MG6090磁控管在12MeV驻波电子直线加速器中的应用

郭彦斌，范林霞

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

MG6090磁控管在12MeV驻波电子直线加速器中的应用

郭彦斌，范林霞

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

本文主要介绍了MG6090磁控管工作原理、技术特性及配套电磁铁等在12MeV驻波电子直线加速器中的具体应用，并介绍了使用中的注意事项等。

磁控管；工作原理；技术特性；磁场强度

0 引言

在电子直线加速器中，作为微波源使用的主要是磁控管和速调管。因为速调管是作为功率放大管工作的，所以需要激励部分。另外，由于速调管的内阻比磁控管高，因此需要150kV～200kV的高压脉冲。又由于速调管体积比较大及油冷却等原因，不适合安装在运动方向复杂的场合，仅在大型加速器中使用。在12MeV加速器方案中，我们仍选择磁控管。

在我们已有的加速器产品中，主要使用的磁控管型号有MG5125和MG5193，由于功率问题，二者仅适合9MeV以下的加速器使用。研制12MeV加速器，需要大的微波功率源。而磁控管现有型号中最大功率的只有MG6090可以选用。MG6090磁控管输出脉冲功率较MG5193高20%，平均功率高80%。

1 磁控管工作原理

磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上它是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，达到产生微波能的目的。

磁控管由于工作状态的不同可分为脉冲磁控管和连续波磁控管两类。

磁控管由管芯和磁钢（或电磁铁）组成。管芯的结构包括阳极、阴极、能量输出器和磁路系统等四部分。管子内部保持高真空状态。

磁控管通常工作在π模，相邻两个谐振腔腔口处微波电场相位正好相差180°,即微波电场方向正好相反。虽然这种微波场为驻波场，但在π模的情况下，相当于两个相同的微波场在圆周上沿相反的方向运动，两个场的相速值相等。从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆线运动。调节直流电压和恒定磁场,使电子在圆周方向的平均漂移速度正好等于在其方向上运动的一个微波场的相速，电子就可以与微波场作同步运动。在同步运动过程中，处在微波减速场中的那部分电子将自己的直流位能逐渐交给微波场，并向阳极靠拢，最后为阳极所收集。这部分电子向微波场转移能量。处在微波加速场的那部分电子从微波场获得能量并向阴极运动，最后打在阴极上。这部分电子在回轰阴极时打出次级电子，使互作用空间电子的数量因之增加。 在互作用空间的电子中有利电子占绝大多数，而且均在向阳极运动过程中，有利电子回旋的时间又较长,它们能够充分地将直流位能轮换成微波能量；回轰阴极的电子比较少，而且它们从阴极发射后不久就打在阴极上，因而从微波场吸收能量也较少。这样，互作用空间全部电子与微波场相互作用的总的效果是，电子将直流位能交给微波场，在磁控管中建立起稳定的微波振荡。图1是MG6090磁控管实物图片。

1.1 磁控管阳极

磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空间内完成能量转换。磁控管的阳极除与普通的二极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起决定性的作用。

图1 MG6090磁控管

阳极由导电良好的金属材料（如无氧铜）制成，并设有多个谐振腔，管子的工作频率越高腔数越多。

阳极谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，阳极上的每一个小谐振腔相当于一个并联的LC振荡回路。

磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外，还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上,常用隔型带来隔离干扰模式。隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来,以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。

另外,由于经能量交换后的电子还具有一定的能量,这些电子打上阳极使阳极温度升高,阳极收集的电子越多(即电流越大),或电子的能量越大(能量转换率越低),阳极温度越高,因此,阳极需有良好的散热能力。MG6090磁控管主要用水冷却,阳极上有冷却水套。

1.2 阴极及其引线

磁控管的阴极即电子的发射体,又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，是整个管子的心脏。

阴极的种类很多，性能各异。MG6090连续波磁控管中使用间热式阴极，它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状，通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点。

由于阴极加热电流大，要求阴极引线要短而粗，连接部分要接触良好。阴极引线工作时温度很高，常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压，因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。

1.3 磁路系统

磁控管的磁路系统就是产生恒定磁场的装置。磁路系统分永磁和电磁两大类。永磁系统一般用于小功率的，磁钢与管芯牢固合为一体构成所谓包装式。大功率管多用电磁铁产生磁场，管芯和电磁铁配合使用，管芯内有上、下极靴，以固定磁隙的距离。磁控管工作时，可以很方便的靠改变磁场强度的大小，来调整输出功率和工作频率。

MG6090磁控管正常工作时要求有很强的恒定磁场，其磁场强度最高为165.0毫特斯拉（mT）。工作频率越高，所加磁场越强。

MG6090磁控管推荐使用电磁铁MG6053。电磁铁两个线圈串联起来，它使用的电源为恒流电源，最大电流28A，最大电压30V。在磁场为160.0毫特斯拉（mT），电流约为25A,电压为25V。电磁铁采用水冷却方式冷却，最小水流量为5.0l/min，水流压力约1.25kg/cm2，入口水温最大40℃。

