王 薇，丁宇杰，張寧江，孫自強(qiáng)，丁 晟* ，史召臣

(1.北京122 信箱，北京;2.南京三樂(lè)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，南京211800;3.解放軍91061 部隊(duì))

1 行波管簡(jiǎn)介

行波管的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 行波管結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，收集極部分極為關(guān)鍵，其作用是將電子槍發(fā)射出來(lái)的電子收集，并且將電子注的能量轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，如果收集極散熱性能不好，收集極內(nèi)部會(huì)隨溫度升高而大量放氣，使行波管內(nèi)真空度下降，陰極性能降低。

行波管的整管效率計(jì)算如下:

式中:Po為行波管輸出功率;IH為管體電流;UH為管體電壓;IC為收集極電流;UC為收集極電壓。

收集極電壓降得越低，行波管效率越高。降低收集極電壓是提高整管效率的有效途徑，同時(shí)也考驗(yàn)收集極在降壓后結(jié)構(gòu)上的絕緣能力。

以往收集極的組合方法有焊接、機(jī)械擠壓、液壓推進(jìn)等方式，但都存在各自的不足，難以滿足大功耗收集極的正常工作需要，磁脈沖擠壓方法的出現(xiàn)，使得高耗散功率的多級(jí)降壓收集極的制造成為可能［1］。

2 磁脈沖擠壓法的機(jī)理

磁脈沖擠壓加工的核心原理是基于電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)述如下:

將一圓筒形的金屬工件2 置于線圈1 中(見(jiàn)圖2)。用一充滿電荷的電容對(duì)線圈進(jìn)行瞬間放電，該電流在線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)H，其磁通為φ。這一磁通的變化將在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流I，I 與H 正交，它們之間形成的洛倫茨力為F，方向指向軸心。由于放電電流很大(可達(dá)幾萬(wàn)安培)，放電時(shí)間又很短，因此dφ/dt 很大，感應(yīng)電流I 就非常大，從而工件將受到一個(gè)巨大的擠壓力F。

圖2 “磁脈沖擠壓”原理示意圖

3 目前國(guó)內(nèi)外幾種組合降壓收集極結(jié)構(gòu)的對(duì)比［2］

瓷板結(jié)構(gòu)如圖3 所示，瓷筒結(jié)構(gòu)如圖4 所示，瓷桿結(jié)構(gòu)如圖5、圖6 所示。

圖4 瓷筒結(jié)構(gòu)收集極

圖5 瓷桿結(jié)構(gòu)收集極

圖6 瓷桿結(jié)構(gòu)收集極端面圖

對(duì)比以上三種典型結(jié)構(gòu)的收集極，我們總結(jié)出了以下幾條經(jīng)驗(yàn)［3］:

(1)瓷筒、瓷板收集極不焊接，裝配時(shí)出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象，管子工作過(guò)程中溫度急劇升高，擠壓過(guò)緊，導(dǎo)致陶瓷開(kāi)裂，絕緣下降。

(2)為加強(qiáng)散熱，將瓷筒、瓷板與收集極芯焊接起來(lái)，帶來(lái)的結(jié)果是陶瓷開(kāi)裂，易受污染，絕緣下降無(wú)法達(dá)到降壓的作用。

(3)瓷桿結(jié)構(gòu)收集極的收集極芯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，裝配方便，生產(chǎn)效率高。

具體工藝過(guò)程如下圖7 ～圖9 所示。

圖7 收集極瓷桿

圖8 收集極芯

圖9 擠壓后的收集極組合

圖6中1、2 部分分別對(duì)應(yīng)圖7、圖8 中部分，3為收集極外筒。1、2、3 組合擠壓完成后形成圖9 組件，圖9 中的3 即為擠壓成形后的收集極外筒。

當(dāng)將收集極組合放在線圈中時(shí)，原理同圖2 所示(1:收集極芯;2:收集極瓷桿;3:收集極外筒)。

收集極組合中的1 和3 同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但由于3 中的dφ/dt 大于1 中的dφ/dt，所以3 中的感應(yīng)電流大于1 中的感應(yīng)電流;同時(shí)由于3 為薄壁圓筒，所以3 的變形很大，經(jīng)磁擠壓后，3 將2 和1 緊緊包裹起來(lái)，形成一個(gè)收集極組合。從而在實(shí)際工作中，1 的熱量可迅速傳導(dǎo)至3 上(2 為具有導(dǎo)熱好和絕緣性能優(yōu)良的氧化鈹陶瓷材料)，將收集極芯的熱量導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)收集極組合良好的散熱功能，并且1 和3 之間的絕緣也能同時(shí)實(shí)現(xiàn)［4］。

