空間行波管電子槍中陰極熱形變及冷啟動特性研究
本文利用ANSYS軟件對空間行波管的電子槍進行了穩(wěn)態(tài)熱分析，得到了電子槍陰極溫度隨燈絲功率的變化結果，計算結果與試驗結果一致，驗證了ANSYS熱分析的正確性。在此基礎上分析了陰極的熱形變對電子槍性能參數(shù)的影響，同時模擬了電子槍中陰極的冷啟動情況，得出陰極在-35℃條件下，在210s內(nèi)陰極溫度可以達到正常工作溫度980℃。
電子槍是行波管的重要部件，內(nèi)置的發(fā)熱燈絲發(fā)熱使熱量傳遞到陰極上，使陰極材料上的電子獲得足夠的能量并發(fā)射。陰極表面溫度場的分布和陰極的工作溫度是電子槍設計的重要參數(shù)，陰極的溫度對陰極工作的可靠性和穩(wěn)定性的影響是極大的。
本文建立了某行波管電子槍的三維有限元模型，考慮整個模型的熱傳導和熱輻射傳熱方式，對電子槍進行了穩(wěn)態(tài)熱分析，并與試驗結果進行對比，兩者結果比較一致。確定了電子槍組件熱分析中輻射邊界條件和高溫區(qū)零部件之間的接觸熱阻，驗證了ANSYS軟件計算的正確性。并在此基礎上對電子槍陰極進行了熱形變分析和冷啟動瞬態(tài)熱分析，分析了陰極的熱形變軸向位移變化對電子槍導流系數(shù)和注腰位置等參數(shù)的影響，以及電子槍組件中陰極在-35℃冷啟動條件下的工作情況，保證了陰極在低溫環(huán)境下的可靠性。
1、電子槍的熱分析
1.1、電子槍穩(wěn)態(tài)熱分析
電子槍組件的結構比較復雜，但是各個零件都是圓柱型對稱結構，為了計算的準確性和合理性，按照電子槍圖1所示的電子槍部件圖建立了電子槍的三維有限元模型，如圖2所示，網(wǎng)格劃分大部分采用六面體網(wǎng)格，對于陰極這個關鍵零件，在陰極發(fā)射面中心的網(wǎng)格劃分的單元越細密。
表1 電子槍中主要材料的熱參數(shù)
行波管屬真空大功率器件，為了實現(xiàn)和維持最低限度真空度要求，需選用低蒸發(fā)速率的材料;為了實現(xiàn)大功率輸出和高散熱能力，需選用高導熱能力和耐高溫的材料。一般來說，在一定溫度下，管內(nèi)材料蒸發(fā)速率低于10-7 g/cm2·s時是穩(wěn)定可靠的，行波管電子槍結構的主要材料導熱性能詳如表1所示。
圖1 溫度試驗的電子槍部件圖
圖2 電子槍的穩(wěn)態(tài)熱分析有限元模型
分析中熱源為電子槍中的燈絲，通過測得的燈絲工作電壓和電流，轉(zhuǎn)換為熱功率，燈絲熱載荷以體生成熱的方式加載到燈絲模型中，即燈絲體生成熱=燈絲功率/燈絲體積=燈絲電壓×燈絲電流，整個電子槍以熱傳導散熱方式為主，根據(jù)電子槍溫度試驗的環(huán)境條件設置外邊界條件為自然的空氣對流，電子槍的初始溫度和工作時的外部溫度均為24℃，整個電子槍組件內(nèi)部封閉在一個真空環(huán)境下，模擬中主要考慮了內(nèi)部陰極與聚焦極之間的熱輻射，采用ANSYS軟件中的面面輻射計算方法，利用ANSYS軟件對電子槍進行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到了圖3所示的陰極基體的表面中心溫度分布示意圖，其中燈絲加載功率為5.36W 時，陰極發(fā)射表面中心溫度模擬計算結果為1165.9℃，陰極發(fā)射表面邊緣溫度最低溫度為1165.4℃。
利用上面的方法分別仿真了陰極在不同燈絲熱功率下的熱狀態(tài)，得到了不同功率下陰極發(fā)射表面中心的溫度，圖4中給出了不同功率下電子槍中陰極發(fā)射表面中心溫度的計算數(shù)據(jù)曲線圖。
圖3 陰極溫度分布圖
4、結論
(1)本文建立了某行波管電子槍溫度試驗部件的熱分析有限元模型，利用ANSYS軟件對其進行了穩(wěn)態(tài)熱分析，得出了陰極表面中心隨燈絲功率的變化情況，并且與溫度試驗結果進行了比較，兩個結果吻合的較好，從而說明了ANSYS軟件計算方法的正確性，為電子槍陰極的熱可靠性提供參考數(shù)據(jù)。
(2)本文分析了電子槍陰極熱形變對電子槍性能的影響，陰極的熱形變將影響電子注的電流、導流系數(shù)、電子注的注腰位置、電子注的注腰半徑、電子注的包絡，從而影響電子注的流通率和互作用的效率。這些分析的結果可以對行波管設計人員提供設計參考性依據(jù)，使得設計人員在設計電子槍時應將陰極的這個熱型變量預先考慮，從而減少電子槍的設計周期和提高電子槍的性能。
(3)在電子槍冷啟動熱分析中，得到了陰極在-35℃冷啟動的工作情況，電子槍從啟功到正常工作狀態(tài)，溫度平衡時間在210s左右，即燈絲預熱3.5min以內(nèi)就陰極工作溫度可以達到980℃，從而進行工作，符合空間行波管在熱真空高低溫循環(huán)試驗中陰極冷啟動的工作狀態(tài)，保證了電子槍陰極的可靠性。
(4)通過對空間行波管電子槍的熱分析，陰極熱形變分析和冷啟動分析，得到了計算電子槍熱性能方面的有效方法，可以為其他行波管的電子槍熱性能研究打下基礎，為行波管電子槍熱可靠性提供了有效的參考依據(jù)。
