本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于脫離外部真空抽氣環(huán)境、重頻連續(xù)運(yùn)行的磁絕緣線振蕩器的氣體捕集裝置及捕集方法。

背景技術(shù)：

高功率微波通常是指頻率在1～300GHz范圍和峰值功率在100MW以上的電磁波，通常產(chǎn)生這種電磁波的裝置就是高功率微波源。磁絕緣線振蕩器(magnetically insulated line oscillator,MILO)是高功率微波源的一種，它通過從相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的漂移電子提取能量產(chǎn)生高功率微波。磁絕緣線振蕩器在兩個(gè)方面很有吸引力。首先，它的工作阻抗較低(10Ω量級(jí))，可以很好的匹配于較低電壓等級(jí)的高功率微波驅(qū)動(dòng)平臺(tái)；其次，它利用工作電流自身的磁場(chǎng)，不需要外加復(fù)雜的磁場(chǎng)系統(tǒng)，因此有利于裝置的緊湊和工程化。

國際上對(duì)MILO的研究始于20世紀(jì)80年代中期，典型代表是美國空間武器實(shí)驗(yàn)室(AWFL)和美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)，其聯(lián)合研究小組的“負(fù)載絕緣”型MILO研究取得了令人矚目的進(jìn)展；英國AEA實(shí)驗(yàn)室則發(fā)展了一種漸變型MILO，使器件的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率得到進(jìn)一步提高。此外，俄羅斯、烏克蘭及法國也都有開展MILO理論和實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道。國內(nèi)對(duì)MILO器件的研究始于20世紀(jì)90年代末，經(jīng)過20多年的發(fā)展，國內(nèi)的MILO研究取得了突破性進(jìn)展，中國工程物理研究院、國防科技大學(xué)近年分別對(duì)L、S、C波段的MILO器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)利用真空電子學(xué)的清潔技術(shù)和高保真空技術(shù)等硬管化措施，分別獲得了吉瓦級(jí)穩(wěn)定的微波輸出。

盡管國內(nèi)外MILO的研究已取得巨大進(jìn)展，但多是集中在單次運(yùn)行條件。高功率微波的實(shí)用化進(jìn)程要求MILO未來具備重復(fù)頻率、連續(xù)運(yùn)行的能力。MILO正常工作時(shí)，內(nèi)部需要壓強(qiáng)低于10^-2Pa的高真空環(huán)境。而MILO的工作特點(diǎn)決定了該類器件通常采用天鵝絨陰極來產(chǎn)生達(dá)到吉瓦級(jí)功率水平所必需的大電流。這種陰極發(fā)射均勻、啟動(dòng)快、發(fā)射閾值低，但缺點(diǎn)是在重復(fù)頻率、連續(xù)運(yùn)行條件下，陰極的大量放氣會(huì)使得器件內(nèi)的氣壓急劇上升，而高的氣壓會(huì)嚴(yán)重限制MILO的微波輸出能力。為了保障MILO重頻運(yùn)行時(shí)的真空條件，通常采用較為龐大的真空機(jī)組持續(xù)抽真空來解決(荀濤.磁絕緣線振蕩器重復(fù)頻率運(yùn)行真空系統(tǒng)優(yōu)化.強(qiáng)激光與粒子束.24卷第4期.2012.04)。然而，真空機(jī)組不但需要額外的供電、水冷，還需要占據(jù)較大的體積重量，這顯然與高功率微波系統(tǒng)的工程化、實(shí)用化、特別是武器化相違背。

因此，如何解決在脫離外部真空抽氣環(huán)境的條件下，維持MILO重頻、連續(xù)工作所需的真空環(huán)境，對(duì)器件運(yùn)行過程中放出的氣體進(jìn)行有效捕集，是本領(lǐng)域技術(shù)人員關(guān)注的熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外還沒有磁絕緣線振蕩器在脫離外部真空抽氣環(huán)境后,重頻運(yùn)行真空維持裝置的公開報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行的氣體捕集器及捕集方法，該裝置作為高功率微波產(chǎn)生及輸出系統(tǒng)的一部分，能夠在磁絕緣線振蕩器重復(fù)頻率工作時(shí)，取代外部真空抽氣環(huán)境，有效捕集磁絕緣線振蕩器放出的氣體，維持磁絕緣線振蕩器內(nèi)部所需的真空環(huán)境。本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明由氣體捕集腔、吸氣劑、真空閥門、真空變送器、襯環(huán)組成。

氣體捕集腔為采用不銹鋼材料制成的兩側(cè)帶有環(huán)面底的圓筒，長度為l1，外徑d1，側(cè)壁和兩個(gè)環(huán)面底的厚度均為m1。在氣體捕集腔入口環(huán)面底上角向均勻焊接有8個(gè)第一法蘭，通過第一法蘭將1支真空閥門、1支真空變送器、6支吸氣劑固定在入口環(huán)面底上；第一法蘭選擇通徑CF35法蘭。

