一种65MW大功率速调管的制作方法

本发明涉及超高频真空电子器件领域，具体涉及一种65mw大功率速调管。

背景技术：

目前，国内虽然已在实验室试制出输出功率大于50mw的大功率速调管，但是由于速调管内真空度差，加高压工作时打火频繁，工作不稳定等原因无法实用到科学装置上去，能够实际应用到科学装置中的国产大功率速调管的最大功率只能达到30mw。

随着科学技术的发展，30mw速调管已不能满足使用要求，而在高能加速器、国防建设等领域迫切需要输出功率更大的大功率速调管。因此，需要设计研制输出功率更大的大功率速调管，并且必须工作稳定可靠，能满足科学装置的使用要求。

如中国发明专利申请(公布号103681177、公布日2014.3.26)公开了一种s波段12.1％带宽速调管，其中电子枪组件包括电子枪底盘组件；电子枪过渡段；电子枪绝缘陶瓷，其下端与电子枪底盘组件连接，上端与电子枪过渡段连接；电场保护环，设置于电子枪绝缘陶瓷的上端的下方；以及电子枪，与电子枪底盘组件连接，包括热子组件、阴极和聚束极。该热子组件、和阴极就是单独制造，然后通过电阻焊组装，蔽效果差，牢固性也差。

如中国实用新型专利(授权公告号203339103、授权公告日2013.12.11)公开了一种微波功率输出窗与速调管连接结构，，微波功率输出窗包括密封套筒、连接环、固定在连接环底部的连接套筒、固定在密封套筒内侧的输出瓷片、固定在密封套筒外圈的钼带，密封套筒顶部与连接环固定，密封套筒底部与连接套筒固定，输出瓷片将密封套筒隔成相互独立的上下两部分，还包括上密封垫圈、下密封垫圈、法兰紧固件、设在速调管输出端的上波导法兰和下波导法兰，微波功率输出窗设在上波导法兰和下波导法兰之间，连接环与上波导法兰通过上密封垫圈连接，连接套筒与下波导法兰通过下密封垫圈连接，上波导法兰和下波导法兰通过法兰紧固件固定。本实用新型虽然能方便输出窗与速调管的拆卸和输出窗的高功率试验，但高温焊接时，金属零件与陶瓷窗片之间仍会产生隙缝，所以导致大功率速调管微波输出窗的焊接成品率低，从而使得微波输出陶瓷窗的性能也较差。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种管内超高真空、管内耐高压性能好且工作稳定可靠的65mw大功率速调管，来保证速调管的输出功率达到65mw。

为实现上述目的，本发明所设计的65mw大功率速调管，包括电子枪组件、群聚段组件、输出段组件及收集极；所述电子枪组件包括绝缘陶瓷组件、内置在所述绝缘陶瓷组件中的电子枪芯；所述群聚段组件包括输入腔及二腔组件、长漂移管高频增益段；所述输出段组件包括双窗输出段组合波导及设置在所述双窗输出段组合波导上的微波输出窗；所述电子枪芯包括聚束极支架、阴极支架、安装在所述聚束极支架上的聚束极和安装在所述阴极支架上的阴极组件；

所述阴极组件包括阴极热子组合件、热子引线杆及用于连接所述阴极热子组合件和所述热子引线杆的连接套；其中，所述阴极热子组合件包括阴极、一端钎焊在所述阴极底面内卡槽的内热屏套、通过固态氧化铝瓷固定在所述阴极底面内热屏套内的热子、通过连接杆固定在所述固态氧化铝瓷上的上底热屏、一端钎焊在所述阴极底面外卡槽的外热屏套及钎焊在所述外热屏套另一端的连接底盘，其中，所述热子的上自由端依次穿过所述上底热屏的上通孔和所述连接底盘的中间通孔，所述热子的下自由端穿过所述上底热屏的下通孔并钎焊在所述连接底盘上；

所述连接套一端的连接盘通过螺钉固定在所述阴极热子组合件的连接底盘上，所述热子引线杆的一端从所述连接套的另一端插入直至所述热子引线杆的引线部伸入所述连接套的空腔内，且所述阴极热子组合件的上自由端伸入所述空腔内直至贴合在所述引线部前端连接板的表面上；位于所述上自由端的上方布置有带固定孔的压紧块，固定螺栓依次穿过所述连接板的螺栓孔和所述压紧块的固定孔将所述上自由端压紧在所述连接板和所述压紧块之间。

