一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置

本发明属于大功率同轴陶瓷窗冷却领域，没有对陶瓷窗的传输性能造成影响，解决陶瓷窗因功率损耗造成的发热问题，延长陶瓷窗的使用寿命。鉴于大功率本身的功率范围很难界定,暂定功率容量大于10kw的陶瓷窗即位大功率陶瓷窗。

背景技术：

在各种等离子体加热装置、粒子加速器等的微波传输系统中，广泛地使用着陶瓷窗。陶瓷窗是微波传输系统至关重要的器件，其功能主要是分离管内外的高真空环境和大气环境，同时尽量低损耗地传输微波功率，起到微波能量传输和气体密封的作用。

目前传输馈线上陶瓷窗主要分为同轴陶瓷窗和波导窗，大功率微波通过时，陶瓷片受到高能电子或者离子的轰击引起二次电子倍增效应，在陶瓷片的表面出现强烈的放电而导致破损，同时陶瓷片材料具有介质损耗，而且由于陶瓷片的热传导系数低，微波能量通过时不能将沉积的微波能量快速带走，导致其自身温升过高，由于材料热膨胀引起的强应力超出陶瓷窗的承受能力而导致陶瓷窗破裂；防止热应力对陶瓷窗的损坏时关键的问题，陶瓷窗冷却装置的设计尤其重要。目前国内外，对大功率同轴陶瓷窗冷却设计，采用的是在陶瓷窗外部包裹冷却水管，此设计无法有效冷却同轴陶瓷窗内导体及陶瓷片，造成陶瓷频繁破裂，需要经常更换。因此，需要更有效地冷却装置，快速把同轴陶瓷窗沉积的微波能量带走，防止陶瓷窗因温度过高开裂。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，在没有对陶瓷窗传输性能造成影响的情况下，实现大功率同轴陶瓷窗冷却，快速把同轴陶瓷窗沉积的微波能量带走，解决陶瓷窗因功率损耗发热造成破裂的问题。

本发明采用的技术方案为：一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，包括：陶瓷窗、冷却水管、聚四氟乙烯内支撑、同轴馈线内导体、同轴馈线外导体、铜接头、基石水冷管道、铜片、法兰和内插芯；

所述陶瓷窗，用于功率传输，同时起到真空密封和隔离大气的作用；陶瓷窗上段与真空腔连接，下端与同轴馈管连接；所述陶瓷包括：陶瓷窗水冷管道、陶瓷片、可伐、陶瓷窗内导和陶瓷窗外导；

铜接头内部设计有冷却用途的水冷管道，铜接头下端与基石水冷管道连接；所述同轴馈线内导体穿过聚四氟乙烯内支撑，通过四氟乙烯内支撑夹紧固定；铜片弯折90度后一端与铜接连接，铜片的另一端与同轴馈线内导体连接，同轴馈线内导体通过四氟乙烯内支撑夹紧固定，与内插芯连接，然后再连接外部同轴馈管；基石水冷管道穿过法兰外部水冷系统连接，法兰可上下调节用于调节匹配功率传输；所述基石水冷管道起到绝缘作用，有效避免大功率时在此处打火现象。

所述陶瓷窗内导体水冷管道上端与铜接头内部水冷管道上端连接；陶瓷窗外导体缠绕冷却水管，通过真空钎焊焊接在一起；陶瓷窗内导体水冷管道下端与陶瓷窗内导顶端连接；陶瓷窗内导与铜接头连接，陶瓷片外径与可伐、内径与内导体真空钎焊在一起，此结构有效快速带走同轴陶瓷内部热量；陶瓷窗内导体穿过聚四氟乙烯内支撑并保证同轴馈线内导、同轴馈线外导体具有同轴度。