4 引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備

磁脈沖擠壓工藝的主要技術(shù)要求在“磁擠壓工作臺(tái)”設(shè)備上完成。該設(shè)備充磁電源為高電壓、大電流的放電設(shè)備，在放電過(guò)程中會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力使被加工工件受到大的均勻的指向軸心的力(原理同圖2 所示)，從而使收集極芯、陶瓷材料以及無(wú)氧銅外筒緊密裝配。

技術(shù)規(guī)范:

(1)充電電壓 DC 100 V ～3 500 V(連續(xù)可調(diào))

(2)電容容量 4 000 μF(耐壓3 500 V，電容250 μF×16)

(3)允許輸出電流 最大30 000 A(波峰值)

(4)最大充放電時(shí)間間隔 13 s

(5)主控制部件 晶閘管控制

(6)尺寸 1 660 mm(W)×1 030mm(D)×2 000 mm(H)

該設(shè)備還備有三種磁場(chǎng)線圈，φ50 mm、φ70 mm、φ110 mm，主要是根據(jù)收集極組合體積的不同而配制的。隨著加工工件體積的不同，所提供的充電電壓也不相同根據(jù)P=1/2·CU2可計(jì)算出充、放電功率的數(shù)值，其中C 為充電電容容量，單位為μF，U 為充電電壓，單位為V。以下是現(xiàn)有線圈的充、放電能量。

5 采用磁脈沖擠壓法的工藝過(guò)程

(1)裝配收集極組合件;

(2)選擇線圈，組合件放置于線圈中心;

(3)選擇充放電參數(shù);

(4)設(shè)定參數(shù)對(duì)電容進(jìn)行充電;

(5)放電、成型;

(6)檢驗(yàn)。

時(shí)間:整個(gè)充放電過(guò)程約1 min 即可完成。

6 效果

使用“磁脈沖擠壓法”工藝裝配降壓收集極組合［5］，在我所有關(guān)產(chǎn)品中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用［6］，并形成了效益，下表為使用情況。

線圈和收集極組件參數(shù)表 單位:mm

7 結(jié)論

磁脈沖擠壓降壓收集極組件工藝具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

(1)方法比較先進(jìn);

(2)加工時(shí)間短，一般情況只需1 min ～2 min即可，可以節(jié)約能源，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低;

(3)可靠性大幅度提高;

(4)利用強(qiáng)大的脈沖電流和超強(qiáng)的磁場(chǎng)形成合力，使得收集極芯、陶瓷和外筒接觸緊密導(dǎo)熱效果極好［7］。

(5)節(jié)約材料，收集極芯、陶瓷和外筒三種零件都不會(huì)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象;

(6)提高生產(chǎn)良品率，損壞率幾乎為零。

我們自行對(duì)該工藝技術(shù)作了研究發(fā)展，磁脈沖擠壓希望在實(shí)際的生產(chǎn)工藝中得到實(shí)現(xiàn)，用在產(chǎn)品中體現(xiàn)了磁脈沖擠壓收集組件工藝所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，該工藝已順利成功地應(yīng)用于XX－Ⅰ管和XX－Ⅱ管的生產(chǎn)。

［1］ 電子管設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).中小功率行波管設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京，1976:304－306.

［2］ 汪春耘，張國(guó)興，胡長(zhǎng)江，等. 降壓收集極CAD 分析和實(shí)用化研究［C］//中國(guó)電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2006.9:10－12.

［3］ 郭開(kāi)舟.行波管研制技術(shù)［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2008:97－98.

［4］ 丁耀根.大功率速調(diào)管的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用［M］. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010:319－326.

［5］ A.S.吉爾默.行波管原理［M］.吳常津，譯.2008:257－258.

［6］ 趙國(guó)慶. 寬帶大功率行波管多級(jí)降壓收集極設(shè)計(jì)程序研究［D］.成都電子科技大學(xué)，2002.

［7］ 郭開(kāi)舟.物理及理論問(wèn)題［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2011:70－71.

［8］ Элктлонная Техника［C］//С. Е. Р С. В. Ч－Технцка. выи. 2(482)/2008.