的间隙时，受到高频电磁场的作用，在正半周穿过间隙的电子受到加速，在负半周穿过间隙的电子受到减速，即电子速度受到调制，呈现群聚现象，当已群聚的电子注穿过中间腔时，将在腔内激起比第一腔中更强的高频振荡，反过来，又使电子注受到比第一次更强的调制，如此反复，经过第三腔、第四腔后电子注受到更进一步的调制，到输出腔的间隙时，群聚的电子注再把其能量转换为高频振荡的能量后，在输出腔中激起更强的高频振荡信号，通过输出腔输出，微波信号得到了放大。在输出腔中电子注再把其能量转换为高频振荡的能量的效率取决于输出腔的结构尺寸及其参数，如中心频率、品质因数特性阻抗有关。本文讨论的正

6、是如何在输出窗外部，在不改变输出窗的结构尺寸的情况下来调整输出腔的参数的问题。KMF1017大功率微波速调管在生产过程中，有一批管子由于某种原因导致输出功率低，达不到设计要求，在热测中，当阳极电压达到20千伏时，输出的微波功率为16兆瓦，输出功率只能达到设计值的百分之八十，问题出现后，经对生产过程的各个环节进行检查，发现输出腔的冷测数据中输出腔的品质因数为21，而通常为25，经过分析最后判定输出功率低的原因可能就是输出腔的品质因数没有达到要求。那么问题找到后，如何处理这批管子，一般的作法是，将这批管子报废，重新组织生产，或者进行返修，然而这种型号的管子，每只价值十几万元，返修一只这样的管子通常

7、也需要四、五万元，对于一个企业来讲是一个不小的损失，经过多方研究就提出了一个大胆的想法，即在不破坏管子真空的情况下，通过其他方法来提高管子的输出功率。理论分析密度调制的电子注通过输出间隙时，与高频场的相互作用主要表现在两个方面：一方面是电子电流的交变分量在输出回路（谐振腔）中激起感应电流，另一方面是流过输出回路的感应电流，将在输出间隙上建立起高频电场，反过来对电子注减速，将电子注从直流电场中获得的能量交给高频场。如图2所示图2谐振腔中的感应电流Fig2.Inducedcurrentinthecavity为了达到有效的能量转换，就要求输出腔间隙应有适当的阻抗值Zg，它不仅与群聚电流的基波分量、电

8、子速度零散有关，还与电子注的直径、间隙尺寸、场与电流的径向分布等许多因素有关。为了在输出间隙处提供最佳阻抗，输出腔与外接负载间必须有最佳的耦合，这就要求输出腔的有载品质因数QL必须满足式中R/Q为输出腔的特征阻抗。速调管输出腔工作时，一方面群聚电流度过间隙，在腔内产生感应电流，将能量送进腔内，建立起高频电磁场。另一方面又通过耦合元件将高频能量送到负载，为负载吸收。此外谐振腔本身存在损耗，电子注的直流分量通过间隙时也要也要吸收功率，因而存在电子注负载，所以，一个完整的输出腔等效电路如图3所示：图3输出腔的等效电路Fig3.Equivalentcircuitoftheoutputcavity图中M

9、I感应电流幅度值GL和BL转换间隙中心截面的等效负载电导和电纳G0和B0谐振腔本身的等效负载电导和电纳Gb和Bb电子注负载电导和电纳因此有载品质因数QL应为：式中Q0为谐振腔的固有品质因数Qe为与外接负载电导相应的外观品质因数Qb为与电子注负载电导相应的电子品质因数由此可知，有载品质因数QL与Q0、Qe、Qb有关，Q0、Qe、Qb任意一个变化都会改变QL，都会影响能量转换，影响速调管的输出功率。本文上述的有问题的速调管就是因为谐振腔的固有品质因数Q0没有达到设计要求，而导致输出功率下降的。我们也从上面的分析中得到启示，输出腔间隙处的能量转换效率取决于有载品质因数QL，而有载品质因数QL与Q0、

10、Qe、Qb三者有关，如果Q0、Qe、Qb变化，导致QL变化，速调管的输出功率就会受到影响而下降，反过来说，如果Q0、Qe、Qb变化，不导致QL变化（即Q0、Qe、Qb三者当中如果一个增加，一个减小，但总的QL不变），那么输出功率就不会受到影响。上述的有问题的管子就是谐振腔的固有品质因数Q0变小了，如果我们能通过一种方法改变Qe、Qb使QL不变,就可以恢复原有的性能。但与电子注负载电导相应的电子品质因数Qb受其他因素决定不能改变，因此只有改变与外接负载电导相应的外观品质因数Qe来进行补偿，而Qe不仅与输出谐振腔有关，还与和输出窗相连的波导、输出窗以及负载的结构尺寸有关，这就为我们在管外来调整管内

