The invention discloses a vacuum interface insulation structure for high current diode cone ceramic packaging, aiming at improving the vacuum holding capacity and working voltage of high current diode for a long time. The invention consists of a cathode seat, a first pressure equalizing cover, a second pressure equalizing cover, an inner conductor, a first Kovar ring, a conical angle insulator, a ceramic ring, a second Kovar ring, a first flange, a second flange and an outer tube of a high current diode; a cathode seat, a first pressure equalizing cover, a second pressure equalizing cover, an inner conductor, a first Kovar ring, a conical angle insulator, a porcelain ring, a second Kovar ring and a first flange are located at a high current bipolar. Inside the outer tube, the right end of the cone-angle insulator encapsulates the cathode base and ceramic ring through the first Kovar ring, and the left end encapsulates the first flange through the second Kovar ring, thus realizing the integrated encapsulation. The invention optimizes the distribution of surface electric field and along-surface magnetic field by reasonably designing the electric field shielding structures such as the cone-angle insulator and the voltage equalizing cover, reduces the probability of interface flashover along the surface, and improves the long-time fidelity of the high Air Capability and Working Voltage Tolerance.
【技术实现步骤摘要】
一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构
本专利技术属于强流加速器和脉冲功率
，具体涉及一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构。
技术介绍
强流二极管是强流加速器和脉冲功率
的关键部件之一，用于产生强流相对论带电粒子束。强流二极管真空界面用于隔离脉冲驱动源中的液体工作介质与粒子束负载真空环境，通常包括同轴内导体、外导体、内外导体间起支撑与绝缘作用的绝缘体、起屏蔽与均压作用的均压结构。在强流粒子束发射之前，该真空界面通常将承受几百kV甚至MV量级的脉冲电压。由于沿面闪络放电，强流二极管真空界面往往成为高功率流的限制因素和系统设计的难点。影响强流二极管真空界面工作性能(包括绝缘特性与真空特性)的主要因素是绝缘体的材料与真空界面构型。绝缘体材料方面，常以有机高分子和尼龙材料为代表，其特点是介电常数低、易加工，但放气量大，不适合应用于高真空场合；陶瓷材料由于具有出气率低、耐高温烘烤且易于和金属焊接等优点，采用陶瓷金属一体化封装的强流二极管真空界面有利于提高电子束负载真空水平和系统紧凑化水平，减少装配连接环节。真空界面构型方面，真空界面的重要功能是绝缘脉冲高电压，对于陶瓷介质真空界面，从加工与成品率角度出发，陶瓷绝缘体构型多为平板型，即陶瓷平面与功率流方向等于或略小于90度。该种构型的强流二极管陶瓷真空界面也已成功应用于驱动无磁场的高功率微波源电子束负载，如磁绝缘线高功率微波振荡器。对于有磁场的高功率微波源电子束负载，如相对论高功率返波管，为避免回流电子轰击陶瓷绝缘体表面，陶瓷介质需要采取大角度(锥角)设计，即陶瓷平面与功率流方向大于90度，要求陶...
【技术保护点】
1.一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构，其特征在于强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构为旋转轴对称结构，由阴极座(1)、第一均压罩(2)、第二均压罩(3)、内导体(4)、第一可伐环(5)、锥角绝缘体(6)、瓷环(7)、第二可伐环(8)、第一法兰(9)、第二法兰(10)、强流二极管外筒(11)组成；定义阴极座(1)的中心轴为旋转对称轴OO'，靠近内导体(4)的一端为左端，靠近第二均压罩(3)的一端为右端，靠近旋转对称轴OO'的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO'的一侧为外侧；第二法兰(10)左端通过螺纹孔外接脉冲功率驱动源外导体，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒(11)左端连接；阴极座(1)、第一均压罩(2)、第二均压罩(3)、内导体(4)、第一可伐环(5)、锥角绝缘体(6)、瓷环(7)、第二可伐环(8)、第一法兰(9)均位于强流二极管外筒(11)内部；内导体(4)左端外接脉冲功率驱动源内导体，右端与阴极座(1)通过螺纹连接；阴极座(1)右端与第一均压罩(2)左端通过螺纹连接；第一均压罩(2)右端与第二均压罩(3)左端通过螺纹连接；第二均压罩(3)右端外接强流二极管阴极发射体；第一可...