进一步地，位于所述引线部的垂直方向插入有第一瓷管，位于所述引线部的水平方向插入有第二瓷管，且所述第一瓷管与所述第二瓷管之间不相通留有间隙，第一镍线穿过所述第一瓷管后两个自由端分别打弯焊接在所述连接套的外周缘上，第二镍线穿过所述第二瓷管后两个自由端分别打弯焊接在所述连接套的外周缘上。

进一步地，所述阴极热子组合件的焊接方法包括如下步骤：

1)单独制备阴极和热子预制件：

所述阴极的外边沿设有一圈内卡槽和一圈外卡槽；

所述热子预制件为由一根热子坯料双向绕制成螺旋状热子预制件，且所述热子预制件的两个自由端上下并排布置形成上自由端和下自由端；

2)焊接阴极组件：

将内热屏套一端从所述阴极的底面插入至所述阴极内卡槽中并钎焊在所述阴极上，形成一端开口的阴极组件；

3)热子与阴极组件焊接：

将氧化铝膏从步骤2)中的开口端装入阴极组件中，然后将热子预制件的螺旋状部分埋入氧化铝膏内且位于氧化铝膏的下部，并将连接杆的一端埋入氧化铝膏内且位于氧化铝膏的上部；

4)安装上底热屏并打弯自由端形成热子：

将步骤3)中热子预制件的上自由端和下自由端分别穿过上底热屏底部的上通孔和下通孔，然后将所述连接杆的另一端插入所述上底热屏的上部焊槽中并填充焊料，最后将所述热子预制件的下自由端垂直向下弯折，上自由端先垂直向上弯折后再水平向外弯折形成热子；

5)焊接外热屏套和连接底盘：

完成步骤4)后，将外热屏套的一端从所述阴极的底面插入至所述阴极外卡槽中并填充焊料，连接底盘的中间通孔穿过所述上自由端直至所述外热屏套的另一端抵在所述连接底盘边沿的凸台上并填充焊料，最后在下自由端与所述连接底盘的连接处填充焊料形成阴极热子预制件；

6)焊接形成阴极热子组合件：

完成步骤5)后，将阴极热子预制件放入高温氢炉中钎焊成阴极热子组合件，所高温氢炉中钎焊的温度为1350～1420℃，同时，将氧化铝膏烧结成固态氧化铝瓷。

进一步地，所述热子预制件的上自由端与下自由端均为直线段且平行布置，所述上自由端与所述下自由端之间的中心距离与所述上底热屏上通孔和下通孔之间的中心距离相等。

进一步地，所述微波输出窗的加工方法包括如下步骤：

1)单独加工金属封接套筒、陶瓷窗片、焊接定位模、石墨模、上输出窗加固套及下输出窗加固套，其中，金属封接套筒与陶瓷窗片之间设计成过盈配合，且金属封接套筒的配合尺寸比陶瓷窗片的配合尺寸小0.06～0.09mm；

2)将金属封接套筒和焊接定位模一起置于高温炉加温至300～500℃后保温15～30分钟，然后将金属封接套筒和焊接定位模从高温炉中取出；

3)完成步骤2)后，采用过盈配合将陶瓷窗片插入至金属封接套筒内，用焊接定位模将陶瓷窗片定位固定在金属封接套筒内，所述陶瓷窗片内置在所述金属封接套筒的中间位置，且所述焊接定位模的凸起支撑着所述陶瓷窗片的底部，所述金属封接套筒的底部抵在所述焊接定位模的凸台上，并在陶瓷窗片与金属封接套筒连接处填充第一焊料形成焊件；

4)完成步骤3)后，将焊件置于石墨模中，所述金属封接套筒的侧壁抵在所述石墨模的内壁上，同时，所述石墨模的底端抵在所述焊接定位模的凸台上，然后放入高温炉中进行高温封接，高温封接后拆卸石墨模和焊接定位模，得到微波输出窗的封接件；