所述陶瓷窗中采用氧化铝含量为99％的陶瓷，杂质少,且陶瓷表面镀有高频釉，一方面有利于减小传输损耗，另一方面有利于氧化铝陶瓷表面污染物的酸洗处理。

所述冷却水管采用方形水管，与陶瓷窗外导体接触面积大，冷却效果好。

所述陶瓷窗内导体水冷管道上端四周开孔，冷却水由陶瓷窗水冷管道内部进入并从四周的孔流出至陶瓷窗内导体内部，形成完整的内导体冷却回路，无水流阻滞现象，冷却效果更好。

所述同轴馈线内导体、同轴馈线外导同轴度在0.1mm以内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中同轴馈线内导体和外导体均设计有水冷结构，且冷却效果较好；

(2)本发明中铜接头与同轴馈线内导体之间采用铜片连接方式，结构简单且占用空间较小，为水冷结构预留出足够的空间；

(3)本发明中采用基石水冷管道起到绝缘作用，可以有效避免大功率时在此处打火现象。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明大功率同轴陶瓷窗冷却装置正前剖视图；

图2为本发明大功率同轴陶瓷窗冷却装置左侧剖视图；

图3为本发明中大功率同轴陶瓷窗冷却装置顶端剖视图。

具体实施方式

为了更加清楚表述本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的大功率同轴陶瓷窗冷却装置，包括陶瓷窗1、冷却水管2、聚四氟乙烯内支撑3、同轴馈线内导体4、同轴馈线外导体5、铜接头6、基石水冷管道7、铜片8、法兰9；陶瓷窗1包括陶瓷窗水冷管道11、陶瓷片12、可伐13、陶瓷窗内导体14、陶瓷窗外导体15。陶瓷窗1起到真空密封作用，分离为上端真空侧和下端大气侧；陶瓷窗外导体缠绕冷却水管2(采用方形)，通过真空钎焊焊接在一起；陶瓷窗1内导体水冷管道11上端四周开孔，冷却水由陶瓷窗水冷管道11内部进入并从四周的孔流出至陶瓷窗内导体14内部，进而形成完整的内导体冷却回路；陶瓷窗内导体与铜接头6连接，此结构有效快速同轴陶瓷窗内部热量。铜接头6与弯折90度后的铜片8焊接在一起；铜片8另一端与同轴馈线内导体4焊接在一起，同轴馈线内导体4穿过聚四氟乙烯内支撑3夹紧固定，与内插芯10连接，然后再连接外部同轴馈管。通过四氟乙烯内支撑3夹紧固定方式，保证同轴馈线内导体4、同轴馈线外导体5同轴度在0.1mm以内。

如图2所示，陶瓷窗1内导体水冷管道下端与铜接头6内部水冷管道上端采用真空钎焊焊接在一起；基石水冷管道7主要由三段组成，两端的铜管和中间的基石管，基石水冷管道7两端的铜管部分分别与铜接头6以及法兰9焊接在一起，穿过法兰9的铜管与外部水冷系统连接，法兰9可上下调节用于调节匹配功率传输。采用基石水冷管道7起到绝缘作用，可以有效避免大功率时在此处打火现象。

如图3所示，陶瓷窗内导体水冷管道11上端与铜接头6内部水冷管道上端连接；陶瓷窗外导体15缠绕冷却水管2，通过真空钎焊焊接在一起；陶瓷片12外径与可伐13、内径与内导体14真空钎焊在一起；陶瓷窗内导体水冷管道11上端与陶瓷窗内导体14顶端焊接在一起，陶瓷窗内导体水冷管道11上端四周开孔，冷却水由陶瓷窗水冷管道11内部进入并从四周的孔流出至陶瓷窗内导体14内部，进而形成完整的内导体冷却回路，不存在水流阻滞的现象，冷却效果好。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：

1.一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，其特征在于，包括：陶瓷窗(1)、冷却水管(2)、聚四氟乙烯内支撑(3)、同轴馈线内导体(4)、同轴馈线外导体(5)、铜接头(6)、基石水冷管道(7)、铜片(8)、法兰(9)和内插芯(10)；

