阅读说明：本技术 一种高峰值功率辐射式水负载及其制作方法 (High-peak-power radiation type water load and manufacturing method thereof ) 是由 丁海兵 陆登峰 李伟松 刘楠洋 唐科 肖韧 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：一种高峰值功率辐射式水负载及其制作方法,该高峰值功率辐射式水负载包括波导件,波导件包括依次连接的矩形波导、锥形渐变波导和圆波导；陶瓷窗片,设置在圆波导一端面处,且与圆波导同轴设置；以及金属水盖,其通过金属封接件与陶瓷窗片连接,且与陶瓷窗片之间形成密封的水室。本发明借助锥形渐变将矩形波导逐步过渡为圆波导,同时位于圆波导末端的陶瓷窗片与圆波导的轴线垂直,这种结构形式有效降低陶瓷窗片与金属件的配合及封接难度,保证良好的电接触,显著降低了陶瓷窗片及其附近区域的微波功率密度和电场强度,特别是陶瓷窗片与配合底面连接处的电场强度,使得水负载的峰值功率容量明显提高,可达到几兆瓦至几十兆瓦。(A high peak power radiation type water load and its preparation method, the high peak power radiation type water load includes the waveguide piece, the waveguide piece includes rectangular waveguide, tapered gradual change waveguide and round waveguide connected sequentially; the ceramic window piece is arranged at one end face of the circular waveguide and is coaxial with the circular waveguide; and the metal water cover is connected with the ceramic window sheet through a metal sealing piece, and a sealed water chamber is formed between the metal water cover and the ceramic window sheet. The invention gradually transits the rectangular waveguide into the circular waveguide by means of the tapered gradual change, and simultaneously the ceramic window sheet positioned at the tail end of the circular waveguide is vertical to the axis of the circular waveguide, so the structural form effectively reduces the matching and sealing difficulty of the ceramic window sheet and a metal piece, ensures good electric contact, obviously reduces the microwave power density and the electric field intensity of the ceramic window sheet and the nearby area thereof, particularly the electric field intensity of the connecting part of the ceramic window sheet and the matching bottom surface, obviously improves the peak power capacity of water load, and can reach several megawatts to dozens of megawatts.)

一种高峰值功率辐射式水负载及其制作方法

技术领域

本发明涉及微波水负载领域，具体涉及一种高峰值功率辐射式水负载及其制作方法。

背景技术

电子加速器在医疗、工业辐照，大科学装置等领域有着重要应用，而高峰值功率微波源作为电子加速器的重要组成，有着大量需求。目前，这种高峰值功率微波源的峰值功率一般为几兆瓦至几十兆瓦，平均功率一般为几十千瓦，在输出功率测试时，需要使用水负载作为假负载，吸收微波源输出的高峰值和高平均功率。

常见的水负载分为吸收式水负载和辐射式水负载。目前，高峰值功率微波源测试时，一般使用的是吸收式水负载。这种水负载将异形玻璃管作为水室，插入到波导中，吸收微波功率。尽管其匹配性能好，峰值容量高，但也存在玻璃管容易破碎，连接处容易漏水，整体尺寸较大等缺点。而辐射式水负载采用不易破碎的陶瓷窗片和金属水盖构成水室，并将水室置于输出波导的末端以吸收微波功率，其具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，在大功率微波源的测试中有着越来越广泛的使用。

目前，在高峰值功率微波源测试时，很少使用辐射式水负载，这与现有辐射式水负载的结构密切相关。现有的辐射式水负载中，陶瓷窗片与波导中心轴线有一定夹角，夹角一般为22.5°，如图1所示。这种倾斜设计可以使入射到陶瓷窗片200表面的电磁波在陶瓷表面和波导宽边之间来回反射，使微波全部进入水室，被水吸收，大大提高了水负载的匹配特性和功率容量。不过，这种倾斜设计也使得陶瓷窗片200的配合底面呈斜劈结构，斜劈的尖峰处(图1中的E点和F点)电场集中，又以E点的电场强度为最高，在几兆瓦的高峰值功率测试时，很容易出现高频打火，影响其正常使用。

