一种S波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统的制作方法

本实用新型涉及一种s波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统。

背景技术：

在s波段加速器中，当需要的峰值功率较高时(约数十兆瓦)，需要使用速调管提供微波功率。速调管陶瓷窗是隔离速调管内外真空环境的重要部件，一旦损坏则有可能导致速调管内外真空连通，会严重影响速调管寿命。而速调管作为高真空器件价格昂贵，因此如何有效的保护速调管陶瓷窗不被损坏，是多年来的重要课题。

常规的保护手段有反射功率保护与真空保护，前者通过波导定向耦合器采集反射功率信号，传输给功率计，一旦测量值超过保护阈值，则引起反射保护联锁切断速调管的调制器触发，后者则通过真空计或真空泵电流的测量值进行判断，一旦超过阈值，也引起联锁切断速调管的调制器触发，但上述两种保护都存在天然缺陷。

反射保护依托于准确的反射功率测量与快速的反应，目前得益于数字化技术的采用，反射保护的响应时间已经可以做到微秒级，但反射功率的准确测量一直是个难题，其原因是在一定脉宽的脉冲内，反射波形并不平整，往往个别位置高，奇形怪状。因此对于反射功率测量时的取样点数及算法就很难权衡，取样点太多则时间慢可能错过瞬间的反射激增，点太少则可能漏过反射尖峰，同时，如果因为个别点超过阈值就频繁反射保护(假设此时整个脉宽内取样点的平均反射功率远小于阈值)，对于速调管稳定运行也是不小的影响。另外，在速调管输出功率低于保护阈值时，反而是新装速调管和波导的密集出气点，但此时即使全反射也无法达到保护阈值，陶瓷窗却有可能损坏。更何况在低功率区间的二次电子倍增效应对陶瓷窗也是一个很大的威胁，反射保护无能为力。

而真空保护相对来说虽然测量更精确，但从真空出气到引起真空计或泵电流数值变化，再到数据传输引起联锁保护往往需要一个过程，滞后性非常明显，不能及时响应也有可能造成速调管陶瓷窗损坏。

针对上述情况，考虑到打火时真空变差、反射功率增加、产生光信号往往同时发生，三者中光信号的采集、传输与处理是最快的，因此本申请要解决用于s波段加速器中速调管陶瓷窗的打火观测与保护系统，从而起到有效保护速调管陶瓷窗，延长其使用寿命的作用。

如前所述，因为s波段速调管价格昂贵，其输出端陶瓷窗相对来说是最容易损坏的器件，严重影响速调管寿命，因此对陶瓷窗的保护尤为重要。目前用于s波段速调管陶瓷窗的常规保护手段有反射功率保护与真空保护。但反射功率保护受限于脉宽内取样点数与反应时间的权衡、保护阈值以下低功率运行区间可能的打火与二次电子倍增效应的威胁，真空保护受限于过长的反应时间，均不是保护速调管陶瓷窗的最理想方案。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本实用新型旨在公开一种s波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统。考虑到陶瓷窗附近打火时往往同时伴有真空变差、反射功率增加与产生光信号的现象，其中光信号因为是直接物理量，其观测(捕捉)、传输与处理是最快的，从而可以实现准确、及时、可靠的速调管陶瓷窗打火观测与保护系统。

本实用新型的技术方案为：

一种s波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统，其特征在于，包括e面弯波导观察窗，用于与速调管输出波导对接；该e面弯波导观察窗正对速调管陶瓷窗位置开设一小孔引出观察窗口，该观察窗口与光纤一端连接，该光纤另一端与打火探测模块连接，用于将采集的光信号传输给该打火探测模块；该打火探测模块与联锁保护模块连接，用于根据接收到的光信号给出相应电平信号并发送给该联锁保护模块；该联锁保护模块用于根据收到的电平信号控制速调管的工作开关。

进一步的，观察窗口与e面弯波导观察窗采用cf法兰夹特种玻璃片密封真空。

进一步的，所述光纤的光纤头设有强聚光结构。

本申请立足于对速调管陶瓷窗打火时产生的光信号进行观测(捕捉)、传输与处理，通过对光强度这一直接物理量设置某一阈值，实现准确、及时、可靠的速调管陶瓷窗打火观测与保护系统。当光强度超过阈值时，打火探测模块的输出端电平会改变，联锁保护模块类似于触发器，监测到这个电平改变后触发联锁，切断调制器的输入定时脉冲，从而使调制器停止工作(调制器是速调管的功率来源，调制器停止工作速调管就没有输出功率)。联锁保护模块的联锁信号设置10秒延时，在延时后自动恢复，调制器随之恢复正常工作。通过上述过程实现打火时停止速调管工作，保护速调管陶瓷窗的功能，并能够在延时后自动恢复。本申请的主要特点包括：