所述陶瓷窗(1)，用于功率传输，同时起到真空密封和隔离大气的作用；陶瓷窗(1)上段与真空腔连接，下端与同轴馈管连接；所述陶瓷窗(1)包括：陶瓷窗水冷管道(11)、陶瓷片(12)、可伐(13)、陶瓷窗内导体(14)和陶瓷窗外导体(15)；

铜接头(6)内部设计有冷却用途的水冷管道，铜接头(6)下端与基石水冷管道(7)连接；所述同轴馈线内导体(4)穿过聚四氟乙烯内支撑(3)，通过四氟乙烯内支撑(3)夹紧固定；铜片(8)弯折90度后一端与铜接头(6)连接，铜片(8)的另一端与同轴馈线内导体(4)连接,同轴馈线内导体(4)通过四氟乙烯内支撑(3)夹紧固定，与内插芯(10)连接，然后再连接外部同轴馈管；基石水冷管道(7)穿过法兰(9)与外部水冷系统连接，法兰(9)可上下调节用于调节匹配功率传输；所述基石水冷管道(7)起到绝缘作用，有效避免大功率时在此处打火现象；

所述陶瓷窗内导体水冷管道(11)上端与铜接头(6)内部水冷管道上端连接；陶瓷窗外导体(15)缠绕冷却水管(2)，通过真空钎焊焊接在一起；陶瓷窗内导体水冷管道(11)上端与陶瓷窗内导体(14)顶端连接；陶瓷窗内导体(14)与铜接头(6)连接；陶瓷片(12)外径与可伐(13)、内径与内导体(14)真空钎焊在一起，陶瓷窗内导体(14)穿过聚四氟乙烯内支撑(3)，保证同轴馈线内导体(4)、同轴馈线外导体(5)具有良好的同轴度。

2.根据权利要求1所述的一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，其特征在于：所述陶瓷窗(1)中采用氧化铝含量为99％的陶瓷，杂质少,且陶瓷表面镀有高频釉，一方面有利于减小传输损耗，另一方面有利于氧化铝陶瓷表面污染物的酸洗处理。

3.根据权利要求1所述的一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，其特征在于：所述冷却水管(2)采用方形水管，与陶瓷窗外导体(15)接触面积大，冷却效果好。

4.根据权利要求1所述的一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，其特征在于：陶瓷窗内导体水冷管道(11)上端四周开孔，冷却水由陶瓷窗水冷管道(11)内部进入并从四周的孔流出至陶瓷窗内导体(14)内部，形成完整的内导体冷却回路，无水流阻滞现象，冷却效果更好。

5.根据权利要求1所述的一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，其特征在于：所述同轴馈线内导体(4)、同轴馈线外导体(5)同轴度在0.1mm以内。

技术总结
本发明公开一种大功率同轴陶瓷窗冷却装置，包括陶瓷窗、方形冷却水管、聚四氟乙烯内支撑、同轴馈线内导体、同轴馈线外导体、铜接头、基石水冷管道、铜片、法兰、内插芯；同轴馈线内导与铜片一端连接；铜片弯折90度后与铜接头连接；铜接头另一端与陶瓷窗内导体连接；基石水冷管道经过法兰与铜接头内部水冷管道下端；铜接头内部水冷管道上端与陶瓷窗内导体水冷管道下端连接，陶瓷窗内导体水冷管道上端延伸至内导体顶端；陶瓷窗分离为上端真空侧和下端大气侧；陶瓷窗外导体缠绕方形冷却水管。本发明实现了大功率同轴陶瓷窗冷却，同时没有对陶瓷窗的传输性能造成影响，解决陶瓷窗因功率损耗发热造成破裂的问题。

技术研发人员：陈根;毛玉周;赵燕平;程诚;兰彦;沈洁;王永胜
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2020.11.16
技术公布日：2021.06.01