5)在封接件外周缘且靠近陶瓷窗片位置处用钼带捆绑封接件、并用若干根钼丝捆绑扎紧钼带；然后再在封接件外周缘的上下两端分别捆绑焊料丝；

6)完成步骤5)后，将上输出窗加固套套置在封接件的上端，将下输出窗加固套套置在封接件的下端，并在上输出窗加固套与下输出窗加固套焊缝处填充第二焊料形成微波输出窗预制件；

7)完成步骤6)后，将微波输出窗预制件置于高温炉中进行高温焊接形成所需的微波输出窗。

进一步地，所述上自由端与所述压紧块之间衬有带通孔的垫板，所述连接板与所述螺栓的螺帽之间衬有带定位孔的压紧板。

进一步地，所述第一镍线和所述第二镍线的直径均为0.8～1.0mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的大功率速调管，大大地提高速调管的管耐压，避免管内打火，提高速调管的稳定性，确保速调管在350kv的高工作电压下能稳定工作，从而使输出功率达到65mw。

附图说明

图1为本发明65mw大功率速调管的结构示意图；

图2为图1的剖视示意图；

图3为图1中输出段结构示意图；

图4为图1中电子枪芯结构示意图；

图5为图1中阴极结构示意图；

图6为图1阴极与内热屏套连接示意图；

图7为图1中热子预制件与阴极组件连接示意图；

图8为图1中阴极热子组合件示意图；

图9为图1中阴极热子组合件与热子引出杆连接结构的示意图；

图10为本实施例中焊接定位模结构示意图；

图11为本实施例中石墨模示意图；

图12为本实施例中装配结构示意图；

图13为本实施例中制备的封接件示意图；

图14为本实施例中封接件捆绑钼带钼丝结构示意图；

图15为本实施例制备的微波输出窗结构示意图。

图中各部件标号如下：

阴极热子组合件310、阴极110(其中：内卡槽111、外卡槽112)；内热屏套120；氧化铝膏130；热子预制件140(其中：螺旋状部分141、上自由端142、下自由端143)；上底热屏150(其中：下通孔151、上通孔152、连接杆153)；连接底盘160(其中：中间通孔161、凸台162)；热子170；支撑杆180；外热屏套190；

微波输出窗200；封接件210(其中：陶瓷窗片211、金属封接套筒212、钼带213、钼丝214)、石墨模220(其中：内壁221、底端222)、第一焊料230、焊接定位模240(其中：凸起241、凸台242)、焊缝250、上输出窗加固套260、下输出窗加固套270；

热子引线杆320(其中：引线部321、连接板322、第一螺孔323)；连接套330(其中：连接盘331、螺钉332、空腔333)；压紧块340、垫板350、压紧板360、固定螺栓370；第一瓷管380(其中：第一镍线381)；第二瓷管390(其中：第二镍线391)；

电子枪组件400、绝缘陶瓷组件410、电子枪芯420、聚束极支架430、阴极支架440、聚束极450、阴极组件460；

群聚段组件500、输入腔及二腔组件510、长漂移管高频增益段520、收集极530；

输出段组件600、双窗输出段组合波导610。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示65mw大功率速调管，包括电子枪组件400、群聚段组件500、输出段组件600及收集极530；电子枪组件400包括绝缘陶瓷组件410、内置在绝缘陶瓷组件410中的电子枪芯420；群聚段组件500包括输入腔及二腔组件510、长漂移管高频增益段520；结合图3所示，输出段组件600包括双窗输出段组合波导610及设置在双窗输出段组合波导610上的微波输出窗200；如图4所示，电子枪芯420包括聚束极支架430、阴极支架440、安装在聚束极支架430上的聚束极450和安装在阴极支架440上的阴极组件460，聚束极450、聚束极支架430与阴极支架440的连接安装的具体结构已在中国实用新型专利(申请号201620238116.3、申请日2016.03.25)公开，在此不再赘述。

