雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高功率微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極。目的是提供一種適用于長時(shí)間、重頻運(yùn)行高功率微波源的電子束收集極，及時(shí)高效地將強(qiáng)流電子束轟擊收集極內(nèi)表面沉積的大量熱能傳遞出去，并且有效回收電子束。技術(shù)方案是采用雙螺旋水槽套筒與金屬鉭襯底配合的方式設(shè)計(jì)強(qiáng)流電子束收集極，套筒與襯底之間構(gòu)成的雙螺旋水槽可以改善水槽內(nèi)流體速度均勻性、消除流速死區(qū)以提高冷卻結(jié)構(gòu)的對流換熱能力，金屬鉭襯底高熔點(diǎn)及強(qiáng)散射特性的可以提高收集極所能承受的最高工作溫度。在重頻、長脈沖、長時(shí)間運(yùn)行的GW級高功率微波產(chǎn)生器件強(qiáng)流電子束收集極中，本發(fā)明可以有效解決束流轟擊收集極產(chǎn)生大量熱能的散熱問題。
【專利說明】
雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于高功率微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集 極。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明的應(yīng)用背景是重頻運(yùn)行高功率微波源。高功率微波源是一種利用強(qiáng)流相對 論電子束在真空高頻結(jié)構(gòu)中與高頻結(jié)構(gòu)的本征模相互作用機(jī)制，把高能電子束的能量轉(zhuǎn)化 為高頻電磁波能量的器件，在軍事和工業(yè)中都有重要應(yīng)用。目前，高功率微波器件的能量效 率普遍較低，強(qiáng)流相對論電子束在經(jīng)過束波相互作用交出部分能量后仍具有較高的動(dòng)能， 電子束收集極的作用便是接收這部分與高頻電磁場相互作用后的強(qiáng)流電子束。然而電子束 收集極在工作過程中受高速電子的轟擊會(huì)沉積大量的熱能，導(dǎo)致收集極上的溫度驟然升 高，引起材料表面吸附氣體的解吸附甚至材料本身發(fā)生蒸發(fā)和汽化，而收集極高溫?zé)崦摳?和材料汽化不僅會(huì)污染真空環(huán)境，更可能導(dǎo)致有害等離子體的產(chǎn)生。對于Μ型器件，陽極等 離子體會(huì)導(dǎo)致束流崩潰、模式跳變和束波同步條件被破壞等一系列問題;對于〇型器件，收 集極等離子不但可以吸收和反射微波，而且還可能沿導(dǎo)引磁場進(jìn)入束波作用區(qū)影響微波產(chǎn) 生。因此，任何減少收集極熱負(fù)載的措施在高功率微波領(lǐng)域都是關(guān)鍵的，特別是在器件重復(fù) 頻率長時(shí)間運(yùn)行中，必須考慮束流轟擊收集極產(chǎn)生大量熱能的散熱問題，在脈沖串內(nèi)把熱 量散開。
[0003] 以用在相對論返波管中的收集極為例，相對論返波管的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由導(dǎo) 引磁場1，環(huán)形陰極2,截止頸3,慢波結(jié)構(gòu)4,收集極5構(gòu)成。該器件的基本工作過程為:無箱二 極管產(chǎn)生薄環(huán)形相對論電子束在磁場1導(dǎo)引下，經(jīng)過截止頸3,進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)4與結(jié)構(gòu)波的-1 次空間諧波相互作用；先進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)4的電子束與結(jié)構(gòu)波作用后，輻射的微波向后傳播， 進(jìn)一步與后進(jìn)入的電子束相互作用，這樣微波被迅速放大;最后，微波在慢波結(jié)構(gòu)4的起始 端被截止頸3反射，重新經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)4后進(jìn)入傳輸波導(dǎo)、模式轉(zhuǎn)換器和天線系統(tǒng)被輻射出 去。由于失去了導(dǎo)引磁場的約束，強(qiáng)流束在經(jīng)過束波相互作用從慢波結(jié)構(gòu)出射后呈環(huán)形向 外發(fā)散，并入射到收集極5表面。
