325 MHz高功率波導窗設計研究

秦 成，朱志斌，楊 譽，吳青峰，竇玉玲，王修龍

(中國原子能科學研究院 核技術應用研究所，北京 102413)

強流質(zhì)子直線加速器根據(jù)接入的束流時間結(jié)構(gòu)可分為連續(xù)束和脈沖束兩類。連續(xù)束質(zhì)子加速器可用于核能領域，如嬗變核廢料、增殖核燃料、提供潔凈核能[1]等。脈沖束強流質(zhì)子直線加速器可提供高通量的質(zhì)子和中子，是具有重要價值的科學研究裝置[2-5]。質(zhì)子加速器還可應用于放射醫(yī)療及粒子物理和核物理等領域的科學研究[6-8]。波導窗的性能對質(zhì)子直線加速器的性能及長期穩(wěn)定運行起著重要作用。它的作用是隔離大氣與加速管內(nèi)的真空狀態(tài)，并保證在饋入電磁波時，僅產(chǎn)生較小的插入損耗、反射損耗等。波導窗的結(jié)構(gòu)、材料是影響其性能的主要因素，因此，本文利用CST軟件對波導窗的結(jié)構(gòu)設計、射頻特性及溫度變化進行研究計算，為后續(xù)的加工及應用打下基礎。

1 波導窗結(jié)構(gòu)及影響因素

1.1 波導窗結(jié)構(gòu)

肖永川等[9]為中國散裂中子源(CSNS)設計了一種內(nèi)部加脊的324 MHz波導窗結(jié)構(gòu)，使電場主要分布于脊中間，減小了功率分布面積，從而使陶瓷片半徑減小。其從高功率時陶瓷片的熱應力是否小于其屈服強度、抽真空時與陶瓷片相焊接的薄壁所受應力是否小于其機械強度、窗內(nèi)是否會發(fā)生打火現(xiàn)象3個方面分析了波導窗的可靠性，從理論上驗證了這種波導窗應用在CSNS上的可行性。

美國散裂中子源(SNS)設計了一種新型波導窗結(jié)構(gòu)，其陶瓷片可拆卸，若陶瓷片發(fā)生破裂等情況可對其進行更換。這種窗真空側(cè)的矩形窗體高度僅為大氣側(cè)的一半，且在真空側(cè)采用了錐形脊的結(jié)構(gòu)，使得陶瓷片附近電場強度的峰值明顯減小，插入損耗最小可達0.002 6 dB，從而能有效降低陶瓷片發(fā)生破裂的情況[10]。

圖1 Pillbox盒型窗Fig.1 Pillbox window

本文設計的波導窗結(jié)構(gòu)為Pillbox盒型窗(圖1)，這種波導窗的結(jié)構(gòu)較為簡單，兩邊由WR2300矩形波導組成，中間連接一段圓柱形過渡波導，圓柱波導間插入一圓形介質(zhì)窗片，波導材料選用無氧銅，介質(zhì)窗片選用氧化鋁陶瓷片，陶瓷片與無氧銅圓波導之間可通過鍍膜釬焊等方法連接。

1.2 波導窗影響因素

1) 窗片厚度和幾何尺寸。在波導窗設計中，會根據(jù)不同需求設計不同形狀的窗片，其中較為普遍的是圓形窗片。窗片直徑大小決定著波導窗制作過程的復雜程度，在窗片與圓波導焊接過程中，若窗片直徑過大，則導致圓波導直徑相應增大，不易于加工，且高次模不易截止，易發(fā)生窗片破裂等情況。若窗片直徑太小，則不利于較高的微波功率傳輸，同時在波導連接中也不易做到帶寬的匹配。而窗片厚度則影響波導窗的損耗、駐波及機械強度。

2) 窗片位置。若窗片兩邊圓波導長度相等則被稱為對稱窗，此時兩端矩形波導一般也為同樣尺寸的標準波導，這種窗的工作頻帶較寬。

3) 窗片材料。介電常數(shù)和介質(zhì)損耗對波導窗的性能起著重要作用，二者對駐波系數(shù)、頻帶特性、窗片散熱性能均有較大影響。選取窗片材料時，需同時考慮封接、焊接和應力平衡等因素。窗片在實際工作中常會發(fā)生二次電子倍增效應，可在真空一側(cè)涂覆低二次電子發(fā)射的涂層來改善該情況[11]。

