基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极及其控制方法

技术领域

本发明涉及强流加速器及高功率微波技术领域，特别是涉及基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极及其控制方法。

背景技术

本发明的应用背景是重频、准连续运行的高功率微波产生器件。高功率微波产生器件是一种利用强流相对论电子束在真空高频结构中与高频结构的本征模相互作用机制，把高能电子束的能量转化为高频电磁波能量的器件，在军事和工业中都有重要应用。目前，高功率微波器件的能量效率普遍较低，强流相对论电子束在经过束波相互作用交出部分能量后仍具有较高的动能，电子束收集极的作用便是接收这部分与高频电磁场相互作用后的强流电子束。然而电子束收集极在工作过程中受高速电子的轰击会沉积大量的热能，导致收集极上的温度骤然升高，引起材料表面吸附气体的解吸附甚至材料本身发生蒸发和汽化，而收集极高温热脱附和材料汽化不仅会污染真空环境，更可能导致有害等离子体的产生。

随着高功率微波系统的实用化进程，特别是当高功率微波器件以一定重复频率长时间运行时，必须考虑如何有效减小束流轰击收集极对系统的影响。目前传统的做法主要包括优化水冷设计和改进收集极材料，这在一定程度上可以缓解高功率微波器件在单次、低重复频率或较短时间运行时收集极的问题。但由于强流束在收集极上的轰击区域主要固定集中于收集极内表面一环形薄带内，该环形薄带宽度大约为3～10mm，微波波段不同而略有差异，频段越高，薄带宽度越小，直径和收集极内表面直径相同。如果能量总集中在相同区域而不能得到有效转移，在器件长时间运行时，该区域将由于热积累而导致局部温度超过材料熔点而发生熔蚀，成为高功率微波系统可靠运行的瓶颈。

因此，提供一种能够适用于连续运行高功率微波源的电子束收集极是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够在不影响微波产生和传输的前提下，有效避免强流电子束总是攻击收集极内表面的相同区域，缓解沉积热量过于集中的问题，降低收集极耐热压力，适用于连续运行的高功率微波源。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极，用于连接上游器件和下游器件，完成微波或电子束的传输，包括收集极衬底、收集极外筒、收集极滑筒；所述收集极衬底套接在所述收集极外筒的内腔，所述收集极衬底两端均超出所述收集极外筒；所述收集极衬底的一端与所述上游器件可拆卸连接，所述收集极衬底的另一端与所述收集极滑筒滑动连接；所述收集极滑筒的一端与所述收集极外筒固定连接，所述收集极滑筒的另一端与所述下游器件可拆卸连接；

所述收集极滑筒外壁固定连接有传动电机，所述传动电机连接有转动齿轮，所述转动齿轮位于所述收集极滑筒内腔；所述收集极衬底外壁设有条形齿轮，所述条形齿轮与所述转动齿轮的尺寸和位置相匹配，所述条形齿轮与所述收集极滑筒相对的一端固定连接有凸起；所述收集极外筒与所述收集极滑筒内壁交接处设有第一行程开关，所述收集极滑筒内壁设有第二行程开关；所述第一行程开关设于所述条形齿轮所在的直线上。

优选地，所述收集极外筒与所述收集极滑筒交接处还设有第一急停开关，所述收集极滑筒内壁还设有第二急停开关；所述第一行程开关的长度大于所述第一急停开关的长度，所述第二行程开关的长度大于所述第二急停开关的长度；所述第一急停开关设于所述条形齿轮所在的直线上。

优选地，所述收集极衬底外壁周向设有定位法兰，所述定位法兰外壁轴向设有若干个定位槽键位和一个齿轮固定键位；所述收集极滑筒内壁设有若干个定位凹槽，所述定位槽键位与所述定位凹槽的尺寸、位置、数量相匹配，所述定位槽键位与所述定位凹槽滑动连接；所述齿轮固定键位与所述条形齿轮相连接。