其次，传统的辐射式水负载通常在陶瓷窗片200和金属水盖400之间设计橡胶圈500，并通过夹紧橡胶圈500，实现二者之间的密封，形成密封的水室300，如图1所示。在实际操作中，橡胶圈500很难被完全压入到密封槽中，因此陶瓷窗片200和金属水盖400之间难免出现缝隙，造成二者的电接触不良，在高峰值功率测试时，容易出现高频打火甚至烧毁橡胶圈500引起漏水。并且在辐照等特殊使用环境中，橡胶圈容易出现老化损坏，也限制了水负载的使用性能和使用寿命。

本发明针对现有辐射式水负载的上述缺点，提出了一种高峰值功率辐射式水负载，可以承受几兆瓦至几十兆瓦的峰值功率，而且免去了橡胶圈的使用，结构更可靠，可承受峰值功率更高，可用于辐照等特殊环境中。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种高峰值功率辐射式水负载及其制作方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种辐射式水负载，包括：

波导件，包括依次连接的矩形波导、锥形渐变波导和圆波导；

陶瓷窗片，设置在圆波导一端面处，且与圆波导同轴设置；以及

金属水盖，其通过金属封接件与陶瓷窗片连接，且与陶瓷窗片之间形成密封的水室。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的辐射式水负载的制作方法，包括：

将金属封接件的钎焊焊边与陶瓷窗片配合，并实施钎焊连接，形成窗片组件；

将窗片组件以金属封接件的对中孔为基准修整金属封接件的外圆；

以金属封接件的对中孔和金属水盖的对中凸台为配合基准，将金属封接件的氩弧焊焊边与金属水盖上的氩弧焊焊边对齐并实施氩弧焊连接。

基于上述技术方案可知，本发明的辐射式水负载及其制作方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明中的辐射式水负载借助锥形渐变将矩形波导逐步过渡为圆波导，同时位于圆波导末端的陶瓷窗片与圆波导的轴线垂直，这种结构形式不仅可以有效降低陶瓷窗片与金属件的配合及封接难度，保证良好的电接触，更重要的是可以显著降低陶瓷窗片及其附近区域的微波功率密度和电场强度，特别是陶瓷窗片与配合底面连接处的电场强度，使得水负载的峰值功率容量明显提高，可达到几兆瓦至几十兆瓦；

2、本发明中水负载的水室密封依靠钎焊和氩弧焊密封连接实现，气体密封依靠夹紧金属垫实现，不仅可以有效保证水、气、电磁的密封，而且免去了橡胶圈的使用，提高了水负载在高峰值功率测试时的可靠性，也使得水负载可用于辐照等特殊环境中；同时，水室组件的制备分为三个环节，不仅可以有效提高水室组件、水负载制作的成品率；也有利于水负载的返修，减少维护成本；

3、在实际用于工业辐照的大功率速调管的测试中，研制的S波段高峰值功率辐射式水负载可以承受峰值功率5MW，平均功率45kW的微波测试，工作稳定可靠。

附图说明

图1为传统的辐射式水负载结构示意图；

图2为本发明实施例中高峰值功率辐射式水负载的结构示意图；

图3为图2中C处结构放大示意图。

附图标记说明：

背景技术部分：

100-波导法兰；101-波导本体；102-波导圆法兰；200-陶瓷窗片；300-水室；400-金属水盖；401-水嘴；500-橡胶圈；600-螺钉；

具体实施方式

部分：

1-波导件、11-波导法兰、12-矩形波导、13-锥形渐变波导、14-圆波导、15-窗片配合孔、16-圆法兰、2-陶瓷窗片、3-金属封接件、31-钎焊焊边、32-氩弧焊焊边、33-对中孔；4-金属垫、5-紧固件、6-金属水盖、61-对中凸台、62-水盖焊边、63-金属垫凹槽、64-水盖法兰、65-出水水嘴、66-入水水嘴、7-水室。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种辐射式水负载，包括：