11、参数提供了可能。解决办法与解决过程那么我们怎样在管外来改变管内输出腔的参数呢？因为输出腔是通过矩形波导和输出窗相连，输出窗的出口又通过一段矩形波导与负载相连，输出窗的结构如图4所示，中间方孔表示矩形波导，我们首先考虑的是如果我们在输出窗的出口处与波导相连的地方（管子的外部，真空系统的外部）放置一个金属导体，那么当输出的电磁波遇到这个金属导体时，就会发生反射，反射的电磁波又返回到输出腔与电子注交换能量的间隙处，与原有的电磁波进行叠加，叠加后共同作用于电子注，使电子注的能量转换为电磁波的能量，如果此时能使电子注交换能量的效率提高，能把电子注的能量更多地转换为电磁波的能量，这样输出的电磁波的功率就会

12、提高，反之如果使电子注交换能量的效率降低，输出的电磁波的功率也会随之降低，这就相当于改变了输出腔间隙的阻抗值，也相当于改变了输出腔的品质因数，也就是说改变了管子内部的参数。这个过程精确地分析非常困难，但定性地从理论上完全可以证明通过在真空管外调整来修复管子内部参数是可行性的。那么，我们要在输出窗的出口处与波导相连的地方放置的金属导体是什么形状，尺寸应该多大，具体放在什么位置呢？我们根据输出窗的结构进行了认真分析，认为紧靠在波导的窄边处分别对称地放置一根细圆柱形金属棒，如图4所示，在图（1）中没有放金属棒,在图（2）放置了金属棒。这样易固定也易加工，金属棒的长度和波导窄边的内部高度相同，金属棒的

13、半径我们选择为2毫米。图4输出窗Fig4.Outputwindow理论分析可行，那么在实际中能不能行的通呢，这就需要通过实践来检验。我们首先选取和有问题的管子一样参数的输出腔，并按照和生产成品管一样的工艺焊接了一个输出部件，这个输出部件包含输出腔、波导和输出窗，然后按照正常生产工艺流程中输出腔参数测试的方法来测量输出腔的参数，测量结果是输出腔的品质因数为21，这和单独测量输出腔时的结果相差无几。下一步我们按照上述的方法，在被测部件的输出窗的出口的地方，波导的窄边处分别对称地放置一根半径为2毫米的细圆柱形金属棒，之后我们按照上述方法对输出腔的参数再一次进行测量，测量结果是输出腔的品质因数为24.

14、5，比没有放入金属棒时品质因数增加了3.5。实验进一步证明：在不破坏管子原有的真空系统的情况下可以在管外采用一定手段来改变管内输出腔的参数，进而对管子进行修复。需要指出的是，在上达测试的结果中，好像是通过放入金属棒改变了输出腔的品质因数，但是实际上改变的不是输出腔的固有品质因数Q0，而是输出腔的有载品质因数QL。上面是冷测实验结果，为了进一步验证，我们还要进行热测实验，即在管子实际工作状态下的测量。我们取一只有问题的管子，按照前述的方法在其输出窗出口处也放置一根半径为2毫米的细圆柱形金属棒，但是在放置金属棒时我们不能像冷测实验中那样使用粘贴的方法来进行，因为那样第一粘贴的不牢固，第二还会对负载

15、的真空系统产生不良影响，同样也无法采用钎焊的方法，采用氩弧焊或点焊，一方面会产生许多毛刺，另一方面有些部位无法焊到，都不理想，最后我们采取了热胀冷缩法，即先将金属棒长度增加到大于波导波导内部窄边高度0.05毫米，然后将金属棒放入液氮中，冷却后立即放入预定位置，让其自然升温膨胀，这样可以牢固地固定起来，又不会产生其他不良影响，结果非常令人满意，固定好后将管子放到测试台上，进行测试。实验结果是，当阳极电压达到18.6千伏时，输出的微波功率为20兆瓦，达到了原设计指标，为企业、为国家挽回了经济损失。4.结束语本文通过理论和实践两个方面对在不破坏管子原有的真空系统的情况下可以在管外采用一定手段来改变管内输出腔的参数的可能性和可行性进行了分析，是对实际工作中遇到的实际问题摸索出的一个解决办法。虽然这是在