[0004] 俄羅斯學(xué)者Γ .Α.米夏茲對電子束轟擊金屬表面過程做了較為深入的研究，在其 著作中對真空二極管火花放電階段的陽極過程有專門的描述，并給出了能夠詳細(xì)刻畫陽極 熱工作方式的方程【Γ .Α.米夏茲著，李國政譯，真空放電物理和高功率脈沖技術(shù)，北京：國 防工業(yè)出版社，2007.05】。若收集極材料的比熱容是c，密度是Ρ，熱導(dǎo)率是λ，入射到收集極 表面的電子流功率密度是q a，則收集極表面溫度Τ的解的形式如下：
[0005]
[0006] 其中To為陽極表面初始溫度，參量A ，Xth為收集極內(nèi)表面熱場的特征深度， 2 ?是電子的穿透深度，可以由經(jīng)驗(yàn)公式給出，erf(k)為k的誤差函數(shù)，么表示對qa求導(dǎo)，e為電 子的電荷量。在電子穿透深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于收集極內(nèi)表面熱場特征深度的情況下，（1)式可以簡 化為：
[0007]
(:2.>
[0008] 可以看到，在這種情況下，當(dāng)材料和束流功率密度確定后，溫升與脈沖作用時(shí)間呈 線性關(guān)系；強(qiáng)流電子束脈沖結(jié)束后，陽極表面加熱過程停止，其冷卻過程開始，在這個(gè)過程 中，若不考慮外界冷卻條件，則熱傳導(dǎo)占主要，此時(shí)溫度的解的形式為：
[0009]
<3)
[0010] 式中，η是指電子束在陽極有效作用域的位置尺度，Tm為該區(qū)域最大溫度，a=A/(p c)為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。由（3)式可以看出，若沒有外界冷卻條件，則散熱過程溫度隨時(shí)間 是一個(gè)慢變化過程。
[0011] 收集極熱量是由一定密度的電子束打到收集極內(nèi)表面而產(chǎn)生，假設(shè)電子束轟擊收 集極時(shí)有效作用面積為A，則單位面積上的功率沉積為：
[0012]
C4)
[0013] 其中，P為有效作用面積上總的功率沉積，E是電子能量，4是制動(dòng)深度，dE/ds 表征高能電子束轟擊材料表面由于碰撞、電離及韌致輻射引起的能量凈損失，lb為束電流。 另外，收集極在重頻運(yùn)行時(shí)，內(nèi)表面熱源不僅是位置的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)。若假設(shè)每個(gè) 脈沖在收集極作用區(qū)域都相同，脈沖熱源可通過循環(huán)方式加載，則這種工作狀態(tài)下收集極 要承受較高的熱流密度(約為1 〇12W/m2)。
[0014] 綜上所述，在重頻、長脈沖、長時(shí)間運(yùn)行的吉瓦(GW)級高功率微波產(chǎn)生器件中，必 須面臨束流轟擊收集極產(chǎn)生大量熱能的散熱問題，不僅需要采用一定的冷卻方式，而且對 收集極材料的選擇也提出了較高的要求。
[0015] 通常電子設(shè)備的冷卻方式主要有自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷，蒸發(fā)冷卻、導(dǎo)熱管冷 卻和輻射冷卻等，或是上述幾種方式的結(jié)合。對于強(qiáng)流束收集極，由于熱沉積功率較高，特 別是在器件重頻運(yùn)行時(shí)，存在熱量累積，俄羅斯的重頻返波管器件多采用強(qiáng)制水冷的散熱 方式，目前常見的收集極冷卻結(jié)構(gòu)是橫截面為矩形的水槽(包括單層和雙層兩種），如圖2、 圖3所示。計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示，采用這種冷卻結(jié)構(gòu)的電子束收集極仍然無法承受 長時(shí)間重復(fù)頻率運(yùn)行的熱載荷而產(chǎn)生材料融蝕現(xiàn)象。因此，從改變收集極冷卻水槽結(jié)構(gòu)出 發(fā)來改善其散熱性能是一種重要的技術(shù)途徑。