波导件，包括依次连接的矩形波导、锥形渐变波导和圆波导；

陶瓷窗片，设置在圆波导一端面处，且与圆波导同轴设置；以及

金属水盖，其通过金属封接件与陶瓷窗片连接，且与陶瓷窗片之间形成密封的水室。

在本发明的一些实施例中，所述圆波导的直径为矩形波导对角线的1至2倍。

在本发明的一些实施例中，所述金属封接件上设有对中孔，所述金属水盖上设有与对中孔配合的对中凸台。

在本发明的一些实施例中，所述金属封接件包括钎焊焊边和氩弧焊焊边；

在本发明的一些实施例中，所述金属封接件的钎焊焊边与陶瓷窗片钎焊连接；

在本发明的一些实施例中，所述金属封接件的氩弧焊焊边与金属水盖氩弧焊连接。

在本发明的一些实施例中，所述波导件还包括用于和金属水盖连接的圆法兰；

在本发明的一些实施例中，所述圆法兰与设置在金属水盖上的水盖法兰连接；

在本发明的一些实施例中，所述圆法兰与水盖法兰通过紧固件固定。

在本发明的一些实施例中，所述辐射式水负载还包括金属垫；

在本发明的一些实施例中，所述金属垫设置在圆波导与金属水盖之间；

在本发明的一些实施例中，所述金属水盖上设有用于放置金属垫的金属垫凹槽。

在本发明的一些实施例中，所述波导件还包括用于放置陶瓷窗片的窗片配合孔；

在本发明的一些实施例中，所述窗片配合孔与圆波导同轴。

在本发明的一些实施例中，所述波导件还包括用于实现辐射式水负载和外接器件连接的波导法兰；波导法兰设置在辐射式水负载的一端，与矩形波导连接。

在本发明的一些实施例中，所述金属水盖上设有出水水嘴和入水水嘴。

本发明还公开了如上所述的辐射式水负载的制作方法，包括：

将金属封接件的钎焊焊边与陶瓷窗片配合，并实施钎焊连接，形成窗片组件；

将窗片组件以金属封接件的对中孔为基准修整金属封接件的外圆；

以金属封接件的对中孔和金属水盖的对中凸台为配合基准，将金属封接件的氩弧焊焊边与金属水盖上的氩弧焊焊边对齐并实施氩弧焊连接。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本实施例的高峰值功率辐射式水负载的一种典型结构如图2-3所示，主要包括波导件1、陶瓷窗片2、金属封接件3、金属垫4、紧固件5、金属水盖6、水室7。

波导件1包含波导法兰11、矩形波导12、锥形渐变波导13、圆波导14、窗片配合孔15、圆法兰16；金属封接件3包含钎焊焊边31、氩弧焊焊边32、对中孔33；金属水盖6包含对中凸台61、水盖焊边62、金属垫凹槽63、水盖法兰64、入水水嘴65、出水水嘴66。

波导件1上的波导法兰11是水负载的对外接口，用于实现水负载和其它器件的连接。波导件1上的圆法兰16主要作用是与金属水盖6上的水盖法兰64配合，并使用紧固件5连接拧紧，使陶瓷窗片2能够压紧在圆波导14的配合底面上，二者电接触良好；同时夹紧设计在在两法兰(圆法兰16和水盖法兰64)之间的金属垫4，可实现水负载波导一侧的气密封，并避免高频打火。此外，金属水盖6上设计了出水水嘴65和入水水嘴66，用于冷却水的进出，一般位置在上的水嘴为出水水嘴65，位置在下的水嘴为入水水嘴66，有利于提高换热效率。

