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)

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

1 波導窗結構及影響因素

1.1 波導窗結構

肖永川等[9]為中國散裂中子源(CSNS)設計了一種內部加脊的324 MHz波導窗結構，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、窗內是否會發生打火現象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構，其陶瓷片可拆卸，若陶瓷片發生破裂等情況可對其進行更換。這種窗真空側的矩形窗體高度僅為大氣側的一半，且在真空側采用了錐形脊的結構，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構為Pillbox盒型窗(圖1)，這種波導窗的結構較為簡單，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窗片，波導材料選用無氧銅，介質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。介電常數和介質損耗對波導窗的性能起著重要作用，二者對駐波系數、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生二次電子倍增效應，可在真空一側涂覆低二次電子發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，或直接增加了介質窗片損耗。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°，躍變的不連續性會引起并聯電感和電容變化。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 波導窗參數計算

2.1 窗片材料選擇

目前較為常見的介質窗片有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較低、導熱系數大、熱穩定性優良、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、相對介電常數較高、頻帶較窄[13-14]。

2) 玻璃窗片，玻璃的介電常數較低，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，陶瓷窗片更具有優勢，而陶瓷窗片中，無毒、介電常數較高、機械強度較強、價格適中的氧化鋁陶瓷為最恰當的選擇。高功率下的射頻損耗主要來自于陶瓷片里的氧化鎂雜質。若采用高純度的陶瓷片，便可減小氧化鎂雜質所帶來的射頻損耗。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。本文選用介電常數為9.9的99.5%高純度氧化鋁陶瓷片作為波導窗的介質窗片。

2.2 射頻參數計算

通過對波導窗的結構進行理論分析，在325 MHz工作頻率下，采用仿真軟件CST對結構參數進行優化計算，得到波導窗結構參數與電壓駐波比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。可看出，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

在進行結構設計時，陶瓷片半徑不宜過大，不利于圓波導的焊接及熱量的散發，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構尺寸，再通過改變波導內倒角等結構尺寸進行微調，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 波導窗結構設計

對波導窗進行設計優化時，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構參數，從而達到設計要求。

首先需降低波導窗內反射，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的陶瓷片時，均會產生較大的反射現象，可能會發生射頻電擊穿現象，從而引起波導窗破裂，損壞高功率速調管和電子槍等加速器關鍵部件。根據散射參數網絡理論，可通過調節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的電磁場分布，避免因圓波導內部局部場強過高而引起的擊穿現象。通過改善場方向，抑制二次電子倍增現象發生，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果

經過計算分析后，確定的波導窗結構尺寸列于表1。

通過CST進行仿真，其主要參數計算結果如圖6～8所示。可看出，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 波導窗結構尺寸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。

經過計算可得到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 波導窗內場分布隨相位的變化

已知在大氣側空氣的擊穿場強為3 MV/m，經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%，經計算得到冷卻系統所需水流量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 結論

本文運用軟件CST進行了一系列的仿真計算與優化，確定了波導窗的結構及具體尺寸，得到了波導窗的性能參數。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，可應用于強流質子直線加速器的射頻系統。