[0016] 根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論，可以用對流換熱系數(shù)(h。)來衡量收集極冷卻結(jié)構(gòu)所提供 的換熱能力大小，若管道的水力直徑為Dh，流體的密度為p f，熱導(dǎo)率為心，流體軸向平均速度 為Ι?，μ是流體動(dòng)力粘度，則對流換熱系數(shù)的計(jì)算式為：
[0017]
(5)
[0018] Pr為普蘭特?cái)?shù)(Prandtl Number)，是一個(gè)由流體熱物性參數(shù)組成的無量綱數(shù)，反 映流體動(dòng)量擴(kuò)散能力與熱擴(kuò)散能力的關(guān)系。從(5)式可以看出，對流換熱系數(shù)的大小取決于 流體的流動(dòng)狀態(tài)、熱物理性質(zhì)以及換熱表面的幾何形狀等因素。當(dāng)流體種類和水道結(jié)構(gòu)確 定時(shí)，對流換熱系數(shù)與流速成正比。傳統(tǒng)的收集極冷卻水槽(如圖2、圖3所示)缺點(diǎn)在于內(nèi)部 流體的速度并不均勻，在入口流速、壓強(qiáng)等條件一定時(shí)，采用FLUENT軟件仿真得到的內(nèi)部流 場如圖4、圖5所示?？梢钥吹?，在上述傳統(tǒng)冷卻水槽中存在流速較小甚至接近于0的區(qū)域，即 流速死區(qū)。顯然，在這些區(qū)域冷卻液軸向的平均流速很小，相應(yīng)的水槽的對流換熱系數(shù)也較 小而具有比較低的散熱能力，并有可能存在熱量的累積。實(shí)踐中，在這些流速死區(qū)所對應(yīng)的 收集極內(nèi)表面更易發(fā)生材料的融蝕。
[0019] 另外，對于長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的收集極，材料要求耐轟擊、導(dǎo)熱快，體現(xiàn)在物性參數(shù) 上，即盡可能選擇高密度、高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電的材料。可用一個(gè)綜合參數(shù)熱擴(kuò)散率a來表征不同 材料之間的差異，其定義為a = A/(pc)，A為熱導(dǎo)率，p為密度，c為比熱容。和導(dǎo)熱系數(shù)不同， 熱擴(kuò)散率綜合反映了物體導(dǎo)熱能力和單位體積熱容量的大小，它是反映物體傳播溫度變化 能力大小的指標(biāo)，也稱導(dǎo)溫系數(shù)。傳統(tǒng)的收集極一般采用不銹鋼材料，而不銹鋼的缺點(diǎn)主要 是熱傳導(dǎo)性能較差。
[0020] 因此本發(fā)明一方面從改善水槽內(nèi)流體速度均勻性、消除流速死區(qū)的角度出發(fā)來提 高冷卻結(jié)構(gòu)的對流換熱能力，另一方面選用高密度、高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電的材料作為收集極主體 材料，提高強(qiáng)流束收集極的散熱性能，以滿足在重頻(如50Hz)、長壽命運(yùn)行條件下的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種適用于長時(shí)間重 頻運(yùn)行高功率微波源的電子束收集極，在不影響前級波導(dǎo)微波模式傳輸?shù)那疤嵯?，及時(shí)高 效地將強(qiáng)流電子束轟擊收集極內(nèi)表面沉積的大量熱能傳遞出去，并且可以有效回收電子 束。
