一种在管外调整管内参数的方法鄢陵县水利局丁东良

One Method about Repairing Interior Parameter of the Tube Cao Hu-Hai HENAN Information Engineering College Zhengzhou，Henan 450008，China Summary：The KMF-1017 high-power microwave tube is one kind of high-power vacuum electronic device that has been designed in our country，its pulse power amounts to 20 megawatts,air pressure in the tube is 510 - 9 Torr.If there is the defect in the product, the tube must be cut open to repair.this will cause many economic loss. In this situation, if we dont cut open the tube, dont destroy the original vacuum system, can the performance of the tube be restored by adjusting interior parameter outside the tube? In this paper，the author mainly discusses one kind of method about adjusting interior parameter outside the tube. Keyword：vacuum tube adjust interior parameter 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：KMF 1017 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 20 MW，管内真空度为 5109 Torr。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 1.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 5109 Torr，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.Diagram of the klystron 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。 2.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. Induced current in the cavity 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. Equivalent circuit of the output cavity 图中 MI 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 Q e为与外接负载电导相应的外观品质因数 Q b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、Q e、Q b有关，Q 0、Q e、Q b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、Q e、Q b三者有关，如果 Q0、Q e、Q b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、Q e、Q b变化， 不导致 QL变化（即 Q0、Q e、Q b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、Q b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参数提供了可能。 3.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， 金属棒的半径我们选择为 2毫米。 图 4 输出窗 Fig4. Output window 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 24.5，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。虽然这是在特定的情况下才能