优选地，所述收集极滑筒、所述收集极外筒两端均设有固定法兰，所述固定法兰角向均匀地开设有若干个定位孔，所述收集极套筒与所述收集极外筒通过在所述固定法兰相连接。

优选地，所述固定法兰设有密封槽。

优选地，所述密封槽内放置有银丝密封圈。

本发明还提供基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极控制方法，包括如下步骤：

控制收集极衬底按预定速率和方向进行运动；

接收到收集极衬底与行程开关接触的信息时，控制收集极衬底改变运动方向；

接收到收集极衬底与急停开关接触的信息时，控制收集极衬底停止工作。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过传动电机带动收集极衬底在行程范围内往复运动，能够在不影响微波产生和传输的前提下，有效避免强流电子束总是攻击收集极内表面的相同区域，缓解沉积热量过于集中的问题，降低收集极耐热压力，适用于连续运行的高功率微波源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极的立体图；

图2为本发明基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极的剖面图；

图3为本发明收集极衬底结构示意图；其中，图3(a)为收集极衬底正视图；图3(b)为收集极衬底沿AA’剖视放大图；

图4为本发明收集极滑筒结构示意图；其中，图4(a)为收集极滑筒正视图；图4(b)为收集极滑筒沿AA’剖视放大图；

图5为本发明PLC控制系统流程图；

图6为本发明实施例中使用可移动收集极结构前后的微波输出波形对比图；其中如图6(a)为使用可移动收集极结构前的微波输出波形图，图6(b)为使用可移动收集极结构后的微波输出波形图；

其中，1为转动齿轮；2为条形齿轮；3为第一急停开关；4为第二急停开关；5为收集极滑筒；6为第一行程开关；7为第二行程开关；8为收集极衬底；9为收集极外筒；10为传动电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-4所示，本实施例提供基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极及其控制方法，所述基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极一端与上游器件相连，另一端与下游器件相连；所述基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极包括收集极衬底8、收集极外筒9、收集极滑筒5；所述收集极衬底8套接在所述收集极外筒9的内腔，所述收集极衬底8两端均超出所述收集极外筒9；所述收集极衬底8的一端与所述上游器件可拆卸连接，另一端与所述收集极滑筒5滑动连接；所述收集极滑筒5的一端与所述收集极外筒9固定连接，另一端与所述下游器件可拆卸连接。

为叙述方便，将基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极与上游器件(如重频高功率微波源)连接的一端定义为前端，微波输出的一端定义为后端，微波和电子束传输的方向定义为轴向，垂直于微波和电子束传输的方向定义为横向；所述收集极衬底8与本发明中所描述的收集极焊接在一起，统称为收集极衬底8。

所述收集极衬底8为所述基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极的主体部件，所述收集极衬底8形状为圆筒形，横向截面内腔直径为D1，D1由与其相连的上游器件(如重频高功率微波源)输出口的内截面直径及所述收集极衬底8的壁厚决定，轴向长度为L1；所述收集极衬底8外沿周向设有定位法兰，所述定位法兰截面直径为D2，所述定位法兰外沿的轴向设有四个键位，四个所述键位设于所述收集极衬底8的后端，分别为三个定位槽键位、一个齿轮固定键位，三个所述定位槽键位高度为H1，宽度为L2，用于所述收集极衬底8与所述收集极滑筒5进行连接；所述齿轮固定键位高度为H2，宽度为L3，四个所述键位长度均为L4；所述齿轮固定键位固定连接有条形齿轮2，所述条形齿前端固定连接有凸起。

所述收集极滑筒5为圆筒形，横向截面内腔直径为D3，轴向长度为L5，所述收集极滑筒5的前后端开口处均套设有第一固定法兰，所述第一固定法兰直径为D4，所述第一固定法兰上沿角向均匀地开设有若干个第一定位孔，用于所述收集极滑筒5与所述收集极外筒9、下游器件(如天线或模式转换器)装配；两个所述第一固定法兰均设有第一密封槽，所述第一密封槽直径与所述收集极滑筒5的横向截面内腔直径相同，两个所述第一密封槽内均放置有银丝密封圈，所述银丝密封圈相比于传统的丁晴橡胶密封圈或氟塑料密封圈的优势是能够承受高温，其尺寸选取按照丁晴橡胶圈的尺寸标准(GB6071.1-85)执行。所述收集极滑筒5内壁设有三个定位凹槽，所述定位凹槽与所述定位槽键位的尺寸和位置相匹配，所述收集极滑筒5通过三个定位凹槽与所述收集极衬底8的三个定位槽键位装配在一起；所述定位凹槽宽度为L6，横向高度为H3，槽口宽度为L7，横向深度为H4，轴向长度为L8；其中一个所述定位凹槽后端设有第二急停开关4、第二行程开关7，所述第二行程开关7的长度大于所述第二急停开关4的长度。