4) 焊接工藝。雖然陶瓷窗片與圓波導的焊接過程并不復雜，但在焊接過程中焊料是否均勻流散，影響著窗片損耗特性和駐波系數(shù)的好壞。若焊料未能均勻流散，則窗片和波導將連接成不對稱或不均勻，從而導致不同頻率的微波在穿過窗片過程中變化得不連續(xù)，或直接增加了介質(zhì)窗片損耗。陶瓷片與波導段較為常見的焊接方法有3種：Ti-Ag-Cu活性金屬法、Mo-Mn高溫金屬化法、氧化物焊料法[12]。

5) 波導窗中矩形波導與圓波導過渡段的波導板的尺寸、形狀和封接工藝，對波導窗的性能有一定的影響。圓波導與矩形波導之間一般為直接躍變，即二者之間的夾角為90°，躍變的不連續(xù)性會引起并聯(lián)電感和電容變化。可通過將波導窗圓波導與方波導的夾角設計為鈍角的方式，即改變波導截面封接板的形狀和位置，以減少窗片表面電場垂直分量，有利于抑制二次電子倍增效應。

6) 波導窗的散熱和冷卻措施影響其功率容限和壽命。波導窗的冷卻效果越好，窗片的熱積累越少，波導窗能承受的功率越大，其壽命也越長。

2 波導窗參數(shù)計算

2.1 窗片材料選擇

目前較為常見的介質(zhì)窗片有3種，分別為陶瓷窗片、玻璃窗片及寶石窗片。

1) 陶瓷窗片，常見的材料有氮化硼陶瓷、氧化鈹陶瓷、氧化鋁陶瓷等。氮化硼相對介電常數(shù)較低、導熱系數(shù)大、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、機械強度適中，但成本較高，封接較困難；氧化鈹導熱能力最好，但氣密性較差，且具有毒性、加工復雜，對環(huán)境會造成不良影響；氧化鋁具有較好的導熱性能，機械強度適中、相對介電常數(shù)較高、頻帶較窄[13-14]。

2) 玻璃窗片，玻璃的介電常數(shù)較低，能滿足較寬的頻帶，但機械強度低、導熱性能差、承受功率低。

3) 寶石窗片，具有機械強度大、氣密性高、可耐受焊接及真空排氣時的高溫等特點，相對介電常數(shù)偏高、導熱率一般，而天然寶石較為稀有，因此在電真空器件及電子光學器件中大多數(shù)使用的為人造藍寶石材料，在傳輸功率較低的盒型窗中較為常見[15]。

綜合考慮，陶瓷窗片更具有優(yōu)勢，而陶瓷窗片中，無毒、介電常數(shù)較高、機械強度較強、價格適中的氧化鋁陶瓷為最恰當?shù)倪x擇。高功率下的射頻損耗主要來自于陶瓷片里的氧化鎂雜質(zhì)。若采用高純度的陶瓷片，便可減小氧化鎂雜質(zhì)所帶來的射頻損耗。因此，有必要提高陶瓷片的純度，以減少因陶瓷片自身缺陷所帶來的影響。且當傳輸高功率微波時，低純度的陶瓷片的導熱性能較差，易造成局部過熱，從而損壞陶瓷片。本文選用介電常數(shù)為9.9的99.5%高純度氧化鋁陶瓷片作為波導窗的介質(zhì)窗片。

2.2 射頻參數(shù)計算

通過對波導窗的結(jié)構(gòu)進行理論分析，在325 MHz工作頻率下，采用仿真軟件CST對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化計算，得到波導窗結(jié)構(gòu)參數(shù)與電壓駐波比ρ、反射損耗S11、插入損耗S21等之間的變化關系，如圖2～5所示?？煽闯?，陶瓷片半徑、厚度、間隔及波導板厚度會對波導窗的電壓駐波比、反射損耗與插入損耗產(chǎn)生較大的影響。在325 MHz工作頻率下，陶瓷片半徑、厚度越大，電壓駐波比、反射損耗、插入損耗越小。陶瓷片間隔越小，電壓駐波比、反射損耗、插入損耗越小。而隨著波導板厚度的增大，電壓駐波比與S11先減小后增大，S21則先增大后減小，當厚度為11 mm左右時，其電壓駐波比、反射損耗、插入損耗達到一極值。

