行波管阴极热子组件结构的热分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:孟鸣凤

  本文分析了不同结构的阴极热子组件与其加热效率的关系。组件的加热效率受阴极支持筒侧面辐射的影响较大,支持筒直径与阴极基底直径相近时,组件加热效率高。并利用ANSYS 软件对阴极热子组件进行了热模拟,计算了不同结构组件的温度分布。制备的阴极热子组件的温度试验,结果与计算机仿真在趋势上是一致的,从而为阴极热子组件的设计和优化提供了有力的理论依据和指导。

  阴极热子组件作为行波管的核心部件,其性能的好坏直接影响到整管的质量、可靠性和寿命。随着整管性能的提高,对阴极热子组件的要求也越来越高,不仅要满足行波管设计要求的阴极发射电流密度指标,而且要使组件处于热损耗低的高可靠工作状态,即在达到阴极发射电流密度的条件下,尽可能地降低热子的加热功率,因此需要提高阴极热子组件的加热效率。尤其对于空间行波管,由于工作环境特殊,阴极热子组件的加热效率问题尤为重要。近些年来,国际上通过设计合理的阴极热子组件结构,并辅之优化的组件制备工艺,阴极热子组件的加热效率获得很大提高。

  要获得高效率阴极热子组件,在提高热子自身加热效率的基础上,更为重要的是设计合理的阴极热子组件结构。利用ANSYS 热分析软件对阴极热子组件中热量的产生、传导、辐射及损耗过程进行计算机模拟,分析不同结构对阴极热子组件加热效率的影响。将模拟结果应用于高效率阴极热子组件的研制,通过对比实验及分析,从而为阴极热子组件的设计和优化提供理论依据和指导。

1、热分析模拟

  ANSYS软件进行热分析计算的基本原理是把处理的对象首先划分成有限个单元(每个单元包含若干个节点) ,然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点温度值,继而进一步求解出其他相关量。

1.1、有限元模型建立

  阴极热子组件由阴极、阴极支持筒、热子以及填充烧结的Al2O3等部分组成。以阴极热子组件作为研究对象,并将热子作为热源。其中热子结构为复绕双螺旋结构,考虑到复绕热子的次级螺旋螺距很小,内径与外径相比也很小,为便于分析计算,模型中忽略了次级螺旋结构以及热子引腿的影响 。阴极热子组件的基本结构和模型如图1 所示。

阴极热子组件的基本结构和ANSYS模型

图1  阴极热子组件的基本结构和ANSYS模型

  下面分别对两种不同结构的阴极热子组件进行建模和热模拟计算,从而分析不同结构对加热效率的影响。两种结构阴极尺寸相同,直径均为2.4mm ,最大厚度为1.5mm。阴极支持筒采用不同的结构,主要区别为内径不同,如表1 所示。为达到相同的加热效果,采用的热子丝径相同,总长度相同,根据支持筒的内径绕制不同的圈数。其中结构Ⅰ中热子高度和直径分别为1.91mm 和2.43mm ,结构Ⅱ中热子高度和直径为2.31mm 和1.94mm。

表1  两种结构中阴极支持筒的尺寸

两种结构中阴极支持筒的尺寸

  采用solid87六节点四面体单元对实体模型进行网格划分。考虑到组件中热子结构的特殊性,针对不同的部件采用不同的单元尺寸控制和smartsize网格划分控制,并采用Tet 四面体单元对单元形状进行控制,得到较为规则的网格形状,有利于提高计算的正确性和精确性。有限元模型如图2 所示。

图2  有限元模型

4、结论

  利用ANSYS 软件对两种不同结构的阴极热子组件的加热和传递过程进行热模拟计算。通过阴极热子组件的温度试验与模拟结果进行对比,分析不同结构对阴极热子组件加热效率的影响。结果表明,阴极支持筒的结构参数对组件的加热效率影响较大。因此在阴极热子组件结构设计中,应该先根据阴极尺寸来初步确定阴极支持筒的尺寸参数,再根据所需加热功率确定热子尺寸,再确定阴极支持筒的长度,从而得到优化结构的阴极热子组件。

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