所述所述收集极外筒9与所述收集极滑筒5内壁的交接处设有第一急停开关3、第一行程开关6，所述第一行程开关6的长度大于所述第一急停开关3的长度；所述第一行程开关6、第一急停开关3均设于所述条形齿轮2所在的直线上。

所述收集极滑筒5外壁固定连接有传动电机10，所述传动电机10通过传动杆固定连接有转动齿轮1，所述传动杆贯穿所述收集极滑筒5侧壁；所述条形齿轮2与所述转动齿轮1的尺寸和位置相匹配，通过所述传动电机10带动所述转动齿轮1转动，并通过所述转动齿轮1与所述条形齿轮2咬合带动所述收集极衬底8运动。

所述第一行程开关6、所述第二行程开关7用于限定所述收集极衬底8的运动行程；所述凸起与所述第一行程开关6相接触或所述收集极衬底8与所述第二行程开关7相接触的情况下，改变所述转动齿轮1的转动方向，使所述收集极衬底8进行往复运动。

所述第一急停开关3、所述第二急停开关4用于防止所述收集极衬底8运动至规定行程之外而造成的器件损坏；所述凸起与所述第一急停开关3相接触或所述收集极衬底8与所述第二急停开关4相接触的情况下，所述基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极停止工作。

所述收集极外筒9为圆筒形，所述收集极衬底8同轴套接在所述收集极外筒9的内腔，所述收集极衬底8前后两端均伸出所述收集极外筒9。

所述收集极外筒9前后端开口处均套设有第二固定法兰，所述第二固定法兰上沿角向均匀地开设有若干个第二定位孔，所述第二定位孔与所述第一定位孔位置和尺寸相一致，所述收集极外筒9与所述收集极滑筒5通过在所述第二定位孔与所述第一定位孔内安装螺丝进行固定连接。两个所述第二固定法兰均设有第二密封槽，所述第二密封槽直径与所述收集极外筒9的横向截面内腔直径相同，两个所述第二密封槽内均放置有银丝密封圈。

本发明通过PLC控制所述传动电机10的运转；

本实施例中所述PLC采用三菱PLC、西门子PLC、欧姆龙PLC中的一种，还能根据实际应用需求，选取其他成熟商业PLC；所述PLC的具体控制方法如图5所示，包括：

将所述传动电机10、第一行程开关6、第二行程开关7、第一急停开关3、第二急停开关4的程序载入所述PLC中；

所述传动电机10按预定速率控制所述转动齿轮1运转，通过所述转动齿轮1、条形齿轮2带动所述收集极衬底8轴向运动；在所述第一行程开关6、第二行程开关7共同作用下控制所述传动电机10的正反转；所述传动电机10运转过程中，所述凸起接触所述第一行程开关6、或所述收集极衬底8接触所述第二行程开关7时，控制所述传动电机10改变运转方向，从而带动所述收集极衬底8轴向往复运动，通过所述收集极衬底8轴向往复运动，有效避免了强流电子束每次轰击的轰击面固定不变；

所述凸起接触所述第一急停开关3、或所述收集极衬底8接触所述第二急停开关4时，系统断电，所述基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极停止工作，防止PLC控制电路受自身程序或外界电磁干扰的影响，导致所述凸起接触所述第一行程开关6或所述收集极衬底8接触所述第二行程开关7时，所述传动电机10运转方向未发生改变，有效保证器件的安全性。

进一步地优化方案，所述转动齿轮1、所述条形齿轮2均采用直齿圆柱齿轮，以保证齿轮配合性和运动性；所述条形齿轮2的长度和宽度与所述收集极衬底8的齿轮固定键位相一致。

进一步地优化方案，所述第一行程开关6、第二行程开关7均采用市场上较为成熟的欧姆龙行程开关、西门子行程开关、施耐德行程开关中的一种或两种。

为进一步验证本发明基于可移动衬底的长寿命强流电子束收集极的有效性，本实施例使用可移动收集极结构前后的微波输出波形分别如图6(a)、图6(b)所示；取五次连续输出波形进行对比，能够观察到在使用本发明可移动收集极结构后，微波输出波形的质量和稳定性均得到较大提升。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。