吸氣劑采用非蒸散型吸氣劑，優(yōu)選意大利SAES公司生產(chǎn)的CapaciTorrD400-2型非蒸散型吸氣劑，第一法蘭與真空閥門、真空變送器及吸氣劑采用無氧銅墊圈進(jìn)行密封。氣體捕集腔位于磁絕緣線振蕩器和微波模式轉(zhuǎn)換器之間，與磁絕緣線振蕩器通過焊接在入口環(huán)面底的第二法蘭進(jìn)行連接，采用無氧銅墊圈進(jìn)行密封，與微波模式轉(zhuǎn)換器通過焊接在出口環(huán)面底的第三法蘭進(jìn)行連接，采用無氧銅墊圈進(jìn)行密封；第二法蘭與第三法蘭相同，均選擇通徑CF200法蘭。

真空閥門采用真空金屬閥門，要求閥門全開時(shí)有效流導(dǎo)不低于40L/s，全閉合時(shí)的漏率不高于1×10^-9Pa.L/s，真空閥門將氣體捕集腔和外部真空抽氣環(huán)境相連，當(dāng)吸氣劑被激活后正常吸氣時(shí)，可以關(guān)閉該閥門，實(shí)現(xiàn)氣體捕集腔和外部真空抽氣環(huán)境脫離；

真空變送器采用量程范圍為10^-7Pa-10^-1Pa的冷陰極真空變送器，用于對(duì)氣體捕集腔內(nèi)部壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為了不影響微波的產(chǎn)生和輸出，氣體捕集腔內(nèi)部同軸嵌套有一個(gè)帶網(wǎng)孔的襯環(huán)以保持微波源壁電流的連續(xù)性。襯環(huán)也是一個(gè)圓筒，襯環(huán)內(nèi)直徑為d2，與磁絕緣線振蕩器外筒的內(nèi)直徑相同，長度為l2，襯環(huán)壁厚m2。在襯環(huán)上，分布有n個(gè)直徑為d3的圓形通孔，當(dāng)磁絕緣線振蕩器工作時(shí)，放出的氣體通過這些通孔進(jìn)入氣體捕集腔內(nèi)，并被吸氣劑吸收，以實(shí)現(xiàn)降低器件內(nèi)壓強(qiáng)，維持微波源正常工作的功能。

為了敘述方便，這里統(tǒng)一介紹以上設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)所滿足的條件：

1、氣體捕集腔的長度l1≥110mm，外徑d1≥350mm，壁厚m1一般取3-5mm。

2、襯環(huán)的內(nèi)直徑d2與磁絕緣線振蕩器出口的內(nèi)直徑相同，襯環(huán)的長度l2與氣體捕集腔的長度l1相等，即l2＝l1，襯環(huán)壁厚m2一般取3-5mm。設(shè)定磁絕緣線振蕩器輸出的微波經(jīng)過襯環(huán)的傳輸效率大于99％，可以得到襯環(huán)上圓形通孔直徑d3的取值，在此基礎(chǔ)上，在保證通孔之間沒有貫通的情況下，n的取值越大越好。

本發(fā)明捕集方法包括以下步驟：

第一步，初始化，令重復(fù)次數(shù)M＝1；

第二步，激活吸氣劑：真空變送器監(jiān)測(cè)氣體捕集腔內(nèi)的壓強(qiáng)，當(dāng)外部真空抽氣環(huán)境使氣體捕集腔內(nèi)的壓強(qiáng)低于5×10^-4Pa時(shí)，開始對(duì)吸氣劑進(jìn)行全部加熱激活，激活時(shí)間不超過60分鐘；

第三步，后處理：激活結(jié)束后，繼續(xù)由外部真空抽氣環(huán)境抽氣約4小時(shí)，之后，關(guān)閉真空閥門；

第四步，啟動(dòng)磁絕緣線振蕩器，磁絕緣線振蕩器放出氣體，氣體通過磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器襯環(huán)上的通孔被吸氣劑吸收；

第五步，若真空變送器監(jiān)測(cè)的壓強(qiáng)高于10^-2Pa，且M小于等于20，M增1，轉(zhuǎn)第一步，使磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器重新恢復(fù)功能，若真空變送器監(jiān)測(cè)的壓強(qiáng)高于10^-2Pa且M大于20，結(jié)束。

本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，是一個(gè)獨(dú)立模塊，與磁絕緣線振蕩器共成一體，在不影響微波的產(chǎn)生與輸出的條件下，可以替代外部真空抽氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行情況下的真空維持。典型指標(biāo)為：5Hz，30個(gè)脈沖。

(2)本發(fā)明裝置操作簡(jiǎn)便，可以重復(fù)使用，有效使用次數(shù)不低于20次。

附圖說明

圖1：本發(fā)明重頻運(yùn)行氣體捕集器2與磁絕緣線振蕩器1和微波模式轉(zhuǎn)換器3的連接裝配示意圖；

圖2：本發(fā)明中磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器整體結(jié)構(gòu)圖；