1.首先解决了用于打火光信号观测与捕捉的e面弯波导观察窗的研制，其回波损耗(驻波比)、隔离度、漏场及结构内场击穿情况均符合使用要求，并成功实现了样品的加工测试，指标理想，这是本发明的核心关键点；

2.成功集成了打火探测模块，完成了与e面弯波导观察窗的联合调试，在线下证明了方案的可行性；

3.成功实现了整个系统的安装与调试，在线捕捉到打火信号并实现联锁保护，在实际应用环境中证明方案可行，这是首次尝试。

与现有技术相比，本实用新型的积极效果为：

本实用新型“s波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统”从e面弯波导观察窗的研制开始，经过与打火探测模块的线下联合调试、在实际使用环境中的成功实现，证明了其可以应用于保护速调管陶瓷窗。

其优点在于解决了反射功率保护或真空保护中不可避免的存在保护盲区或反应速度较慢的问题，得益于光信号这个直接物理量的测量与传输等优势，实现了准确、及时、可靠的s波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统，从而能够延长速调管使用寿命，节省大量经费。

附图说明

图1为速调管陶瓷窗打火观测与保护系统原理图；

图2为e面弯波导观察窗；

图3为e面弯波导观察窗的回波损耗s11与隔离度s31的频响曲线；

其中，1-e面弯波导观察窗，2-速调管陶瓷窗，3-观察窗口，4-光纤，5-打火探测模块，6-联锁保护模块，7-速调管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明，但不仅限于此。

s波段速调管陶瓷窗打火观测与保护系统的工作原理示于图1：e面弯波导观察窗1与速调管输出波导对接，正对速调管陶瓷窗2位置开小孔引出观察窗口3，采用cf法兰夹特种玻璃片密封真空。观察窗口与光纤4配套有工装，光纤接头可以直接拧上且保证完全遮光(防止外界光源干扰)，光纤头采用强聚光结构，能够采集到极其微弱的光信号(大于2lux即可被探测到)，传输到打火探测模块5，打火探测模块5从接收到光信号到给出相应电平(当光信号的强度超过设定阈值时则输出高电平，否则输出低电平)输出的标准响应时间为2～7μs，取决于光强度。综合考虑光信号观测(捕捉)、传输与处理的时间，从打火产生光信号到联锁保护完成，综合用时在微秒量级，此系统完全可以准确、及时、可靠的保护速调管陶瓷窗免受损坏。综上所述，相比反射功率保护与真空保护，打火观测与保护系统具有测量直接准确(光信号是直接物理量，对光强度测量精度远好于对功率测量，干扰因素少)、响应时间快、工作稳定可靠的天然优势。

此系统的设计与调试主要包括e面弯波导观察窗的研制、光信号传输与打火探测模块的调试、系统整体安装与运行调试等。

a)e面弯波导观察窗的研制

传统e面弯波导为90°弯，尺寸为144*144mm。通过在保留原有90°弯结构的基础上增加一个观察窗口，可以观察到速调管内部陶瓷窗表面打火情况。对e面弯波导观察窗的微波仿真使用cst完成，重点考察了输入驻波比、观察窗口隔离度、观察窗口处漏场大小、结构内部最大电场强度等因素，3d仿真模型示意图见图2。

观察窗的s11(驻波比)与s31(漏场情况——隔离度)的仿真频响曲线见图3。最终的仿真结果如下：中心频率2856mhz处的s11为-35.25db(对应驻波比为1.035)，插入损耗s21为-0.076db，隔离度s31为-211.2db。-211.2db的隔离度意味着在波导内通过50mw微波功率时，观察窗口(端口3)的漏场大小只有大约飞瓦(10^-15w)量级，可以忽略不计。

结构中还在开窗口处进行了倒角，以降低结构内最大电场值避免击穿。定量计算在速调管最大输出50mw的情况下，观察窗内最大电场强度15.5mv/m，远小于s波段高真空结构击穿场强60mv/m，没有击穿风险。

对加工的样品进行的测试结果为：中心频率2856mhz处的s11为-28.09db(对应驻波比为1.082)，插入损耗s21为-0.15db。测试结果比仿真结果略差，但也完全满足系统的使用要求。

b)光信号传输与打火探测模块的调试

打火探测模块采用德国aft公司的成熟产品，配套有机箱与光纤等。e面弯波导观察窗测试合格后，进行了与打火探测模块的联合调试：在有光与完全黑暗的情况下，打火探测模块会由bnc口输出不同的电平值，配合联锁保护模块使用可以实现对速调管陶瓷窗的成功保护。

c)系统整体安装与运行调试

系统安装上线后，整个运行年度内工作稳定，能够成功捕捉到打火光信号并实现联锁保护，实现了本发明的目的：解决用于s波段加速器中速调管陶瓷窗的打火观测与保护系统，从而起到有效保护速调管陶瓷窗，延长其使用寿命的作用。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。