如图9所示，阴极组件460包括阴极热子组合件310、热子引线杆320及用于连接阴极热子组合件310和热子引线杆320的连接套330；结合图8所示，阴极热子组合件310包括阴极110、内热屏套120、固态氧化铝瓷、热子170、上底热屏150、外热屏套190及连接底盘160，内热屏套120的一端钎焊在阴极110底面内卡槽111处，热子170的螺旋状部分141通过固态氧化铝瓷固定在阴极110底面的内热屏套120内，连接杆153的一端固定在固态氧化铝瓷的上部，连接杆153的另一端钎焊在上底热屏150上部，外热屏套190的一端钎焊在阴极110的外卡槽112处，外热屏套190的另一端钎焊在连接底盘160边沿的凸台162上，且上底热屏150与连接底盘160之间钎焊有若干根支撑杆180，热子170的上自由端142依次穿过上底热屏150的上通孔152和连接底盘160的中间通孔161，而热子170的下自由端143穿过上底热屏150的下通孔151并钎焊在连接底盘160上。

再次如图9所示，连接套330一端的连接盘331通过螺钉332固定在阴极热子组合件310的连接底盘311上，而热子引线杆320的一端从连接套330的另一端插入直至热子引线杆320的引线部321伸入连接套330的空腔333内，同时，阴极热子组合件310的上自由端312伸入空腔333内直至贴合在引线部321前端连接板322的表面上。位于上自由端312的上方布置有压紧块340，上自由端312与压紧块340之间衬有垫板350，而连接板322表面位于上自由端312的对面布置有压紧板360(即上自由端312和压紧板360分布在连接板322的两面)，压紧块340上开设有固定孔、垫板350上开设有通孔，压紧板360开设有定位孔，同时，压紧块340的固定孔、垫板350的通孔、连接板322的螺栓孔及压紧板360的定位孔同轴布置，固定螺栓370依次穿过定位孔、螺栓孔、通孔及固定孔将压紧板360、连接板322、垫板350及压紧块340固定在一起，从而将上自由端312压紧在连接板322和垫板350之间，压紧板360位于连接板322和固定螺栓370的螺母之间。本实施例中，固定螺栓370的个数为两个，两个固定螺栓370对称布置在上自由端312的两侧。热子引线杆320采用无氧铜材料制作，压紧板360和压紧块340将连接板322和垫板350压紧时，从而将位于连接板322和垫板350之间的上自由端312夹紧，当连接板322和垫板350将上自由端312夹紧时，热子引线杆320的连接板322与垫板350在靠近上自由端312处发生形变，使热子引线杆320的连接板322与上自由端312之间接触紧密、牢靠；而通过固定螺栓360固定连接板322与上自由端312，连接牢靠，操作方便，且便于拆卸，有利于大功率速调管的返修。

另外，引线部321的垂直方向插入有第一瓷管380，位于引线部321的水平方向插入有第二瓷管390，且第一瓷管380与第二瓷管390之间不相通留有间隙，第一镍线381穿过第一瓷管380后两个自由端分别打弯焊接在连接套330的外周缘上，第二镍线391穿过第二瓷管390后两个自由端分别打弯焊接在连接套330的外周缘上；本实施例中，第一镍线381和第二镍线391的直径均为0.8～1.0mm，这样粗细的镍线既能起到固定的作用，又有一定的柔性，因此，在热子加热或冷却时具有一定的缓冲作用，另外，在做振动试验和运输过程中也有一定的缓冲作用，从而极大的提高产品的可靠性。

结合图5、图6及图7所示，阴极热子组合件的焊接方法包括如下步骤：

1)单独制备阴极和热子预制件：

阴极110的外边沿设有一圈内卡槽111和一圈外卡槽112，如图5所示；

热子预制件140为由一根热子坯料双向绕制成螺旋状热子预制件，热子预制件140的两个自由端上下并排布置形成上自由端142和下自由端143，而上自由端142与下自由端143均为直线段且平行布置，如图3所示，上自由端142与下自由端143之间的中心距离与上底热屏150上通孔152和下通孔151之间的中心距离相等；

2)焊接阴极组件：

将中空的内热屏套120一端从阴极110的底面插入至阴极内卡槽111中并钎焊在阴极110上，形成一端开口的阴极组件，如图6所示；

3)热子与阴极组件焊接：

将氧化铝膏130从步骤2)中的开口端装入阴极组件中，然后将热子预制件140的螺旋状部分141埋入氧化铝膏130内且位于氧化铝膏130的下部，热子预制件140的其余部分裸露在氧化铝膏130外，同时将连接杆153的一端埋入氧化铝膏130内且位于氧化铝膏130的上部，从而将连接杆153的一端和热子预制件140的螺旋状部分141埋在内热屏套120内，如图7所示，另外，本实施例中氧化铝膏130由棉胶和氧化铝粉调至而成；