随电磁铁提供有校正曲线供参考。图2为电磁铁校正曲线。

图2 电磁铁校正曲线

2 磁控管技术特性

2.1 产品的特性

冷却要求：

磁控管采用水冷却，最小水流量为5.0l/min，水流压力约1.25kg/cm2，出口水温不超过50℃；阴极为空气冷却，空气流量大于0.28 m3/min。

2.2 最大和最小值

这些参数不能同时使用，单独规定值也不能超出。

最小最大磁场强度100.0 165.0毫特斯拉 (mT)1000 1650高斯 (Gauss)加热电压- 14 Vdc加热起始电流- 20 A

最小 最大阳极电压(峰值)-52kV阳极电流(峰值)60120 A输入功率 （平均）-8.0kW脉冲宽度-5.0ms电压脉冲上升比率80120kV/ms出口水温-50℃在耦合输出口处的电压驻波比VSWR-1.5：1波导气压- 3.1kg/cm2g

典型工作条件：

磁场强度142.5+10mT 1425+100Gauss加热电压0V阳极电流（峰值)102A脉冲宽度4.3 ms脉冲重复频率 50～405pps电压脉冲的上升比率120kV/ms

典型表现：

阳极电压（峰值)45 kV输出功率（峰值) 2.5 MW输出功率的（平均）3.25 kW

2.3 灯丝电压与输入功率的关系

为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按灯丝电压与输入功率的关系曲线图3规定，降低阴极电流。当磁控管平均功率达到1.7kW以上时，灯丝电压由13～14V切换到8～9V；当磁控管平均功率上升到5.0kW以上时，灯丝电压由8～9V切换到0V。工程中等丝切换工作具体由15AP板实现。

2.4 各种功率下时推荐的参数

图3 磁控管灯丝电压与输入功率的关系曲线

磁控管功率的大小直接关系到加速电子的能量和射线的剂量率。按规定选择好磁控管的阳极电流，使磁控管工作在最佳状态，有利于磁控管的使用寿命。在12MeV系统中，我们选择的磁控管的阳极电流为115A左右，工程中通过调整电位器2RPT充电电压来实现。图4为各种功率下推荐使用的参数对应曲线。

2.5 实测数据

表1为实际使用热测台测试的磁控管部分参数。

图4 各种功率时推荐的参数

2.6 其他特性

此外，还有磁控管阻抗特性、热漂移、频率牵引、时间抖动、频率抖动等在应用中需要考虑。

3 使用中注意事项

在MG6090磁控管的应用资料中，还列出以下注意事项：

1）在没有阳极输入功率下，建议使用直流电源加热灯丝。使用交流加热灯丝时会导致加热电路损坏；加高压后，在5秒钟以内加热电压必须按磁控管灯丝供电与输入功率的关系曲线减少。磁控管灯丝端加4000pF旁路电容。

2）频率调谐器通过固定在三个螺丝孔中的柔性螺杆驱动，需要的最小扭矩是0.7kg-cm；施加的扭矩不能超出5.0kg-cm。

3）为了减小频率偏移，当磁控管沿水平轴旋转时，这个轴应该与调谐器的轴平行。

4）磁控管按使用电磁铁MG6053而设计的，磁铁的N极应在标有C的阴极一边。 磁铁的位置必须调节到磁场的轴与阳极轴一致，并与波导系统的H面成直角。

表1 MG6090磁控管实测参数

5）电压脉冲上升速率定义为相当于80%幅度处电压脉冲前沿最陡的斜率，在能观察到的系统中任何电容必须不超出6.0pF。

6）建议磁控管用隔离器和负载隔离。

7）在最大压力以3.1kg/cm2下最大的漏气量规定为：1立升密封体积中，7天内压力下降不大于70kPa。

8）磁控管的频率在阳极电压加上后的第一个30秒钟内会变化，一般地，高压接通5秒后频率有1.0MHz变化；60秒后有0.2MHz的变化。

9）磁控管绕任意轴旋转360°时，其峰值输出功率最大变化不大于4%。

10）每分钟水流量为5.0升。

11）磁控管绕任意轴旋转360°时，其频率最大变化不大于0.7 MHz。

12）磁控管工作在电压驻波比（VSWR）为1.15：1时，在0.5%的频率变化范围内，高频能量的电平小于正常能量的70%定义为漏脉冲。漏脉冲表示在10分钟工作以后的观察期间，输入脉冲的百分比。

13）在没有阳极输入功率情况下，测量灯丝电压为直流14 V；灯丝电流最小值为7.0A，最大值为9.0A。

[1] e2v technologies.

[2] MG6090 Tunable S-Band Magnetron.

[3] MG6053 Water-Cooled Electromagnet.

[4] 低能电子直线加速器微波系统, 清华大学.

The application of MG6090 magnetron in 12MeV standing wave electron linear accelerator

GUO Yan-bin, FAN Lin-xia

TP273

B

1009-0134(2011)5(下)-0106-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).32

2010-11-30

国家数控机床重大专项资助（2009ZX04014-091）

郭彦斌（1955－），男，河北武安人，研究员，主要从事电子直线加速器及图像处理技术研究。