MG6090磁控管在12MeV駐波電子直線加速器中的應(yīng)用

郭彥斌，范林霞

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

MG6090磁控管在12MeV駐波電子直線加速器中的應(yīng)用

郭彥斌，范林霞

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

本文主要介紹了MG6090磁控管工作原理、技術(shù)特性及配套電磁鐵等在12MeV駐波電子直線加速器中的具體應(yīng)用，并介紹了使用中的注意事項(xiàng)等。

磁控管；工作原理；技術(shù)特性；磁場(chǎng)強(qiáng)度

0 引言

在電子直線加速器中，作為微波源使用的主要是磁控管和速調(diào)管。因?yàn)樗僬{(diào)管是作為功率放大管工作的，所以需要激勵(lì)部分。另外，由于速調(diào)管的內(nèi)阻比磁控管高，因此需要150kV～200kV的高壓脈沖。又由于速調(diào)管體積比較大及油冷卻等原因，不適合安裝在運(yùn)動(dòng)方向復(fù)雜的場(chǎng)合，僅在大型加速器中使用。在12MeV加速器方案中，我們?nèi)赃x擇磁控管。

在我們已有的加速器產(chǎn)品中，主要使用的磁控管型號(hào)有MG5125和MG5193，由于功率問題，二者僅適合9MeV以下的加速器使用。研制12MeV加速器，需要大的微波功率源。而磁控管現(xiàn)有型號(hào)中最大功率的只有MG6090可以選用。MG6090磁控管輸出脈沖功率較MG5193高20%，平均功率高80%。

1 磁控管工作原理

磁控管是一種用來產(chǎn)生微波能的電真空器件。實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)置于恒定磁場(chǎng)中的二極管。管內(nèi)電子在相互垂直的恒定磁場(chǎng)和恒定電場(chǎng)的控制下，與高頻電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，把從恒定電場(chǎng)中獲得能量轉(zhuǎn)變成微波能量，達(dá)到產(chǎn)生微波能的目的。

磁控管由于工作狀態(tài)的不同可分為脈沖磁控管和連續(xù)波磁控管兩類。

磁控管由管芯和磁鋼（或電磁鐵）組成。管芯的結(jié)構(gòu)包括陽極、陰極、能量輸出器和磁路系統(tǒng)等四部分。管子內(nèi)部保持高真空狀態(tài)。

磁控管通常工作在π模，相鄰兩個(gè)諧振腔腔口處微波電場(chǎng)相位正好相差180°,即微波電場(chǎng)方向正好相反。雖然這種微波場(chǎng)為駐波場(chǎng)，但在π模的情況下，相當(dāng)于兩個(gè)相同的微波場(chǎng)在圓周上沿相反的方向運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)場(chǎng)的相速值相等。從陰極發(fā)射出的電子在正交電磁場(chǎng)作用下作輪擺線運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)直流電壓和恒定磁場(chǎng),使電子在圓周方向的平均漂移速度正好等于在其方向上運(yùn)動(dòng)的一個(gè)微波場(chǎng)的相速，電子就可以與微波場(chǎng)作同步運(yùn)動(dòng)。在同步運(yùn)動(dòng)過程中，處在微波減速場(chǎng)中的那部分電子將自己的直流位能逐漸交給微波場(chǎng)，并向陽極靠攏，最后為陽極所收集。這部分電子向微波場(chǎng)轉(zhuǎn)移能量。處在微波加速場(chǎng)的那部分電子從微波場(chǎng)獲得能量并向陰極運(yùn)動(dòng)，最后打在陰極上。這部分電子在回轟陰極時(shí)打出次級(jí)電子，使互作用空間電子的數(shù)量因之增加。 在互作用空間的電子中有利電子占絕大多數(shù)，而且均在向陽極運(yùn)動(dòng)過程中，有利電子回旋的時(shí)間又較長,它們能夠充分地將直流位能輪換成微波能量；回轟陰極的電子比較少，而且它們從陰極發(fā)射后不久就打在陰極上，因而從微波場(chǎng)吸收能量也較少。這樣，互作用空間全部電子與微波場(chǎng)相互作用的總的效果是，電子將直流位能交給微波場(chǎng)，在磁控管中建立起穩(wěn)定的微波振蕩。圖1是MG6090磁控管實(shí)物圖片。

1.1 磁控管陽極

磁控管的主要組成之一，它與陰極一起構(gòu)成電子與高頻電磁場(chǎng)相互作用的空間。在恒定磁場(chǎng)和恒定電場(chǎng)的作用下，電子在此空間內(nèi)完成能量轉(zhuǎn)換。磁控管的陽極除與普通的二極管的陽極一樣收集電子外，還對(duì)高頻電磁場(chǎng)的振蕩頻率起決定性的作用。