【技术特征摘要】
1.一种强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构，其特征在于强流二极管锥体陶瓷封装真空界面绝缘结构为旋转轴对称结构，由阴极座(1)、第一均压罩(2)、第二均压罩(3)、内导体(4)、第一可伐环(5)、锥角绝缘体(6)、瓷环(7)、第二可伐环(8)、第一法兰(9)、第二法兰(10)、强流二极管外筒(11)组成；定义阴极座(1)的中心轴为旋转对称轴OO'，靠近内导体(4)的一端为左端，靠近第二均压罩(3)的一端为右端，靠近旋转对称轴OO'的一侧为内侧，远离旋转对称轴OO'的一侧为外侧；第二法兰(10)左端通过螺纹孔外接脉冲功率驱动源外导体，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒(11)左端连接；阴极座(1)、第一均压罩(2)、第二均压罩(3)、内导体(4)、第一可伐环(5)、锥角绝缘体(6)、瓷环(7)、第二可伐环(8)、第一法兰(9)均位于强流二极管外筒(11)内部；内导体(4)左端外接脉冲功率驱动源内导体，右端与阴极座(1)通过螺纹连接；阴极座(1)右端与第一均压罩(2)左端通过螺纹连接；第一均压罩(2)右端与第二均压罩(3)左端通过螺纹连接；第二均压罩(3)右端外接强流二极管阴极发射体；第一可伐环(5)外侧表面通过钎焊连接瓷环(7)内表面和左端面，第一可伐环(5)内表面通过氩弧焊连接阴极座(1)外表面；第二可伐环(8)外表面通过氩弧焊连接第一法兰(9)内表面；锥角绝缘体(6)右端面(601)和右端面内表面(602)与第一可伐环(5)外表面通过钎焊连接，锥角绝缘体(6)左端面(603)和左端面外表面(604)与第二可伐环(8)内表面通过钎焊连接，锥角绝缘体(6)右端通过第一可伐环(5)封装阴极座(1)和瓷环(7)，锥角绝缘体(6)左端通过第二可伐环(8)封装第一法兰(9)，最终实现锥角绝缘体(6)为主体，阴极座(1)、第一可伐环(5)、瓷环(7)、第二可伐环(8)、第一法兰(9)为辅助部分的一体化封装；第一法兰(9)左端通过螺纹孔与第二法兰(10)连接，右端通过螺纹孔与强流二极管外筒(11)连接；锥角绝缘体(6)为中空圆台形结构，右端面内半径R1满足R1＝R5+Δ1，R5为阴极座(1)第一圆柱(101)半径，Δ1为形变余量，右端面外半径R2满足R2＝R1+D1，D1为锥角绝缘体(6)侧壁厚度，由耐受静压强度P确定；左端面外半径为R3，等于第二法兰(9)内半径，左端面内半径为R4，满足R4＝R3-0.5D1；锥角绝缘体(6)表面为其与右侧真空环境接触面，沿面方向为锥角绝缘体(6)圆台结构母线方向；锥角绝缘体(6)侧壁沿面与功率流流向所成夹角θ1由静电场分布确定，θ1满足：强流二极管外筒(11)内部电力线沿OO’轴对称分布，OO’轴同侧的电力线与锥角绝缘体(6)沿面夹角θ2成45°、锥角绝缘体(6)沿面附近磁力线平行锥角绝缘体(6)沿面方向、锥角绝缘体(6)沿面最大电场强度小于30kV/cm且电场沿面分布均匀；沿面长度L1满足关系L1≥V/E，V为强流二极管工作脉冲高电压，E为锥角绝缘体(6)的耐受电场强度；阴极座(1)由第一圆柱(101)和第二圆柱(102)同轴连接而成，第一圆柱(101)半径为R5，长度为L2；第二圆柱(102)半径为R6，长度为L3；R5根据流通电流大小确定，L2满足能够有效固定锥角绝缘体(6)并方便装配即可，R6根据屏蔽阴极三结合点区域(100)即阴极座(1)、真空与锥角绝缘体(6)交界处的电场效果确定；第一圆柱(101)右端中心挖有第一螺纹孔(1011)，第一螺纹孔(1011)内插有均压罩(2)左端；第二圆柱(102)左端中心挖有第二螺纹孔(1021)，第二螺纹孔(1021)内插有内导体(4)右端；第一均压罩(2)由第三圆柱(201)和第四圆柱(202)同轴连接而成；第三圆柱(201)半径为R7，长度为L4；第四圆柱(202)半径为R8，长度为L5；第三圆柱(201)左端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R71、内半径为R73、长度为L41的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R72、内半径为R73、长度为L42的圆环，使得中心留下第一细圆柱(2011)；第一细圆柱(2011)外表面设置有外螺纹，第一细圆柱(2011)插到第一螺纹孔(1011)内并与第一螺纹孔(1011)螺纹连接；第四圆柱(202)以旋转对称轴OO'为中心挖一个第一中心孔(2021)，第一中心孔(2021)半径等于R73，第一中心孔(2021)设置有内螺纹，第一中心孔(2021)内插有第二均压罩(3)的第二细圆柱(3011)，与第二均压罩(3)的第二细圆柱(3011)螺纹连接；第二均压罩(3)由第五圆柱(301)和第六圆柱(302)同轴连接