High-frequency characteristics of half rectangular ring helix slow wave structure
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摘要: 针对行波管更高工作频率和更大输出功率的发展需要，提出了一种半矩形环螺旋线慢波结构。基于三维电磁仿真软件HFSS的模拟研究表明：调控慢波结构的尺寸可以获得合适的色散特性和互作用阻抗，与现有技术的半圆环螺旋线慢波结构相比较，半矩形环螺旋线慢波结构的色散变化很小，但是具有更高的互作用阻抗值。新结构具有平坦色散、高互作用阻抗、与微细加工技术相兼容以及方便与带状电子束互作用的综合优点。
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关键词:
- 半矩形环螺旋线慢波结构 /
- 微细加工技术 /
- 带状电子束 /
- 色散特性 /
- 互作用阻抗
Abstract: A novel half rectangular-ring helix slow-wave structure (SWS) is proposed for the design of wide bandwidth and high power traveling-wave tubes. The numerical calculation by 3D electromagnetic simulation software HFSS shows that proper dispersion and coupling impedance can be obtained by reasonably setting the geometrical parameters of the SWS. Meanwhile, compared with the half circular ring helix slow wave structure, slight variation in dispersion and remarkable improvement in coupling impedance have been observed in the numerical calculation of the half rectangular ring helix SWS. The half rectangular-ring helix slow-wave structure has the combined advantages of flatten dispersion, high interaction impedance, easy fabrication and convenience for interaction with sheet beam. -
Blumlein线是一种典型的脉冲形成装置，被广泛应用于强流直线感应电子加速器[1-3]等大型脉冲功率装置中。Blumlein线主放电开关起着连接形成线与负载的作用。电场畸变气体火花开关作为一种主放电开关的重要应用形式常被应用于Blumlein脉冲形成装置中，其优点主要有导通强电流、大电荷量转移、结构简单以及使用方便等。
研究者们主要开展了场畸变气体开关触发系统、长寿命电极材料以及开关电极结构等方面的研究，取得了一些有意义的研究成果[4-8]。对于稳定性和可靠性要求很高的大型脉冲功率装置，如强流直线感应加速器中的Blumlein主放电开关，它除了包含一般场畸变开关的所有部组件外，还包括隔离Blumlein线水介质与主放电开关气室的绝缘子。在装置长时间多发次运行后，绝缘子气体侧会发生沿面闪络现象，沿面闪络的发生严重影响主放电开关的稳定性和可靠性[9-12]。
通过仿真计算来优化绝缘结构达到电场调控的方法已被广泛应用于电气设备与脉冲功率装置中[13-15]。本文应用电场仿真计算方法，在有限边界条件下（仅可局部更换部件）对Blumlein线主放电开关的绝缘结构进行了优化设计，通过对阳极异型螺母和绝缘子的外形结构的优化设计，控制局部区域的电场强度，使得电场沿绝缘子表面的分布均匀化、合理化。开展了在标准雷电波条件下混合气体中的不同构形绝缘子的沿面闪络特性，优化后的绝缘子沿面闪络电压得到了明显的提升。
1. 绝缘结构优化
1.1 问题分析与仿真模型
当Blumlein主放电开关中的绝缘子发生闪络时，就必须停止直线感应加速器的运行进行检修，处理方法为重新抛光绝缘子的表面或更换新的绝缘子。开关中的绝缘子发生闪络的痕迹如图1所示。经过对绝缘子沿面闪络放电路径的分析，对实际使用中可更换的部件进行实体建模，Blumlein线主放电开关气室的二维模型如图2所示。模型主要由阳极（异型螺母）、阴极（法兰）和绝缘子组成。通过优化异型螺母和绝缘子的外形结构来实现绝缘子表面电场分布、阳极三结合点（ATJ）和阴极三结合点（CTJ）处场强的控制，达到提升沿面闪络电压的目的。计算模型中主要的物理参数有：有机玻璃绝缘子的相对介电常数为2.8，体积电阻率为1.0×1014 Ω · cm，阳极异型螺母加载电压300 kV，阴极（法兰）接地。
1.2 仿真计算结果
仿真计算了三种绝缘结构的电场分布，如图3所示。第一种为原始结构，由两个等径伞组成，爬电距离为246 mm，如图3（a）所示；第二种为单伞形结构，在异型螺母不变的情况下，绝缘子的伞形由原来的等径双伞形改为单伞形，爬电距离为200 mm，如图3（b）所示；最后一种为优化结构，即同时优化了异型螺母的尺寸和伞形结构，爬电距离为251 mm，如图3（c）所示。阳极施加300 kV负高压，阴极法兰接地。从计算结果中获取不同构形绝缘子的沿面电场分布，如图4所示。从图中可以看出，单伞结构的表面电场低于原始结构，但是电场沿绝缘子表面的分布变化不大。优化结构的绝缘子表面电场低于原始结构，且电场沿绝缘子分布得到了明显的改善。
图 4 不同构形绝缘子的表面电场分布Figure 4. Surface electric field distribution of different insulators with different configurations表1对比了不同构形绝缘子表面最大场强、阳极三结合点处场强和阴极三结合点处的场强，结果表明优化结构的绝缘子在以上三处的场强都得到了大幅的降低，分别从原来的10.8 kV/mm降至5.28 kV/mm、9.44 kV/mm降至1.42 kV/mm和3.12 kV/mm降至0.92 kV/mm。
表 1 不同构形绝缘子表面电场强度的典型数值Table 1. Electric field strength along insulator surfaceinsulator Emax/(kV·mm−1) EATJ/(kV·mm−1) ECTJ/(kV·mm−1) origin insulator 10.8 9.44 3.12 single umbrella insulator 11.5 11.5 2.88 optimized insulator 5.28 1.42 0.92 2. 实验研究与讨论