圖1 MG6090磁控管

陽極由導(dǎo)電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設(shè)有多個(gè)諧振腔，管子的工作頻率越高腔數(shù)越多。

陽極諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型，陽極上的每一個(gè)小諧振腔相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)的LC振蕩回路。

磁控管的陽極由許多諧振腔耦合在一起，形成一個(gè)復(fù)雜的諧振系統(tǒng)。磁控管的陽極諧振系統(tǒng)除能產(chǎn)生所需要的電磁振蕩外，還能產(chǎn)生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩(wěn)定的工作在所需的模式上,常用隔型帶來隔離干擾模式。隔型帶把陽極翼片一個(gè)間隔一個(gè)地連接起來,以增加工作模式與相鄰干擾模式之間的頻率間隔。

另外,由于經(jīng)能量交換后的電子還具有一定的能量,這些電子打上陽極使陽極溫度升高,陽極收集的電子越多(即電流越大),或電子的能量越大(能量轉(zhuǎn)換率越低),陽極溫度越高,因此,陽極需有良好的散熱能力。MG6090磁控管主要用水冷卻,陽極上有冷卻水套。

1.2 陰極及其引線

磁控管的陰極即電子的發(fā)射體,又是相互作用空間的一個(gè)組成部分。陰極的性能對(duì)管子的工作特性和壽命影響極大，是整個(gè)管子的心臟。

陰極的種類很多，性能各異。MG6090連續(xù)波磁控管中使用間熱式陰極，它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀，通電流加熱到規(guī)定溫度后就具有發(fā)射電子的能力。這種陰極具有加熱時(shí)間短和抗電子轟擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

由于陰極加熱電流大，要求陰極引線要短而粗，連接部分要接觸良好。陰極引線工作時(shí)溫度很高，常用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。磁控管工作時(shí)陰極接負(fù)高壓，因此引線部分應(yīng)有良好的絕緣性能并能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱，磁控管工作穩(wěn)定后應(yīng)按規(guī)定降低陰極電流以延長使用壽命。

1.3 磁路系統(tǒng)

磁控管的磁路系統(tǒng)就是產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的裝置。磁路系統(tǒng)分永磁和電磁兩大類。永磁系統(tǒng)一般用于小功率的，磁鋼與管芯牢固合為一體構(gòu)成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，管芯和電磁鐵配合使用，管芯內(nèi)有上、下極靴，以固定磁隙的距離。磁控管工作時(shí)，可以很方便的靠改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，來調(diào)整輸出功率和工作頻率。

MG6090磁控管正常工作時(shí)要求有很強(qiáng)的恒定磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為165.0毫特斯拉（mT）。工作頻率越高，所加磁場(chǎng)越強(qiáng)。

MG6090磁控管推薦使用電磁鐵MG6053。電磁鐵兩個(gè)線圈串聯(lián)起來，它使用的電源為恒流電源，最大電流28A，最大電壓30V。在磁場(chǎng)為160.0毫特斯拉（mT），電流約為25A,電壓為25V。電磁鐵采用水冷卻方式冷卻，最小水流量為5.0l/min，水流壓力約1.25kg/cm2，入口水溫最大40℃。

隨電磁鐵提供有校正曲線供參考。圖2為電磁鐵校正曲線。

圖2 電磁鐵校正曲線

2 磁控管技術(shù)特性

2.1 產(chǎn)品的特性

冷卻要求：

磁控管采用水冷卻，最小水流量為5.0l/min，水流壓力約1.25kg/cm2，出口水溫不超過50℃；陰極為空氣冷卻，空氣流量大于0.28 m3/min。

2.2 最大和最小值

這些參數(shù)不能同時(shí)使用，單獨(dú)規(guī)定值也不能超出。

最小最大磁場(chǎng)強(qiáng)度100.0 165.0毫特斯拉 (mT)1000 1650高斯 (Gauss)加熱電壓- 14 Vdc加熱起始電流- 20 A

最小 最大陽極電壓(峰值)-52kV陽極電流(峰值)60120 A輸入功率 （平均）-8.0kW脈沖寬度-5.0ms電壓脈沖上升比率80120kV/ms出口水溫-50℃在耦合輸出口處的電壓駐波比VSWR-1.5：1波導(dǎo)氣壓- 3.1kg/cm2g

典型工作條件：

磁場(chǎng)強(qiáng)度142.5+10mT 1425+100Gauss加熱電壓0V陽極電流（峰值)102A脈沖寬度4.3 ms脈沖重復(fù)頻率 50～405pps電壓脈沖的上升比率120kV/ms

