降低空间行波管热子功率的仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:孟晓君

  本文用Ansys热分析技术研究了某一空间行波管电子枪的阴极热屏组件中影响热子功率的诸多因素,提出了结构改进措施,并用Abaqus力学分析技术对新结构进行了抗力学环境能力分析。在未改变阴极面尺寸、阴极面温度以及可直接安装到原组件位置的前提下,新结构可将热子功率从4.4W 降低到2.5W,预热时间和抗力学环境能力亦可满足要求。

  效率是空间行波管的一个重要参数,也是空间行波管不同于普通行波管的主要特征,获得高效率一直是空间行波管的一项关键技术。管子的效率为输出功率与总功耗之比,总功耗为输出功率与热功耗之和,因此降低热功耗是提升空间行波管效率的一条主要技术途径。

  空间行波管的热功耗主要由收集极、管体、输能系统和热子所产生的热耗组成。降低热功耗传统上从降低收集极热耗、管体热耗和输能系统热耗入手,由于热子功率一般只有几瓦,对效率影响不大而往往导致设计师不重视对其降低措施的研究。但是,当面对50W 级中功率管子的效率需要达到60%时或者15W 级小功率管子的效率提升至50%以上时,热子功率的降低对效率的提升变得比较关键。对于前者,原传统措施往往已经深度挖掘,即使提升效率的一个百分点也将变得极其困难,但此时降低1W 的热子功率就能提高0.7%(按50 W 输出功率、60%效率计算)的效率;对于后者,降低1W 热子功率则能提高1.7%(按15W 输出功率、50%效率计算)的效率。因此,对于60%以上高效率的中功率空间行波管和15W 以下的小功率空间行波管而言,降低热子功率是必须考虑的关键技术。

  对于特定负荷的热阴极而言,阴极表面的工作温度是一定的,热子功率取决于阴极热屏组件的热屏蔽能力。目前国内空间行波管水平尚处于初级阶段,阴极热屏组件一般直接借用了普通行波管的,热子功率明显偏高;反观国外的空间行波管,其热子功率一般为2.5W 和4W 的标准值,两者的对比见表1,水平差距非常明显。因此降低热子功率也是国内空间行波管进一步发展所必须要解决的问题。此外,降低热子功率一般还会带来一些附加好处,热子温度的降低减缓了热子的电蚀速度和减轻了热子组件的内部热应力,提高了热子的通断寿命和使用寿命,对空间行波管而言,这些与热子直接相关的可靠性指标也是非常重要的。

国内外空间行波管热子功率典型水平对比

表1 国内外空间行波管热子功率典型水平对比

1、研究内容

  首先对某已进行阴极温度实验的空间行波管电子枪建立Ansys热模型,仿真不同热子功率加载下的稳态热分布,将仿真结果与实验值进行对比,由此可验证热模型及其参数设置的正确性;以该热模型及建模参数为基础,仿真阴极热屏组件主要零件尺寸及形状的变化对阴极表面温度的影响,找出降低热子功率的有效措施,并对这些措施进行综合分析和折中选择,进而完成阴极热屏组件结构的改进。这个改进过程的前提是:

  ①不改变阴极面物理尺寸和表面温度;

  ②加工和制造工艺、预热时间以及抗力学环境能力满足要求;

  ③改进结构可以直接安装到原结构位置上。

  为了保证结构的改进不会影响阴极热屏组件的抗力学环境能力,还需要建立改进结构的力学分析模型并进行模态、应力和位移的仿真计算,证明改进结构符合抗力学环境要求。

  上述改进过程具有普遍意义,实际给出了从普通行波管阴极热屏组件技术向空间行波管阴极热屏组件技术跨越的完整解决途径。

5、结论

  本文利用Ansys热仿真和Abaqus力学仿真技术对某空间行波管的电子枪阴极热屏组件结构进行了改进,在未改变阴极面物理尺寸和表面温度、加工和制造工艺允许、预热时间和抗力学环境能力满足要求、以及改进结构可直接安装替换的前提下,综合采取提高热屏能力的措施,将热子功率从4.4W 降到2.5W,节约功耗1.9W,直接将原管子的效率提高了1%以上,阴极热屏组件的水平基本达到了国外空间行波管的水平。

  由于加工周期的关系,本文成文时改进阴极热屏组件的温度实验还未进行,因此最终的改进效果还有待于验证。但从原结构仿真与原结构温度实验结果的符合程度看,改进结构的数据是可信的。

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