MG6090磁控管在12MeV駐波電子直線加速器中的應用

郭彥斌，范林霞

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

MG6090磁控管在12MeV駐波電子直線加速器中的應用

郭彥斌，范林霞

（北京機械工業(yè)自動化研究所，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用，并介紹了使用中的注意事項等。

磁控管；工作原理；技術(shù)特性；磁場強度

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。因為速調(diào)管是作為功率放大管工作的，所以需要激勵部分。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，不適合安裝在運動方向復雜的場合，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。實質(zhì)上它是一個置于恒定磁場中的二極管。管內(nèi)電子在相互垂直的恒定磁場和恒定電場的控制下，與高頻電磁場發(fā)生相互作用，把從恒定電場中獲得能量轉(zhuǎn)變成微波能量，達到產(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，相鄰兩個諧振腔腔口處微波電場相位正好相差180°,即微波電場方向正好相反。雖然這種微波場為駐波場，但在π模的情況下，相當于兩個相同的微波場在圓周上沿相反的方向運動，兩個場的相速值相等。從陰極發(fā)射出的電子在正交電磁場作用下作輪擺線運動。調(diào)節(jié)直流電壓和恒定磁場,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動的一個微波場的相速，電子就可以與微波場作同步運動。在同步運動過程中，處在微波減速場中的那部分電子將自己的直流位能逐漸交給微波場，并向陽極靠攏，最后為陽極所收集。這部分電子向微波場轉(zhuǎn)移能量。處在微波加速場的那部分電子從微波場獲得能量并向陰極運動，最后打在陰極上。這部分電子在回轟陰極時打出次級電子，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)，而且均在向陽極運動過程中，有利電子回旋的時間又較長,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，因而從微波場吸收能量也較少。這樣，互作用空間全部電子與微波場相互作用的總的效果是，電子將直流位能交給微波場，在磁控管中建立起穩(wěn)定的微波振蕩。圖1是MG6090磁控管實物圖片。

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相互作用的空間。在恒定磁場和恒定電場的作用下，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，還對高頻電磁場的振蕩頻率起決定性的作用。

圖1 MG6090磁控管

陽極由導電良好的金屬材料（如無氧銅）制成，并設(shè)有多個諧振腔，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，陽極上的每一個小諧振腔相當于一個并聯(lián)的LC振蕩回路。

磁控管的陽極由許多諧振腔耦合在一起，形成一個復雜的諧振系統(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間隔一個地連接起來,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組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大，是整個管子的心臟。

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間短和抗電子轟擊能力強等優(yōu)點。

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。陰極引線工作時溫度很高，常用強迫風冷散熱。磁控管工作時陰極接負高壓，因此引線部分應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，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，可以很方便的靠改變磁場強度的大小，來調(diào)整輸出功率和工作頻率。

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

MG6090磁控管推薦使用電磁鐵MG6053。電磁鐵兩個線圈串聯(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)不能同時使用，單獨規(guī)定值也不能超出。

最小最大磁場強度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波導氣壓- 3.1kg/cm2g

典型工作條件：

磁場強度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。當磁控管平均功率達到1.7kW以上時，燈絲電壓由13～14V切換到8～9V；當磁控管平均功率上升到5.0kW以上時，燈絲電壓由8～9V切換到0V。工程中等絲切換工作具體由15AP板實現(xiàn)。

2.4 各種功率下時推薦的參數(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充電電壓來實現(xiàn)。圖4為各種功率下推薦使用的參數(shù)對應曲線。

2.5 實測數(shù)據(jù)

表1為實際使用熱測臺測試的磁控管部分參數(shù)。

圖4 各種功率時推薦的參數(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、時間抖動、頻率抖動等在應用中需要考慮。

3 使用中注意事項

在MG6090磁控管的應用資料中，還列出以下注意事項：

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會導致加熱電路損壞；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螺絲孔中的柔性螺桿驅(qū)動，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，當磁控管沿水平軸旋轉(zhuǎn)時，這個軸應該與調(diào)諧器的軸平行。

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

表1 MG6090磁控管實測參數(shù)

5）電壓脈沖上升速率定義為相當于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30秒鐘內(nèi)會變化，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，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，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，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.

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)控機床重大專項資助（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。