强流二极管绝缘结构设计与保真空

作     者：荀涛 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建德;杨汉武

授予年度：2006年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：强流二极管 陶瓷 径向绝缘 材料出气 

摘      要：真空二极管是强流电子束加速器的重要部件之一。随着高功率微波技术的发展与实际应用的需要,要求二极管体积小、耐电压高,并且具有一定的保真空时间和机械强度。本文应用陶瓷介质作为真空界面绝缘体,通过理论总结、数值模拟和实验等手段,设计了一种二极管径向绝缘结构,同时对二极管材料出气特性和陶瓷-金属封接结构进行了研究。 首先,从真空沿面闪络机理及其影响因素出发,概括了径向绝缘结构设计的一般原则;然后,应用静电场数值模拟的方法,比较了锥体和平板两种形状绝缘体的沿面电场分布,确定采用平板绝缘体和锥形阳极外壳的结构;针对平板绝缘体,设计了三种降低阴极三结合点场强的方案,比较了绝缘体沿面电场和阴极三结合点场强大小;根据击穿概率分布特点,应用面积加权的方法,对沿面击穿场强进行了深入计算,结果表明,在阴极杆末端增加屏蔽环,能够满足沿面耐压要求,并使阴极三结合点场强在允许值以下。 在确定绝缘方式后,结合外径小于230mm的陶瓷板,又对阳极外壳等进行了优化:将锥形外壳改为“锥-柱形外壳,在水界面传输线内筒增加均压环。通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整,使得真空界面上沿面和三结合点处场强均得到了有效控制。模拟结果显示:绝缘体沿面电场分布均匀,电场线与绝缘体所成角度基本保持在45o,阴极三结合点场强为23kV/cm。安全系数为1.5时估算二极管理论耐压水平为400kV、200ns。 在水介质单线(螺旋线)长脉冲加速器上对上述二极管进行了耐压实验研究。结果显示,二极管能够耐受420kV、脉宽大于200ns的脉冲电压,工作稳定,达到理论设计指标。 在二极管保真空方面,本文针对上述二极管,建立了抽气模型,讨论了管道流导对有效抽速的影响,模拟计算了真空室主要材料出气率和抽气曲线;通过抽气实验,研究了常温和烘烤状态下二极管材料的出气特性。实验结果显示,烘烤对于加快材料出气、减小抽气时间具有明显效果;同时,结合常温下的抽气实验数据,对二极管保真空时间进行了大致估算。 最后,针对二极管陶瓷-金属封接中特有的工艺结构,讨论了其细节结构对绝缘设计的影响。考虑到二极管的机械强度,对陶瓷封接进行了结构静力分析;通过模态计算,得到了陶瓷固有频率和自振周期、振型等,这对开展电水锤研究具有一定的实际意义。