圖3：本發(fā)明氣體捕集腔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4：本發(fā)明襯環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1給出了本發(fā)明磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器2與磁絕緣線振蕩器1和微波模式轉(zhuǎn)換器3的連接裝配示意圖；如圖所示，本發(fā)明磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器2置于磁絕緣線振蕩器1、微波模式轉(zhuǎn)換器3之間，磁絕緣線振蕩器1工作時(shí)內(nèi)部為高真空環(huán)境，壓強(qiáng)通常低于10^-2Pa。磁絕緣線振蕩器1產(chǎn)生高功率微波；微波模式轉(zhuǎn)換器3將磁絕緣線振蕩器1產(chǎn)生的高功率微波轉(zhuǎn)換為可以定向輻射的模式；磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器2屬于微波傳輸段。本發(fā)明磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器2與磁絕緣線振蕩器1、微波模式轉(zhuǎn)換器3之間采用無氧銅墊圈進(jìn)行密封。

圖2給出了本發(fā)明中磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器2整體結(jié)構(gòu)圖；如圖所示，本發(fā)明磁絕緣線振蕩器重頻運(yùn)行氣體捕集器2由氣體捕集腔20、6個(gè)吸氣劑24、1個(gè)真空閥門25、1個(gè)真空變送器26和1個(gè)襯環(huán)27組成，其中吸氣劑24、真空閥門25和真空變送器26均通過第一法蘭21連接在氣體捕集腔20的入口環(huán)面底28上，襯環(huán)27同軸嵌套于氣體捕集腔20內(nèi)部。吸氣劑24采用非蒸散型吸氣劑，優(yōu)選意大利SAES公司生產(chǎn)的CapaciTorr D400-2型非蒸散型吸氣劑。真空閥門25采用閥門全開時(shí)有效流導(dǎo)不低于40L/s，全閉合時(shí)的漏率不高于1×10^-9Pa.L/s的高真空金屬閥門，將氣體捕集腔20和外部真空抽氣環(huán)境通過真空閥門25相連，當(dāng)吸氣劑24被激活正常吸氣時(shí)，可以關(guān)閉真空閥門25，實(shí)現(xiàn)氣體捕集腔20和外部真空抽氣環(huán)境脫離；真空變送器26采用量程范圍為10^-7Pa-10^-1Pa的冷陰極真空變送器，用于對(duì)氣體捕集腔20內(nèi)部壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖3為氣體捕集腔20結(jié)構(gòu)示意圖；如圖所示，氣體捕集腔20是一個(gè)帶有兩個(gè)環(huán)面底的圓筒，長度為l1，外直徑d1，側(cè)壁和兩個(gè)環(huán)面底的厚度均為m1。在氣體捕集腔20的一個(gè)環(huán)面底(因?yàn)榕c磁絕緣線振蕩器1的出口相連，故定義為入口環(huán)面底28)上角向均勻焊接有8個(gè)第一法蘭21，第一法蘭21分別連接1支真空閥門25、1支真空變送器26、6支吸氣劑24。第一法蘭21與真空閥門25、真空變送器26及吸氣劑24采用無氧銅墊圈進(jìn)行密封。在入口環(huán)面底28上焊接一個(gè)通徑第二法蘭22。在氣體捕集腔出口環(huán)面底29(與微波模式轉(zhuǎn)換器3的入口相連)上焊接一個(gè)通徑第三法蘭23。氣體捕集腔20與磁絕緣線振蕩器1通過第二法蘭22連接，與微波模式轉(zhuǎn)換器3通過第三法蘭23連接，均采用無氧銅墊圈進(jìn)行密封；其中l(wèi)1≥110mm，外直徑d1≥350mm，側(cè)壁和兩個(gè)環(huán)面底的厚度m1一般取3-5mm。

圖4為襯環(huán)27結(jié)構(gòu)示意圖；如圖所示，襯環(huán)27內(nèi)直徑為d2，長度為l2，壁厚m2。襯環(huán)27外直徑為d2+2×m2與第二法蘭22的內(nèi)直徑相同，襯環(huán)27的長度l2與氣體捕集腔20的長度l1相等，即l2＝l1，壁厚m2一般取3-5mm，襯環(huán)27同軸嵌套于氣體捕集腔20內(nèi)部，且襯環(huán)27兩端與入口環(huán)面底28及出口環(huán)面底29的兩個(gè)外側(cè)平齊。在襯環(huán)27上，分布有n個(gè)直徑為d3的通孔，設(shè)定磁絕緣線振蕩器輸出的微波經(jīng)過襯環(huán)的傳輸效率大于99％，可以得到d3的取值，在此基礎(chǔ)上，在保證通孔之間沒有貫通的情況下，n的取值越大越好。

以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化及變型，因此所有等同技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。