[0022] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集 極，該收集極由雙螺旋水槽套筒(下文簡稱套筒）、收集極襯底(下文簡稱襯底)和前后兩個(gè) 壓蓋及兩個(gè)銀絲密封圈組成。為敘述方便，下文將雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極與上游 器件(如重頻高功率微波源)連接的一端定義為前端，微波輸出的一端定義為后端，微波和 電子束傳輸?shù)姆较颍▓D6中粗箭頭所指的方向）定義為軸向，垂直于微波和電子束傳輸?shù)姆?向定義為橫向。
[0023] 所述套筒是雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極的主體部件（如圖8、圖9所示）。套筒 形狀為圓筒形，前后端開口處均設(shè)有固定法蘭，固定法蘭上沿角向均勻地開有定位孔，以便 與上游器件(如重頻高功率微波源)和下游器件(如天線或模式轉(zhuǎn)換器)裝配;套筒的橫向截 面內(nèi)腔直徑為與其相連的上游器件(如重頻高功率微波源)輸出口的內(nèi)截面直徑及 襯底壁厚決定，軸向長度為
[0024] 在套筒內(nèi)壁開有雙螺旋水槽，所述雙螺旋水槽包含主、副兩部分水道，主、副水道 均為等距螺旋水槽且各自獨(dú)立，水槽截面均為矩形，水槽寬度為1，深為h，1和h的選取應(yīng)遵 循以下原則:一方面要保證冷卻液的流量充足，否則會(huì)影響螺旋水槽的換熱量;另一方面要 確保螺旋水槽內(nèi)的冷卻液處于旺盛湍流狀態(tài)，即要求冷卻液壓強(qiáng)、流速和雷諾數(shù)(雷諾數(shù)是 指流體慣性力與黏性力比值的量度，是一個(gè)無量綱數(shù))達(dá)到一定的指標(biāo)，綜合上述兩方面的 因素，1取值為(5~6)mm，h取值為(2~3)mm;主水道從套筒內(nèi)壁前端起始，以電子束轟擊區(qū) 域的中心為中心，軸向長度為Lm，滿足Lm多21 c，螺距為d，滿足21 <d〈31，螺旋圈數(shù)為N，滿足 漢=「'/力（「1表示向上取整）；副水道起始點(diǎn)與主水道起始點(diǎn)關(guān)于中心軸對稱（即副水道 起始點(diǎn)位于正對著主水道起始點(diǎn)的套筒側(cè)壁上），副水道與主水道交錯(cuò)螺旋，螺距與主水道 螺距相同，軸向長度為L a，滿足La = 2Lm。
[0025] 在雙螺旋水槽主水道及副水道的起始點(diǎn)所在處的法蘭側(cè)壁均開有進(jìn)水口，在雙螺 旋水槽主水道及副水道的終止點(diǎn)所在處的套筒側(cè)壁上均開有出水口，冷卻液通過進(jìn)水口導(dǎo) 入到雙螺旋水槽中并從出水口流出，將強(qiáng)流電子束轟擊襯底所產(chǎn)生的熱量帶走。
[0026] 所述襯底為圓筒形(如圖10)，內(nèi)直徑為D，與上游器件(如重頻高功率微波源)輸出 口的內(nèi)截面直徑相等，長度為L，滿足，厚度為Δ，滿足Δ rDi-D，材料選擇金屬鉭，一方 面，金屬鉭熔點(diǎn)達(dá)到2000°C，耐電子束燒蝕能力強(qiáng)；另一方面，在電壓700keV、電子束寬度5 ~10mm時(shí)，金屬鉭具有較高的電子散射因子，表1為當(dāng)入射角為35°時(shí)鉭與其他金屬材料散 射因子對比，可以看出，相同條件的強(qiáng)流束入射到金屬鉭上時(shí)，有46.5%的電子被散射，而 未穿入金屬造成能量沉積，因而熱沉積最小。將所述襯底保持與套筒同軸插入套筒內(nèi)腔，且 前后端面平齊，該襯底外壁與套筒內(nèi)壁的雙螺旋水槽共同構(gòu)成冷卻液通道，雙螺旋水槽中 不斷流動(dòng)的冷卻液可以高效地將由于高能電子束不斷轟擊襯底而產(chǎn)生的熱量沉積傳遞出 去。
[0027]表1為當(dāng)入射角為35°時(shí)鉭與其他金屬材料散射因子對比 [0028]
[0029]~套筒與襯底通過前后兩個(gè)壓蓋壓緊裝配在一起，所述壓蓋為圓環(huán)狀金屬圓盤(如_ 圖11所示），在壓蓋上沿角向均勻地開有螺孔，通過螺孔與套筒兩端裝配面上沿角向均勻開 設(shè)的螺紋孔進(jìn)行配合，將襯底同軸固定在套筒內(nèi)部。
