空间行波管电子枪中阴极热形变及冷启动特性研究

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

  本文利用ANSYS软件对空间行波管的电子枪进行了稳态热分析,得到了电子枪阴极温度随灯丝功率的变化结果,计算结果与试验结果一致,验证了ANSYS热分析的正确性。在此基础上分析了阴极的热形变对电子枪性能参数的影响,同时模拟了电子枪中阴极的冷启动情况,得出阴极在-35℃条件下,在210s内阴极温度可以达到正常工作温度980℃。

  电子枪是行波管的重要部件,内置的发热灯丝发热使热量传递到阴极上,使阴极材料上的电子获得足够的能量并发射。阴极表面温度场的分布和阴极的工作温度是电子枪设计的重要参数,阴极的温度对阴极工作的可靠性和稳定性的影响是极大的。

  本文建立了某行波管电子枪的三维有限元模型,考虑整个模型的热传导和热辐射传热方式,对电子枪进行了稳态热分析,并与试验结果进行对比,两者结果比较一致。确定了电子枪组件热分析中辐射边界条件和高温区零部件之间的接触热阻,验证了ANSYS软件计算的正确性。并在此基础上对电子枪阴极进行了热形变分析和冷启动瞬态热分析,分析了阴极的热形变轴向位移变化对电子枪导流系数和注腰位置等参数的影响,以及电子枪组件中阴极在-35℃冷启动条件下的工作情况,保证了阴极在低温环境下的可靠性。

1、电子枪的热分析

  1.1、电子枪稳态热分析

  电子枪组件的结构比较复杂,但是各个零件都是圆柱型对称结构,为了计算的准确性和合理性,按照电子枪图1所示的电子枪部件图建立了电子枪的三维有限元模型,如图2所示,网格划分大部分采用六面体网格,对于阴极这个关键零件,在阴极发射面中心的网格划分的单元越细密。

表1 电子枪中主要材料的热参数

电子枪中主要材料的热参数

  行波管属真空大功率器件,为了实现和维持最低限度真空度要求,需选用低蒸发速率的材料;为了实现大功率输出和高散热能力,需选用高导热能力和耐高温的材料。一般来说,在一定温度下,管内材料蒸发速率低于10-7 g/cm2·s时是稳定可靠的,行波管电子枪结构的主要材料导热性能详如表1所示。

温度试验的电子枪部件图

图1 温度试验的电子枪部件图

图2 电子枪的稳态热分析有限元模型

  分析中热源为电子枪中的灯丝,通过测得的灯丝工作电压和电流,转换为热功率,灯丝热载荷以体生成热的方式加载到灯丝模型中,即灯丝体生成热=灯丝功率/灯丝体积=灯丝电压×灯丝电流,整个电子枪以热传导散热方式为主,根据电子枪温度试验的环境条件设置外边界条件为自然的空气对流,电子枪的初始温度和工作时的外部温度均为24℃,整个电子枪组件内部封闭在一个真空环境下,模拟中主要考虑了内部阴极与聚焦极之间的热辐射,采用ANSYS软件中的面面辐射计算方法,利用ANSYS软件对电子枪进行稳态热分析,得到了图3所示的阴极基体的表面中心温度分布示意图,其中灯丝加载功率为5.36W 时,阴极发射表面中心温度模拟计算结果为1165.9℃,阴极发射表面边缘温度最低温度为1165.4℃。

  利用上面的方法分别仿真了阴极在不同灯丝热功率下的热状态,得到了不同功率下阴极发射表面中心的温度,图4中给出了不同功率下电子枪中阴极发射表面中心温度的计算数据曲线图。

阴极温度分布图

图3 阴极温度分布图

4、结论

  (1)本文建立了某行波管电子枪温度试验部件的热分析有限元模型,利用ANSYS软件对其进行了稳态热分析,得出了阴极表面中心随灯丝功率的变化情况,并且与温度试验结果进行了比较,两个结果吻合的较好,从而说明了ANSYS软件计算方法的正确性,为电子枪阴极的热可靠性提供参考数据。

  (2)本文分析了电子枪阴极热形变对电子枪性能的影响,阴极的热形变将影响电子注的电流、导流系数、电子注的注腰位置、电子注的注腰半径、电子注的包络,从而影响电子注的流通率和互作用的效率。这些分析的结果可以对行波管设计人员提供设计参考性依据,使得设计人员在设计电子枪时应将阴极的这个热型变量预先考虑,从而减少电子枪的设计周期和提高电子枪的性能。

  (3)在电子枪冷启动热分析中,得到了阴极在-35℃冷启动的工作情况,电子枪从启功到正常工作状态,温度平衡时间在210s左右,即灯丝预热3.5min以内就阴极工作温度可以达到980℃,从而进行工作,符合空间行波管在热真空高低温循环试验中阴极冷启动的工作状态,保证了电子枪阴极的可靠性。

  (4)通过对空间行波管电子枪的热分析,阴极热形变分析和冷启动分析,得到了计算电子枪热性能方面的有效方法,可以为其他行波管的电子枪热性能研究打下基础,为行波管电子枪热可靠性提供了有效的参考依据。

  空间行波管电子枪中阴极热形变及冷启动特性研究为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/Vacuum-Electronics/045143.html

  与 真空电子技术 空间行波管 相关的文章请阅读:

  真空电子技术http://www.chvacuum.com/Vacuum-Electronics/