4)安装上底热屏并打弯自由端形成热子：

将步骤3)中热子预制件140的上自由端142和下自由端143分别穿过上底热屏150底部的上通孔152和下通孔151(即上自由端142穿过上通孔152，下自由端143穿过下通孔151)，然后将连接杆153的另一端插入上底热屏150的上部焊槽中并填充焊料，最后将热子预制件140的下自由端143垂直向下弯折，上自由端142先垂直向上弯折后再水平向外弯折形成热子170，如图8所示；

5)焊接外热屏套和连接底盘：

完成步骤4)后，将外热屏套190的一端从阴极110的底面插入至阴极外卡槽112中并填充焊料，连接底盘160的中间通孔161穿过上自由端142直至外热屏套190的另一端抵在连接底盘160边沿的凸台162上并填充焊料，同时，在下自由端143与连接底盘160的连接处填充焊料，最后在上底热屏150与连接底盘160之间支撑若干根支撑杆180并填充焊料，形成阴极热子预制件；

6)焊接形成阴极热子组合件：

完成步骤5)后，将阴极热子预制件放入高温氢炉中，温度上升至1350～1420℃将各填充焊料钎焊，在钎焊的过程中，将氧化铝膏130烧结成固态氧化铝瓷，从而使热子170的螺旋状部分141和连接杆153的一端均牢牢固定在固态氧化铝瓷中，使得热子170和连接杆153均与阴极110连接固定，同时，热子170的下自由端143焊牢在连接底盘160上从而形成阴极热子组合件，形成的阴极热子组合件中，热子与阴极、上底热屏、内热屏套和外热屏套之间均绝缘良好。

本发明的大功率速调管电子枪用阴极热子组合件的焊接方法，先将一个内热屏套高温焊料钎焊到阴极上，然后用膏状的氧化铝将绕制好的热子固定到阴极底面的内热屏套中，再装配其它上底热屏、外热屏套和连接底盘，最后用高温焊料在高温氢炉中钎焊成阴极热子组合件，在高温焊接的同时，将膏状的氧化铝烧结成固态氧化铝瓷，使热子固定牢固。使制得的阴极热子组合件结构紧凑牢固，抗振动、抗冲击，且热屏蔽效果好，降低阴极加热功率，同时，热子170与阴极110、上底热屏150、内热屏套120和外热屏套190之间均绝缘良好。

结合图10、图11、图12、图13、图14及图15所示，微波输出窗200的加工方法，包括如下步骤：

1)单独加工金属封接套筒212、陶瓷窗片211、焊接定位模240、石墨模220、上输出窗加固套260及下输出窗加固套270，其中，金属封接套212的材质为铁白铜或可伐合金等金属，加工陶瓷窗片211时外圆金属化且镀镍，同时，金属封接套筒212与陶瓷窗片211之间设计成过盈配合，且金属封接套筒212的配合尺寸比陶瓷窗片211的配合尺寸小0.06～0.09mm；

2)将加工好的金属封接套筒212和焊接定位模240一起置于高温炉加温至300～500℃并保温15～30分钟，然后将金属封接套筒212和焊接定位模240从高温炉中取出；

3)完成步骤2)后，采用过盈配合将陶瓷窗片211内置在金属封接套筒212的中间位置处，用焊接定位模240将陶瓷窗片211定位固定在金属封接套筒212内，即焊接定位模240的凸起241支撑着陶瓷窗片211的底部，金属封接套筒212的底部抵在焊接定位模240的凸台242上，并在陶瓷窗片211与金属封接套筒212连接处填充第一焊料230形成焊件；