圖2 S11、S21和ρ隨陶瓷片半徑的變化Fig.2 S11, S21, and ρ vs ceramic chip radius

圖3 S11、S21和ρ隨陶瓷片厚度的變化Fig.3 S11, S21, and ρ vs ceramic chip thickness

圖4 S11、S21和ρ隨陶瓷片間隔的變化Fig.4 S11, S21, and ρ vs ceramic chip spacer

在進行結(jié)構(gòu)設計時，陶瓷片半徑不宜過大，不利于圓波導的焊接及熱量的散發(fā)，且過厚還會導致反射損耗的增大，降低其電磁波的傳輸效率。當陶瓷片中積累的熱量所產(chǎn)生的熱應力大于陶瓷片自身的屈服強度時，會造成陶瓷片破裂。若陶瓷片太薄，其機械性能及真空氣密性將降低。因此，綜合考慮各方面因素后，選取合適的波導窗結(jié)構(gòu)尺寸，再通過改變波導內(nèi)倒角等結(jié)構(gòu)尺寸進行微調(diào)，最終使其達到設計指標。

圖5 S11、S21和ρ隨波導板厚度的變化Fig.5 S11, S21, and ρ vs waveguide thickness

3 波導窗結(jié)構(gòu)設計

對波導窗進行設計優(yōu)化時，需通過對波導窗的射頻電磁場的反射、場分布、場大小及方向的計算分析，多次迭代改進波導窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而達到設計要求。

首先需降低波導窗內(nèi)反射，避免反射引起的射頻電擊穿，以提高波導窗的承受功率。當微波從矩形波導過渡到圓波導及通過高介電常數(shù)的陶瓷片時，均會產(chǎn)生較大的反射現(xiàn)象，可能會發(fā)生射頻電擊穿現(xiàn)象，從而引起波導窗破裂，損壞高功率速調(diào)管和電子槍等加速器關鍵部件。根據(jù)散射參數(shù)網(wǎng)絡理論，可通過調(diào)節(jié)波導板厚度和圓波導尺寸及相對位置，來降低波導窗的反射損耗。

其次是均勻化波導窗內(nèi)的電磁場分布，避免因圓波導內(nèi)部局部場強過高而引起的擊穿現(xiàn)象。通過改善場方向，抑制二次電子倍增現(xiàn)象發(fā)生，避免局部過熱而引起的陶瓷片破裂。

3.1 波導窗尺寸及仿真結(jié)果

經(jīng)過計算分析后，確定的波導窗結(jié)構(gòu)尺寸列于表1。

通過CST進行仿真，其主要參數(shù)計算結(jié)果如圖6～8所示?？煽闯?，在325 MHz工作頻率下，反射損耗為-73.808 5 dB，插入損耗為0.003 2 dB，電壓駐波比為1.000 4。

表1 波導窗結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structure size of waveguide window

圖6 波導窗的反射損耗Fig.6 S11 of waveguide window

圖7 波導窗的插入損耗Fig.7 S21 of waveguide window

圖8 波導窗的電壓駐波比Fig.8 ρ of waveguide window

通過式(1)、(2)可計算波導窗的頻率帶寬：

τ=(ρ-1)/(ρ+1)

(1)

S11=20lgτ

(2)

其中：ρ為電壓駐波比，取其設計目標1.1作為參考點計算；τ為比例系數(shù)。

經(jīng)過計算可得到S11=-26.444 dB，從圖6中1、2兩個標記點可看出，其所對應的頻率分別為318.69 MHz及332.03 MHz，因此該波導窗的頻率帶寬為±6 MHz。

3.2 波導窗內(nèi)場分布隨相位的變化

已知在大氣側(cè)空氣的擊穿場強為3 MV/m，經(jīng)計算可得到該波導窗電場強度為0.5 MV/m，小于臨界值，打火概率較小。場分布隨相位的變化如圖9所示。

相位：a——0°；b——60°；c——120°；d——180°圖9 不同相位時的場分布Fig.9 Field distribution at different phases

3.3 溫度變化及功率損耗

CST仿真計算結(jié)果表明，在325 MHz工作頻率下，該波導窗具有較小的功率損耗，由圖7可得到其插入損耗為0.003 2 dB，已知波導窗所設計的輸入功率Pin為100 kW，根據(jù)式(3)、(4)，可求得輸出功率Pout為99.93 kW，損耗功率為輸入功率的0.07%，經(jīng)計算得到冷卻系統(tǒng)所需水流量F為1 L/m。

S21=10lg(Pin/Pout)

(3)

14.35(Pin-Pout)=ΔT×F

(4)

其中，ΔT為溫度變化量。

4 結(jié)論

本文運用軟件CST進行了一系列的仿真計算與優(yōu)化，確定了波導窗的結(jié)構(gòu)及具體尺寸，得到了波導窗的性能參數(shù)。該波導窗具有較低的電壓駐波、較低的功率損耗及較寬的頻率帶寬。在加工成型及通過高功率實驗驗證后，可應用于強流質(zhì)子直線加速器的射頻系統(tǒng)。