摘要
基于140 GHz兆瓦级回旋振荡器电子枪设计和研制,利用ANSYS热分析软件,建立相应的磁控注入电子枪模型,分析电子枪工作时阴极温度均匀性及热形变,尝试通过相关几何和电参数的调整,在改善阴极温度均匀性的基础上,尽可能消除热形变对电子轨迹质量的影响。通过对比相同加热功率下阴极发射带的实测温度及仿真温度,评价了仿真模型及结果的合理性,为阴极组件的实际设计提供了参考数据。
回旋管作为一种工作在高频段且具有高功率、高效率特点的真空电子器件,在雷达通信、电子对抗、高能加速器和等离子体加热等方面具有广泛的应用前景。在回旋管中,磁控注入电子枪为其核心部件,采用热阴极的工作方式,内置的发热灯丝将热量传递到阴极发射带上,使电子获得足够的能量,受激并逸出阴极表面,产生电子注。由于磁控注入电子枪工作在温度限制区,阴极的热分布会影响电子枪的发射性能和寿命,成为制约回旋管可靠性的主要因素。为避免造成资金、人力物力和时间上的浪费,对回旋管的热特性进行仿真模拟,并验证其可靠性,是实验样管研制工作的一个重要环
通常有两种方式实现电子枪阴极加热。其一是辐射加热,这一方式能够使阴极表面温度均匀性相对容易实现,但热效率很低,会导致电子枪整体温度高,对焊接和冷却提出了极为苛刻的要求;另一种方式是接触式加热,这种方式的加热效率相对高,但要实现好的均匀性对灯丝的绕制和装配方式有非常高的要求,很难达到像辐射加热那样的均匀性,两种方式各有特点。由于回旋管电子枪工作在温度限制状态,对温度的均匀性具有特别高度要求。本文主要从辐射加热型电子枪着手,讨论其受热后的温度均匀性及变形对电子轨迹的影响,同时给出相应的改善办法,为电子枪组件的设计及制备提供一定依据。
本文基于140 GHz兆瓦级回旋振荡器采用的电子枪设计和研制,建立对应的磁控注入电子枪模型,主要包括前聚焦极、阴极体、灯丝、后聚焦极和支撑筒等结构如

图1 电子枪及阴极体结构示意图 (a) 电子枪结构,(b) 阴极体结构
Fig. 1 The schematic view of electron gun and cathode emitter,(a) the structure of electron gun, (b) the structure of cathode emitter
电子枪设计的基本参数如
阴极体表面中心半径/mm | 阴极体轴向宽度/mm | 阴极电流发射密度/A·c | 阴极角度/(°) | 横纵速度比 | 引导中心半径/mm |
---|---|---|---|---|---|
49 | 5 | 2.6 | 26 | 1.32 | 10.3 |
灯丝的排列方式包括螺距、绕制半径及距底部支撑结构的距离对阴极发射带温度的均匀性至关重要。灯丝绕制的倾角需与阴极倾角一致,使热量更加均匀的辐射至阴极体内表面上。灯丝缠绕的螺距变小会使其辐射的热量更加集中,有利于提高阴极温度和发射带均匀性,但同时要兼顾工程可行性的要求。灯丝的缠绕半径会影响其距阴极体内表面的辐射距离,灯丝距底部支撑结构距离太近则可能因高温状态灯丝发软过于靠近支撑面带来短路危险。实际需要选取灯丝最合适的各项参数,同时保证阴极发射带温度的均匀性和可靠性。
电子枪内热量主要以热传导和热辐射的形式耗散,灯丝附近的钽热屏能够阻止热量直接向圆环陶瓷辐射,以降低热量在其中的储存。圆环陶瓷与灯丝夹板瓷相结合定位灯丝避免短路发生。后聚焦极与支撑筒之间的钼热屏能够有效地阻止热量向下耗散。阴极支撑筒上的开槽起到阻碍热量向下传导的作用。支撑筒上共有18个槽,每层3个均布,共6层,相邻两层的槽错开60 °分布,在保证其拥有足够的结构强度下最大限度的减少了热量损耗,提高了阴极加热效率。
电子枪中阴极体及加热灯丝采用钨材料,前后聚焦极和支撑筒采用钼材料,钽热屏采用钽材料等。在ANSYS材料库中设置各材料的热导率、弹性模量、泊松比等参数如
热导率/W· | 热膨胀系数/ (m· | 泊松比 | 弹性模量/GPa | |
---|---|---|---|---|
钼 | 159 | 6 | 0.3 | 351 |
钨 | 174 | 4.5 | 0.28 | 411 |
陶瓷 | 14.7 | 8.8 | 0.3 | 310 |
钽 | 54 | 6.5 | 0.35 | 186 |
在ANSYS热分析软件中,热载荷是将加热功率转换为热功率体密度施加在加热灯丝上,单位体积的热生成率计算式如下
, | (1) |
其中,为输入电压,为输入电流,为加热灯丝到中心对称轴的距离,是加热灯丝半径。由于电子枪内部是高真空密闭环境,不存在热对流情况,传热方式为热辐射,热辐射传热过程可用如下式子计算
, | (2) |
式中,为物体之间传递的总热量,为物体的辐射率,是一个常数,表示物体的面积,和是物体和物体的温度,表示物体和物体之间的形状系数,其决定了辐射体间的形状尺寸。利用ANSYS热分析软件,基于

图2 发射带最高温度随加热功率变化图
Fig. 2 The maximum temperature of the emitter changing with heating power