而成；第五圆柱(301)半径为R10，长度为L7；第六圆柱(302)半径为R11，长度为L8；第五圆柱(301)左端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R101、内半径为R9、长度为L6的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R101、内半径为R8、长度为L71的圆环，使得中心留下第二细圆柱(3011)；R9等于第一中心孔(2021)半径R73，R10选取以能够有效阻止阴极发射的电子回轰到锥角绝缘体(6)表面为准，L7选取时应兼顾优化锥角绝缘体(6)表面电场和避免强流二极管外筒(11)右端面和第二均压罩(3)下游连接阴极发射区的表面电场增强；长度L8以不引起强流二极管外筒(11)表面电场增强为准；第五圆柱(301)和第六圆柱(302)交界面处采用斜面连接；R9满足第二细圆柱(3011)正好插入第一中心孔(2021)；第二细圆柱(3011)设置有外螺纹，内插到第一均压罩(2)的第一中心孔(2021)实现螺纹连接；第六圆柱(302)以旋转对称轴OO'为中心，挖一个第二中心孔(3021)，第二中心孔(3021)深度和直径分别为l3和h3，第二中心孔(3021)内侧壁设置有内螺纹，其内插有强流二极管阴极发射体；内导体(4)从左往右依次由第七圆柱(401)、第一圆台(402)和第八圆柱(403)组成；第七圆柱(401)半径为R12、长度为L9；第一圆台(402)上底面半径为R12、下底面半径为R13、长度为L10；第八圆柱(403)半径为R13、长度为L11；第七圆柱(401)左端设置有爪状结构(4011)内插到脉冲功率驱动源内导体；第七圆柱(401)半径R12等于脉冲功率驱动源内导体半径；第一圆台(402)侧面与OO'夹角为θ3，下底面半径R13根据实际装配需求确定；第八圆柱(403)长度L11保证爪状结构(4011)内插到外接脉冲功率驱动源内导体右端圆环且爪状结构的左端面与脉冲功率驱动源内导体右端圆环底部平齐，半径R13取值需避免局部电场强度增强效应、控制阴极三结合点区域(100)电场强度小于30kV/cm；第八圆柱(403)右端首先以旋转对称轴OO'为中心，挖掉一个外半径为R13、内半径为R132、长度为L111的圆环；之后以旋转对称轴OO'为中心，再挖掉一个外半径为R131、内半径为R132、长度为L112的圆环，使得中心留有第三细圆柱(4031)；第三细圆柱(4031)表面设置有外螺纹，内插到阴极座(1)的第二螺纹孔(1021)中，与第二螺纹孔(1021)螺纹连接；第一可伐环(5)整体呈圆环状，从左往右依次包括第一圆环(501)、第二圆环(502)、第三圆环(503)、第四圆环(504)；第一圆环(501)外半径为R14，内半径等于R5、长度为L121；第二圆环(502)外半径等于R2、内半径等于R5、长度为L122；第三圆环(503)外半径等于R14，内半径等于R5、长度为L123；第四圆环(504)外半径为R15，内半径等于R5，长度为L124；第一可伐环(5)整体长度L12＝L121+L122+L123+L124；第一可伐环(5)内插有阴极座(1)的第一圆柱(101)，第一可伐环(5)通过氩弧焊连接在阴极座(1)上；第一可伐环(5)的第一圆环(501)内插于锥角绝缘体(6)右端面内表面(602)，直至第二圆环(502)左端表面与锥角绝缘体(6)右端面(601)紧贴，第一可伐环(5)的第一圆环(501)和第二圆环(502)通过钎焊连接在锥角绝缘体(6)右端，使得阴极座(1)通过第一可伐环(5)封装在锥角绝缘体(6)上；第三圆环(503)提供第二圆环(502)所需机械支撑，第四圆环(504)的功能是预留钎焊封装与氩弧焊封装热形变空间，满足焊接后瓷环(7)内表面不接触第四圆环(504)外表面；瓷环(7)为圆环状，内半径等于锥角绝缘体(6)右端面内半径R1，外半径等于锥角绝缘体(6)右端面外半径R2，长度为L13；瓷环(7)内部插有第一可伐环(5)的第三圆环(503)，直至瓷环(7)左端面紧贴第二圆环(502)右端面，瓷环(7)与第一可伐环(5)通过钎焊连接，进而封装到锥角绝缘体(6)上；第二可伐环(8)为圆环状，内半径等于第一法兰(9)内半径R16，外半径等于R16+Δ1，长度等于第一法兰(9)长度L14；第二可伐环(8)套在锥角绝缘体(6)左端面外表面(604)上，第二可伐环(8)右端面与锥角绝缘体(6)左端面外表面(604)右端平齐，第二可伐环(8)通过钎焊与锥角绝缘...
【专利技术属性】
技术研发人员：荀涛，孙晓亮，令钧溥，贺军涛，杨汉武，陈冬群，张军，张建德，钟辉煌，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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