在此水负载中，矩形波导12经过锥形渐变波导13逐步过渡为圆波导14，同时在圆波导14末端的陶瓷窗片2与圆波导14同轴布置，微波功率垂直入射陶瓷窗片2，进入水室7并被水吸收。锥形渐变波导13用于将矩形波导逐步渐变为圆波导14，且圆波导14的直径约为矩形波导12对角线距离的1～2倍；窗片配合孔15位于圆波导14的末端，且与圆波导14同轴。在水室组件插入到窗片配合孔15后，陶瓷窗片2垂直于圆波导14轴线。这种结构形式有两个优点，一是显著降低了陶瓷窗片2及其附近区域的微波功率密度和电场强度，特别是显著降低了陶瓷窗片2与配合底面连接处的电场强度；二是有效减小了陶瓷窗片2与窗片配合孔15底面的接触面积，有利于减小二者之间的配合缝隙，保证二者之间良好的电接触，从而有效提高了辐射式水负载的峰值功率容量，使其达到几兆瓦至几十兆瓦(例如5-50MW)。对于图2中的水负载，电磁场的最大电场强度出现在A点，B点的电场强度比A点约小一个数量级。

下面介绍水负载制作和装配的主要步骤。首先是水室组件的制作，分为三个环节：第一环节，将金属封接件3的钎焊焊边31与陶瓷窗片2配合，并实施钎焊连接，二者成为窗片组件；第二环节，将检漏合格、密封良好的窗片组件，以金属封接件3的对中孔33为基准，精修金属封接件3的外圆；第三环节，以金属封接件3的对中孔33和金属水盖6的对中凸台61为配合基准，将金属封接件3的氩弧焊焊边与金属水盖6上的水盖焊边62对齐并实施氩弧焊密封连接。通过上述操作，陶瓷窗片2、金属封接件3、金属水盖6连接成为水室组件，内部形成密封的水室7。这三个环节的配合可以有效保证窗片组件的密封性，提高水室组件、水负载制作的成品率；并且有利于水负载的返修，减少维护成本。更重要的是，水室7的密封依靠钎焊和氩弧焊密封连接实现，不再使用橡胶圈，避免橡胶圈密封时因陶瓷窗片2和金属水盖6之间电接触不良引起的高频打火导致的橡胶圈烧毁及漏水，提高了水负载在高峰值功率测试时的可靠性，也使得水负载可用于辐照等特殊环境中。其中，第二环节中进行窗片组件的检漏和精修，可以有效剔除不合格的窗片组件，提高水室组件、水负载制作的成品率；第三环节中，短而薄的氩弧焊焊边在实现氩弧焊密封连接的同时，也有利于水负载的失效返修。

在水室组件制作完成后，接着在水室组件的金属垫凹槽63上放置金属垫4，并将陶瓷窗片2一侧插入到波导件1的窗片配合孔15中，调整位置使得金属水盖6的两个水嘴处于上下状态，对齐水盖法兰64和圆法兰16之间的安装孔。最后，使用紧固件5插入水盖法兰64和圆法兰16的安装孔，并拧紧，使陶瓷窗片2能够紧压在窗片配合孔15的底面上，二者接触良好；同时金属垫4夹紧在两法兰之间，可实现水负载波导一侧的气密封。至此完成了水负载的制作过程。

金属封接件3是制作水室组件的重要零件，它的一端为薄壁圆环结构的钎焊焊边31，可与陶瓷窗片2配合，并实现钎焊密封连接；另一端为短而薄的氩弧焊焊边32，可与金属水盖6上短而薄的水盖焊边62对齐，并实现氩弧焊密封连接。此外，金属封接件3上的对中孔33为配合基准，通过与金属水盖6上对中凸台61的配合，可保证二者的内圆腔和氩弧焊焊边同时对齐。通过钎焊和氩弧焊的密封连接，陶瓷窗片2、金属封接件3、金属水盖6连接成为水室组件，内部形成密封的水室7。其中，陶瓷窗片2在隔开圆波导14内腔和水室的同时，也允许微波入射到水室7中。

在水负载使用的过程中，常见的失效形式为陶瓷窗片2破裂。若本发明中的水负载发生窗片破裂，返修时只需更换窗片组件即可。其返修的一般步骤为：首先拆出水室组件，并使用机加工手段去除氩弧焊的焊缝，实现窗片组件和金属水盖的分离；接着在旧的金属水盖上加工出新的氩弧焊焊边，并对新的窗片组件的氩弧焊焊边进行修配，使之与前者相适应，并实施氩弧焊连接；然后按照水负载制作的后续步骤进行操作，即可完成对失效水负载的返修。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。