图3 电子枪、阴极体及阴极发射带温度分布图,(a) 电子枪温度,(b) 阴极体温度,(c) 发射带温度
Fig. 3 Temperature distribution of electron gun, cathode body and cathode emitter,(a) temperature distribution of electron gun, (b) temperature distribution of cathode body, (c) temperature distribution of cathode emitter
阴极温度均匀关系着发出的电子注的质量和稳定性。磁控注入电子枪热分析的主要目的是寻求一种合理的灯丝绕制和排列方式,结合有效的热隔离和屏蔽,通过合理调节几何结构和电参数,使得由灯丝产生的热量尽可能地均匀地分布在阴极体内和发射表面。

图4 加热灯丝结构图
Fig. 4 Heater structure

图5 阴极发射带表面温差随灯丝参数变化图,(a) 灯丝螺距,(b) 灯丝绕制半径,(c) 灯丝距底部支撑结构距离
Fig. 5 Temperature difference on the cathode emitter surface with different heater parameters,(a) heater pitch, (b) heater winding radius, (c) heater position
当加热功率为925 W,加热灯丝螺距为6.5 mm,最靠近底部灯丝的缠绕半径为44 mm,距底部支撑结构1.4 mm时,阴极体温差3.2 ℃,阴极发射带表面温度在1 002.5~1 003.6 ℃,温差为1.1 ℃。但出于工程上考虑,灯丝与陶瓷支撑结构过于接近可能导致受热后的灯丝与其接触短路,因此需要预留出足够的安全距离和确保实际工程制备和安装的可行性。
灯丝距底部陶瓷支撑结构距离/mm | 阴极表面温差/℃ | 阴极体温差/℃ |
---|---|---|
1.4 | 1.1 | 3.2 |
2.4 | 1.4 | 3.5 |
4.4 | 1.7 | 3.5 |
6.4 | 2.8 | 4.4 |
当磁控注入电子枪阴极发射带被加热到1 000 ℃时,电子枪发生热形变不可避免。因此,分析其发生的热形变对研究电子枪性能及产生的电子注质量有重要意义。在ANSYS软件中建立结构静力分析模块,将上述得到的电子枪稳态温度作为载荷,设置环境温度为20 ℃,因实际装配中电子枪底部有固定支撑结构,所以对电子枪底部施加固定约束分析电子枪产生的热形变。计算得到的电子枪及发射带轴向上的热形变分布如

图6 电子枪及阴极发射带轴向上热形变分布图
Fig. 6 Thermal deformation distribution of electron gun and cathode emitter in the axial direction

图7 电子枪及阴极发射带径向上热形变分布图
Fig. 7 Thermal deformation distribution of electron gun and cathode emitter in the radial direction
上述是单独对电子枪进行热形变分析的结果。在实际回旋管中,电子枪是与第一阳极通过外壳及托底部件连接在一起。

图8 电子枪及第一阳极结合模型和温度分布图
Fig. 8 Temperature distribution of electron gun and first anode
电子枪的热形变膨胀会使其和第一阳极之间的径向距离减小,导致电子注质量变差,达不到预期的设计结果,

图9 二维电子注轨迹图
Fig. 9 The 2D trajectory of electron beam
引导中心半径/mm | 横纵速度比 | 横向速度零散 | |
---|---|---|---|
形变前 | 10.34 | 1.3 | 4.2% |
形变后 | 10.42 | 1.46 | 4.8% |
按上述热形变量将第一阳极半径缩小0.19 mm,轴向缩短0.5 mm,电子枪半径缩小0.24 mm,轴向缩短0.72 mm后,灯丝施加1 100 W加热功率,得到第一阳极内径最大形变为0.19 mm,轴向最大形变为0.51 mm,电子枪发射斜面径向最大形变为0.24 mm,轴向最大形变为0.72 mm,第一阳极和电子枪的热形变幅度几乎和留有的加工余量完全一致。也就是说,形变后的尺寸几乎完全与初始设计的尺寸一致。因此根据热形变的数值来推断所应保留的加工余量能够有效的缓解热形变带来的影响,可以使电子枪在高温工作时其结构参数仍满足设计要求。
为了验证ANSYS热分析软件仿真结果的准确性,对阴极发射带表面温度进行温度测试实验,在真空的环境下给定灯丝的输入电压及输入电流,得到不同加热功率下的电子枪阴极发射带的温度。在ANSYS中对电子枪模型输入相同的加热功率,得到仿真的阴极发射带温度进行比较如
输入电压/V | 输入电流/A | 实测温度/℃ | 仿真温度/℃ |
---|---|---|---|
20.5 | 31 | 851 | 871 |
21.7 | 32 | 882 | 900 |
23.4 | 33.7 | 943 | 924 |
24.9 | 35 | 980 | 978 |
从
基于140 GHz兆瓦级回旋振荡器电子枪设计和制备,利用ANSYS热分析软件,建立了电子枪组件热分析模型,对辐射加热磁控注入电子枪进行了稳态温度分布及热形变分析。通过合理调整加热灯丝的几何和热参数以及其与阴极之间的相对位置,致力于改善阴极体和发射表面温度均匀性。在温度均匀性相对改善的条件下,分析了热形变对电子轨迹质量的影响,并找到了弥补形变影响合适的方法。结果表明,通过合理选择结构参数来平衡电子枪产生的热形变,可以使得在工作温度下电子轨迹与设计相符并同时能够改善加热均匀性。同时相关阴极工作温度的仿真结果与实验有很好的一致性。
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