由于强流直线感应加速器的脉冲功率系统的最高输出为300 kV的脉冲电压，单次脉冲下沿面闪络电压不易发生，因此，为了研究绝缘结构对闪络电压的影响，本项目开展了在标准雷电波1.2 μs/50 μs脉冲条件下不同构形绝缘子的沿面闪络电压试验。试验采用负极性标准雷电波，试验方法为逐级升压法，以预估击穿电压Ub的60%作为升压的起始电压，每级电压至少进行3次加压，加压后若没有发生闪络，则每次以30 kV为步长，逐级加压。每次升压间隔1 min。首次闪络发生后，继续进行3次加压，如未发生闪络，则认为首次闪络电压为老练电压，继续升压，如发生闪络，则降低5%电压重复以上过程。直至加压后持续发生闪络至少3次，取该电压作为绝缘子的闪络电压。闪络试验的工装设计示意图和实物图如图5所示，试验工装主要由试验套管、六氟化硫气室、绝缘子和变压器油室组成。其中试验套管外绝缘可以耐受1000 kV标准雷电波冲击电压，气室充0.55 MPa的SF6和N2的混合气，二者混合比为1∶4（与实际运行工况相同），绝缘子及法兰尺寸与直线感应加速器中的Blumlein线主开关一致。采用变压器油（Blumlein线中为水介质）对绝缘子背面进行沿面绝缘保护，以确保获得在雷电波冲击电压下绝缘子的沿面闪络发生在气体侧的有效数据。
每种构形的绝缘子试品数量为5件，样品如图6所示，分别进行了雷电冲击波条件下的闪络试验，闪络时延发生在雷电波的波尾，主要分布于4～5 μs之间，试验结果如图7所示，原始结构绝缘子、单伞结构绝缘子和优化结构绝缘子的最低闪络电压分别为540，588和734 kV，最高闪络电压均分别为656，668和900 kV，优化结构绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%，并且优化结构绝缘子的最低闪络电压要高于原始结构绝缘子和单伞结构绝缘子的最高沿面闪络电压。
图 7 不同构形的绝缘子沿面闪络试验结果Figure 7. Surface flashover tests of different insulators with different configurations3. 结 论
在Blumlein主放电开关中不规则绝缘结构设计时，爬电距离不是主要设计参数，电场的均匀性、阳极三结合点和阴极三结合点的场强控制更为重要。如电极与绝缘介质直接接触（原始结构与单伞结构），由于两种材料的介电常数差异巨大会造成分界面上电场的增强，尤其是电极-绝缘介质-气体三结合点处电场的增强，从而导致沿面闪络电压的降低。本文通过电场仿真计算与分析，采用电极的布置方式与绝缘子的构形相互配合来实现优化设计。首先，对三结合点处的场强进行控制；其次，减少电极与绝缘子表面的接触面积；最后，将电极与绝缘子伞裙保持一定的距离。优化后的绝缘子的最低和最高沿面闪络电压相比原始结构分别提升了约35.9%和37.2%，从而大大提升了直线感应加速器的稳定性与可靠性。
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图 1 半圆环螺旋线慢波结构和半矩形环螺旋线慢波结构模型图
Figure 1. Model of half circular ring helix slow wave structure and half rectangular ring helix slow-wave structure
图 2 半矩形环螺旋线厚度t对慢波结构高频特性的影响，参数（单位：mm）：b/a＝2, a＝0.10, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
Figure 2. Effect of helix thickness on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) b/a＝2, a＝0.10, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
图 3 半矩形环螺旋线宽度w对慢波结构高频特性的影响，参数（单位：mm）: b/a＝2, a＝0.10, t＝0.01, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
Figure 3. Effect of helix width w on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) b/a＝2, a＝0.10, t＝0.01, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
图 4 半矩形环螺旋线高度b对慢波结构高频特性的影响，参数（单位：mm）a＝0.10, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
Figure 4. Effect of the height b on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) a＝0.10, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
图 5 慢波结构周期对系统高频特性的影响参数，（单位：mm）：a＝0.10, b/a＝2, t＝0.01, w＝0.06, c＝1.00, d＝1.00
Figure 5. Effect of the axial period on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) a＝0.10, b/a＝2, t＝0.01, w＝0.06, c＝1.00, d＝1.00
图 6 半矩形环螺旋线宽高比对系统高频特性的影响，参数（单位：mm）4a＋4b＝1.22, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
Figure 6. Effect of aspect ratio on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) 4a＋4b＝1.22, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00
图 7 半矩形环螺旋线和相同结构参数的半圆环螺旋线高频特性对比
Figure 7. Comparison of high frequency characteristics between the half circular ring helix slow wave structure and the half rectangular ring helix slow wave structure
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