4)将焊件置于石墨模220中，金属封接套筒212的侧壁抵在石墨模220的内壁221上，同时，石墨模220的底端222抵在焊接定位模240的凸台242上，然后放入高温炉中进行高温封接，高温炉进行高温焊接的温度为填充第一焊料230的熔点，例如：第一焊料230为无氧铜焊料时，焊接的温度为1083℃；高温封接后，拆卸石墨模220和焊接定位模240，得到所需的微波输出窗的封接件210；

5)在封接件210外周缘且靠近陶瓷窗片211位置处用钼带213捆绑封接件210、并用若干根钼丝214捆绑扎紧钼带213；然后再在封接件210外周缘的上下两端分别捆绑焊料丝；其中，焊料丝为熔点990～1100℃的金铜焊料丝或熔点950℃的金镍焊料丝；

6)完成步骤5)后，将上输出窗加固套260套置在封接件210的上端，将下输出窗加固套270套置在封接件210的下端，并在上输出窗加固套260与下输出窗加固套270焊缝250处填充第二焊料形成微波输出窗预制件；其中，焊缝处的第二焊料为熔点990～1100℃的金铜焊料熔点950℃的金镍焊料；

7)完成步骤6)后，将微波输出窗预制件置于高温炉中进行高温焊接，高温焊接的温度不能低于焊料丝和焊料中最高熔点的温度，若焊料丝为熔点990～1100℃金铜焊料丝，第二焊料为950℃的金镍焊料，则高温焊接的温度不能低于金铜焊料丝的熔点，出炉冷却形成所需的微波输出窗。

本发明加工方法的原理为：首先，单独加工好的金属封接套筒220与陶瓷窗片210之间设计成过盈配合，且金属封接套筒220的配合尺寸比陶瓷窗片210的配合尺寸小0.06～0.09mm，因此，金属封接套筒220与陶瓷窗片210在装配之前，先将金属封接套筒220加温至300～500℃，使金属封接套筒220的配合尺寸增大0.07～0.1mm，然后取出金属封接套筒220迅速将陶瓷窗片210装配到金属封接套筒220内，使金属封接套筒220与陶瓷窗片210配合非常紧密形成焊件；

其次，高温焊接之前，将装配好的焊件置于石墨模220中。由于石墨的热膨胀系数很小，与陶瓷材料(即陶瓷窗片211)的热膨胀系数很接近，输出窗的窗框(即金属封接套筒212)与陶瓷窗片211之间在高温封接时，一般采用的第一焊料230熔点为1083℃的无氧铜焊料，在这个高温下，采用石墨材料做成的高温封接模(即石墨模220)，热膨胀的尺寸只有0.01mm左右，因此能阻止金属封接套筒212制造的输出窗的窗框向外膨胀，使焊料完全填满焊缝；

最后，在封接好的封接件210外周缘靠近陶瓷窗片处用钼带213捆绑钼丝214扎紧固定，再在封接件210的上下端绑上熔点为990～1100℃的金铜焊料丝，或熔点为950℃的金镍焊料丝等，(在此温度范围下，钼材料的热膨胀系数很小，能阻止高温焊接时铁白铜、可伐合金等金属封接套筒往外膨胀)，然后装上上输出窗加固套260和下输出窗加固套270，并在上输出窗加固套260与下输出窗加固套270焊缝250处填充熔点为990～1100℃的金铜焊料丝、或为熔点950℃的金镍焊料丝进行高温焊接第二焊料。

采用本发明加工方法制造的微波输出窗200，如图15所示，包括封接件210、套置在封接件210上端的上输出窗加固套260及套置在封接件210下端的下输出窗加固套270；其中，封接件210包括金属封接套筒212及内置在金属封接套筒212中的陶瓷窗片211，封接件210外周缘且靠近陶瓷窗片211位置处捆绑有钼带213，钼带213的外周缘捆绑扎紧有若干根钼丝214。该微波输出窗提高了微波输出窗成品率，进而提高了微波输出窗的性能，从而保证了微波输出窗的可靠性。

该微波输出窗安装到双窗输出段组合波导的具体安装结构已在中国实用新型专利(申请号201320250137.3、申请日2013.05.10)公开，在此不再赘述。

因此，本发明的大功率速调管，大大地提高速调管的管耐压，避免管内打火，提高速调管的稳定性，确保速调管在350kv的高工作电压下能稳定工作，从而使输出功率达到65mw。