[0030]壓蓋與套筒及襯底的裝配面上設(shè)置有密封槽，密封槽的中心直徑等于套筒內(nèi)直 徑，對應(yīng)于套筒和襯底的連接縫處，密封槽內(nèi)放置銀絲密封圈，用于隔離冷卻水道及外部空 氣與微波源器件內(nèi)的高真空環(huán)境。銀絲密封圈相比于傳統(tǒng)的丁晴橡膠密封圈或氟塑料密封 圈的優(yōu)勢是能夠承受高溫，其尺寸選取可以按照丁晴橡膠圈的尺寸標(biāo)準(zhǔn)(GB6071.1-85)執(zhí) 行，當(dāng)封接件的外徑小于150mm時(shí)，銀絲的直徑可以選擇為3mm。
[0031]本發(fā)明具有的有益效果是：
[0032] 1)相比于傳統(tǒng)的冷卻水槽，螺旋水槽可以克服水槽內(nèi)部的流速死區(qū)問題。在相同 的入口壓強(qiáng)條件下，由于螺旋水槽的約束作用，其內(nèi)部流場更加均勻，即水槽內(nèi)的冷卻液具 有更大的軸向平均速度，相應(yīng)地獲得更大的對流換熱系數(shù)，從而提供更高的換熱能力。
[0033] 2)雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極的主、副水道同時(shí)作用于電子束轟擊區(qū)域，冷 卻面積大，能夠提高作用區(qū)的制冷量，縮短脈沖間隔內(nèi)的熱擴(kuò)散時(shí)間，降低收集極的最高平 衡溫度。
[0034] 3)將收集極套筒與電子束直接轟擊的襯底分離開來，使得襯底可以采用具有更好 導(dǎo)熱特性的材料，且便于更換。
[0035] 4)選用鉭金屬作為收集極襯底材料。鉭不僅具有2000°C的高熔點(diǎn)，同時(shí)在相同束 流條件下，相比不銹鋼、銅鎢合金以及無氧銅等常見收集極材料，其電子穿透深度最小，相 對應(yīng)的，熱沉積也較小，因此可以提高收集極所能承受的最高工作溫度。
[0036] 本發(fā)明已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得以驗(yàn)證，在電功率10GW、電子束脈寬> 100ns的條件下，雙螺 旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極結(jié)構(gòu)已穩(wěn)定運(yùn)行于30Hz、連續(xù)20s的水平。另外，50Hz的模擬結(jié) 果表明，雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極達(dá)到的最高平衡溫度低于材料熔點(diǎn)。
[0037]因此，在重頻(如50Hz)、長脈沖、長時(shí)間運(yùn)行的GW級高功率微波產(chǎn)生器件，本發(fā)明 可以有效解決束流轟擊收集極產(chǎn)生大量熱能的散熱問題。
【附圖說明】
[0038]圖1是典型相對論返波管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2是目前常見的單層水槽收集極冷卻結(jié)構(gòu)橫截面示意圖；
[0040] 圖3是目前常見的雙層水槽收集極冷卻結(jié)構(gòu)橫截面示意圖；
[0041] 圖4是入口速度、壓強(qiáng)等條件一定時(shí)，利用FLUENT軟件對傳統(tǒng)單層冷卻水槽收集極 內(nèi)部流場的仿真結(jié)果；
[0042]圖5是入口速度、壓強(qiáng)等條件一定時(shí)，利用FLUENT軟件對傳統(tǒng)雙層冷卻水槽收集極 內(nèi)部流場的仿真結(jié)果；
[0043]圖6是本發(fā)明所述收集極的3D視圖，圖中加粗箭頭所示方向?yàn)槲⒉ㄅc強(qiáng)流電子束 傳播方向；
[0044] 圖7是本發(fā)明所述收集極的剖面視圖；
[0045] 圖8是本發(fā)明所述收集極雙螺旋水槽套筒部分的剖面正視圖；
[0046] 圖9是本發(fā)明所述收集極雙螺旋水槽套筒部分的剖面反視圖；
[0047] 圖10是本發(fā)明所述收集極襯底主剖面圖；
[0048] 圖11是本發(fā)明所述前后壓蓋主剖面圖。
[0049] 圖中：6.雙螺旋水槽套筒，7.收集極襯底，8.前壓蓋，9.后壓蓋，10.前銀絲密封圈， 11.后銀絲密封圈，601.主水道，602 .副水道，6011.主水道進(jìn)水孔，6012 .主水道出水孔， 6021.副水道進(jìn)水孔，6022.副水道出水孔。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述。