典型表現(xiàn)：

陽極電壓（峰值)45 kV輸出功率（峰值) 2.5 MW輸出功率的（平均）3.25 kW

2.3 燈絲電壓與輸入功率的關(guān)系

為防止因電子回轟而使陽極過熱，磁控管工作穩(wěn)定后應(yīng)按燈絲電壓與輸入功率的關(guān)系曲線圖3規(guī)定，降低陰極電流。當(dāng)磁控管平均功率達(dá)到1.7kW以上時(shí)，燈絲電壓由13～14V切換到8～9V；當(dāng)磁控管平均功率上升到5.0kW以上時(shí)，燈絲電壓由8～9V切換到0V。工程中等絲切換工作具體由15AP板實(shí)現(xiàn)。

2.4 各種功率下時(shí)推薦的參數(shù)

圖3 磁控管燈絲電壓與輸入功率的關(guān)系曲線

磁控管功率的大小直接關(guān)系到加速電子的能量和射線的劑量率。按規(guī)定選擇好磁控管的陽極電流，使磁控管工作在最佳狀態(tài)，有利于磁控管的使用壽命。在12MeV系統(tǒng)中，我們選擇的磁控管的陽極電流為115A左右，工程中通過調(diào)整電位器2RPT充電電壓來實(shí)現(xiàn)。圖4為各種功率下推薦使用的參數(shù)對(duì)應(yīng)曲線。

2.5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表1為實(shí)際使用熱測(cè)臺(tái)測(cè)試的磁控管部分參數(shù)。

圖4 各種功率時(shí)推薦的參數(shù)

2.6 其他特性

此外，還有磁控管阻抗特性、熱漂移、頻率牽引、時(shí)間抖動(dòng)、頻率抖動(dòng)等在應(yīng)用中需要考慮。

3 使用中注意事項(xiàng)

在MG6090磁控管的應(yīng)用資料中，還列出以下注意事項(xiàng)：

1）在沒有陽極輸入功率下，建議使用直流電源加熱燈絲。使用交流加熱燈絲時(shí)會(huì)導(dǎo)致加熱電路損壞；加高壓后，在5秒鐘以內(nèi)加熱電壓必須按磁控管燈絲供電與輸入功率的關(guān)系曲線減少。磁控管燈絲端加4000pF旁路電容。

2）頻率調(diào)諧器通過固定在三個(gè)螺絲孔中的柔性螺桿驅(qū)動(dòng)，需要的最小扭矩是0.7kg-cm；施加的扭矩不能超出5.0kg-cm。

3）為了減小頻率偏移，當(dāng)磁控管沿水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這個(gè)軸應(yīng)該與調(diào)諧器的軸平行。

4）磁控管按使用電磁鐵MG6053而設(shè)計(jì)的，磁鐵的N極應(yīng)在標(biāo)有C的陰極一邊。 磁鐵的位置必須調(diào)節(jié)到磁場(chǎng)的軸與陽極軸一致，并與波導(dǎo)系統(tǒng)的H面成直角。

表1 MG6090磁控管實(shí)測(cè)參數(shù)

5）電壓脈沖上升速率定義為相當(dāng)于80%幅度處電壓脈沖前沿最陡的斜率，在能觀察到的系統(tǒng)中任何電容必須不超出6.0pF。

6）建議磁控管用隔離器和負(fù)載隔離。

7）在最大壓力以3.1kg/cm2下最大的漏氣量規(guī)定為：1立升密封體積中，7天內(nèi)壓力下降不大于70kPa。

8）磁控管的頻率在陽極電壓加上后的第一個(gè)30秒鐘內(nèi)會(huì)變化，一般地，高壓接通5秒后頻率有1.0MHz變化；60秒后有0.2MHz的變化。

9）磁控管繞任意軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，其峰值輸出功率最大變化不大于4%。

10）每分鐘水流量為5.0升。

11）磁控管繞任意軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，其頻率最大變化不大于0.7 MHz。

12）磁控管工作在電壓駐波比（VSWR）為1.15：1時(shí)，在0.5%的頻率變化范圍內(nèi)，高頻能量的電平小于正常能量的70%定義為漏脈沖。漏脈沖表示在10分鐘工作以后的觀察期間，輸入脈沖的百分比。

13）在沒有陽極輸入功率情況下，測(cè)量燈絲電壓為直流14 V；燈絲電流最小值為7.0A，最大值為9.0A。

[1] e2v technologies.

[2] MG6090 Tunable S-Band Magnetron.

[3] MG6053 Water-Cooled Electromagnet.

[4] 低能電子直線加速器微波系統(tǒng), 清華大學(xué).

The application of MG6090 magnetron in 12MeV standing wave electron linear accelerator

GUO Yan-bin, FAN Lin-xia

TP273

B

1009-0134(2011)5(下)-0106-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).32

2010-11-30

國家數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)資助（2009ZX04014-091）

郭彥斌（1955－），男，河北武安人，研究員，主要從事電子直線加速器及圖像處理技術(shù)研究。