[发明专利]具有频率连续调谐装置的速调管腔体及其组装方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波及毫米波电真空器件技术领域，尤其涉及一种具有频率连续调谐装置的速调管腔体及其组装方法。

背景技术

速调管是一种高功率、高增益和高效率的微波、毫米波放大器件，同时还具有工作稳定可靠和长寿命的优点，这使其在科学研究、国防建设和工业生产领域获得了广泛的应用。在20世纪40年代，由于军用雷达技术发展的需要，速调管在理论和工程实现方面均取得了很大进展，与此同时，在高能物理研究领域，速调管开始用作推动电子直线加速器的功率源。从50年代早期开始，随着计算机技术的发展，通过对速调管中非线性注波互作用过程的深入分析并发展出相应的设计方法，使得器件的效率和功率不断获得优化提高。目前，用于下一代直线加速器的X波段速调管峰值输出功率已达75MW，用于热核聚变装置中等离子体低混杂波加热的C波段速调管连续波输出功率已达500kW。通过采用扩展互作用结构，小型化速调管的工作频率已逐步扩展到了毫米波、亚毫米波以及太赫兹频段，并开始在各类移动通信和探测设备中获得应用。

在速调管中，由阴极发射的电子注受到谐振腔间隙电场的调制而出现速度变化，随后，伴随着注内空间电荷波的影响转化为密度调制，最终逐渐形成高度群聚的电子注，离散的电子束团通过激励起输出腔高频电场向外界交出能量。这一复杂过程中，谐振腔的调谐状态对整个互作用效率的影响十分关键，频率失配的腔体将导致轴向速度异常零散的电子注，进而造成整管性能的显著下降。随着工作频率的提高，速调管的相对带宽变窄，为适应不同的应用需求，需要对腔体频率进行调整，同时为克服在制造和工艺环节引入的结构和装配误差，在热测过程中也需要对腔体频率进行精细的微调以使整管状态达到最优。因此，在对谐振腔频率要求严格的场合中，通常需要在腔体外部设置专用的调谐机构。

加拿大原子能公司(Atomic Energy of Canada Limited，AECL)的研究人员在1993年发表的论文(Design of a Tuner and Adjustable RF Coupler for a CW 2856MHz RF Cavity，M.S.de Jong，F.P.Adams，R.J.Burton et al.，Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference，vol.2，pp.829-831)中描述了一种用于S波段速调管谐振腔的机械调谐机构，参考图1。其腔体为中部开有漂移通道的扁平状轴对称圆柱形中空结构，在腔体侧壁11开孔并设置有调谐活塞12，调谐活塞12连杆内部为套管结构形成冷却水通路，调谐机构与腔体之间使用波纹管13密封。工作状态下，在外部附加执行器(如步进电机)推动调谐活塞动作从而实现对腔体频率的精确调谐。

但上述技术方案具有下列技术缺陷，首先，上述加拿大AECL公司的方案中，调谐活塞的动作需要通过外部的执行器来驱动，尽管调谐精度较高，但实际的速调管通常包含多个谐振腔，尤其是对于工作频率较高的小尺寸速调管，器件外部容纳执行器的空间十分有限。此外，执行器还需要额外的供电和控制设备辅助其正常工作，这增加了速调管作为基本器件单元的复杂性。因而，上述方案不适合在高频段速调管中使用。其次，对调谐活塞的冷却采用套管的形式，在小尺寸结构中实现起来难度较大，且水流量较小时冷却效果有限。活塞调谐方式需要确保活塞与腔侧壁的良好接触，否则会出现间隙打火和微波泄露的问题。调谐活塞与腔体之间无法保证真空密封且易形成气体残留，必要时需外接真空排气系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有频率连续调谐装置的速调管腔体及其组装方法。

(二)技术方案

本发明的一种具有频率连续调谐装置的速调管腔体，包括：腔体组件21和与之对应的调谐组件，所述腔体组件21可组成包含N个串列腔体的腔链，每个腔体均固定连接一调谐组件；其中，所述调谐组件包括：内调谐杆组件、外调谐杆组件和支撑组件；所述内调谐杆组件包括：相互连接的膜片31和内调谐杆，所述内调谐杆包括长螺杆34，所述膜片31与腔体密封连接；所述外调谐杆组件包括：外调谐杆41，外调谐杆内壁与所述长螺杆34螺纹连接；所述支撑组件包括：支撑杆44、固定螺套46和限位筒49，支撑杆底端与腔体顶面固定连接，并支撑所述固定螺套46和限位筒49，固定螺套内壁与外调谐杆外壁螺纹连接，所述限位筒49与固定螺套46限定外调谐杆旋动的行程范围和路径，以限定膜片的形变量。