[0051 ]本發(fā)明所述的雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極由雙螺旋水槽套筒6、收集極襯底 7、前壓蓋8、后壓蓋9、前銀絲密封圈10及后銀絲密封圈11組成。套筒6內(nèi)壁開有雙螺旋水槽， 雙螺旋水槽包含主水道601、副水道602，主水道601軸向長度1^由電子轟擊區(qū)域長度1。確定， Lm^21c，主水道601螺距滿足21〈d〈31;副水道602起始點(diǎn)與主水道601起始點(diǎn)關(guān)于中心軸對 稱，螺距與主水道螺距相同，軸向長度為La，滿足La = 2Lm。主水道起始點(diǎn)開有進(jìn)水口 6011，終 止點(diǎn)開有出水孔6012,副水道的起始點(diǎn)開有進(jìn)水口 6021，終止點(diǎn)開有出水孔6022。在套筒6 的前后兩個(gè)法蘭上角向均勻地開有他個(gè)定位孔，分別用于與上游器件(如高功率微波源)和 下游器件（如天線或模式轉(zhuǎn)換器)裝配，本實(shí)施例中他=6;襯底7與套筒6同軸裝配，且兩端 平齊;在套筒6前后裝配面上角向均勻地開有他個(gè)固定螺紋孔，在前壓蓋8和后壓蓋9上沿角 向均勻地開有N2個(gè)固定螺孔，本實(shí)施例中N2 = 12，通過前壓蓋8和后壓蓋9將襯底7同軸固定 在套筒6的內(nèi)部，在8前壓蓋與套筒6之間利用前銀絲密封圈10進(jìn)行密封，在后壓蓋9與套筒6 之間利用后銀絲密封圈11進(jìn)行密封。
[0052]收集極正常工作時(shí)，襯底7內(nèi)腔為真空環(huán)境。上游器件產(chǎn)生的強(qiáng)流電子束從襯底7 前端口注入內(nèi)腔后，由于失去軸向?qū)б艌龅募s束作用而呈環(huán)狀向外發(fā)散，轟擊在襯底7內(nèi) 壁上并由其回收，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱沉積。雙螺旋型水槽主水道601和副水道602確保了其 中冷卻液在整個(gè)水槽區(qū)域具有均勻的流動(dòng)速度，不存在傳統(tǒng)冷卻水槽中的流速死區(qū)現(xiàn)象， 可以將沉積的熱能迅速耗散開來。
[0053]雙螺旋水槽的主水道601和副水道602由數(shù)控車床加工于套筒6的內(nèi)表面，所述套 筒6的材料為不銹鋼或黃銅，單圈水槽寬度為1，高度為h，螺距為d，l和h的選取應(yīng)遵循以下 原則:一方面要保證冷卻液的流量充足，否則會(huì)影響螺旋水槽的換熱量;另一方面要確保螺 旋水槽內(nèi)的冷卻液處于旺盛湍流狀態(tài)，即要求冷卻液壓強(qiáng)、流速和雷諾數(shù)(雷諾數(shù)是指流體 慣性力與黏性力比值的量度，是一個(gè)無量綱數(shù))達(dá)到一定的指標(biāo)，綜合上述兩方面的因素 ，h 取值為(2~3)mm，l取值為(5~6)mm;主水道從套筒內(nèi)壁前端起始，以電子束轟擊區(qū)域的中 心為中心，軸向長度為L m，滿足Lm^ 21。，螺距d滿足21〈d〈31。
[0054]收集極工作過程中，襯底7是直接承受電子束轟擊的部分，其安裝于螺旋水槽套筒 6內(nèi)部，該襯底7與雙螺旋水槽套筒6的內(nèi)表面的雙螺旋水槽主水道601和副水道602共同構(gòu) 成冷卻液通道，約束冷卻液在通道中均勻流動(dòng)。
[0055]前壓蓋8和后壓蓋9外圓周上均勻分布著N2個(gè)固定螺孔，位置與雙螺旋水槽套筒6 上的他個(gè)螺紋孔位置保持一致，將襯底7同軸安裝于螺旋水槽套筒6內(nèi)部以后，分別在襯底7 兩側(cè)安裝前壓蓋8和后壓蓋9，并用前銀絲密封圈10及后銀絲密封圈11密封，實(shí)現(xiàn)套筒6和襯 底7的固定結(jié)合。最后通過前壓蓋8和后壓蓋9上的固定螺孔配合套筒5前后裝配面上的螺紋 孔及螺釘即可完成雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極的裝配。
[0056] 當(dāng)然，在本發(fā)明中，將流通冷卻液的管道命名為雙螺旋水槽，并不意味著流通在雙 螺旋水槽中的冷卻液只有水，實(shí)際上任何具有冷卻功能的流體如乙二醇或者水與乙二醇的 混合液均可用作本發(fā)明的冷卻液。此外，雙螺旋水槽的橫截面形狀也不限于本發(fā)明實(shí)施例 中所描述的矩形，其它形狀如正方形、半圓形、半橢圓形、三角形等適合于流體均勻順暢流 動(dòng)的管道橫截面均可適用于本發(fā)明。
[0057] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施 例，凡屬于本發(fā)明思路下的設(shè)計(jì)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極，其特征在于:所述收集極由雙螺旋水槽套筒、 收集極襯底、前后兩個(gè)壓蓋及兩個(gè)銀絲密封圈組成； 所述套筒形狀為圓筒形，前后端開口處均設(shè)有固定法蘭，套筒的橫向截面內(nèi)腔直徑為 D1，D1由與其相連的上游器件輸出口的內(nèi)截面直徑及收集極襯底壁厚決定，套筒的軸向長度 為 Li，Li>41c; 在套筒內(nèi)壁開有雙螺旋水槽，所述雙螺旋水槽包含主、副兩部分水道，主、副水道均為 等距螺旋水槽且各自獨(dú)立，水槽截面均為矩形，水槽寬度為1，深為h，l和h的選取應(yīng)遵循以 下原則:一方面要保證冷卻液的流量充足，否則會(huì)影響螺旋水槽的換熱量;另一方面要確保 螺旋水槽內(nèi)的冷卻液處于旺盛湍流狀態(tài);主水道從套筒內(nèi)壁前端起始，以電子束轟擊區(qū)域 的中心為中心，軸向長度為L m，滿足Lm多2Ic，螺距為d，滿足21<d〈31，螺旋圈數(shù)為N，滿足 副水道起始點(diǎn)與主水道起始點(diǎn)關(guān)于中心軸對稱，副水道與主水道交錯(cuò)螺旋，螺 距與主水道螺距相同，軸向長度為L a，滿足La = 2Lm; 在雙螺旋水槽主水道及副水道的起始點(diǎn)所在處的法蘭側(cè)壁均開有進(jìn)水口，在雙螺旋水 槽主水道及副水道的終止點(diǎn)所在處的套筒側(cè)壁上均開有出水口，冷卻液通過進(jìn)水口導(dǎo)入到 雙螺旋水槽中并從出水口流出，將強(qiáng)流電子束轟擊襯底所產(chǎn)生的熱量帶走； 所述襯底為圓筒形，內(nèi)直徑為D，與上游器件輸出口的內(nèi)截面直徑相等，長度為L，滿足L =L1，厚度為Δ，滿足Δ =D1-D,將所述襯底保持與套筒同軸插入套筒內(nèi)腔，且前后端面平 齊，所述襯底外壁與套筒內(nèi)壁的雙螺旋水槽共同構(gòu)成冷卻液通道； 套筒與襯底通過前后兩個(gè)壓蓋壓緊裝配在一起，所述壓蓋為圓環(huán)狀金屬圓盤，在壓蓋 上沿角向均勻地開有螺孔，通過螺孔與套筒兩端裝配面上沿角向均勻開設(shè)的螺紋孔進(jìn)行配 合，將襯底同軸固定在套筒內(nèi)部； 壓蓋與套筒及襯底的裝配面上設(shè)置有密封槽，密封槽的中心直徑等于套筒內(nèi)直徑，對 應(yīng)于套筒和襯底的連接縫處，密封槽內(nèi)放置銀絲密封圈，用于隔離冷卻水道及外部空氣與 微波源器件內(nèi)的高真空環(huán)境。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極，其特征在于:所述雙螺旋水槽 寬度1的取值為(5~6)mm，深度h的取值為(2~3)mm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述雙螺旋水槽型強(qiáng)流電子束收集極，其特征在于:所述收集極襯底 的材料為鉭。
【文檔編號(hào)】H01J23/027GK105931934SQ201610284687
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】荀濤, 白珍, 張軍, 楊漢武, 靳振興, 楊建華, 張建德, 鐘輝煌
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)