行波管電子槍設(shè)計中的熱分析

電子槍在工作過程中產(chǎn)生的高溫易導致各個組件變形，影響電子槍的各項性能指標和工作壽命，熱分析在提高電子槍設(shè)計的可靠性和加快研制周期方面起著重要的作用。該文使用ANSYS軟件對行波管電子槍進行了熱分析和結(jié)構(gòu)分析，比較了電子槍復雜模型和簡化模型的溫度和熱形變計算結(jié)果。熱分析結(jié)果對電子槍的優(yōu)化設(shè)計有參考價值。
關(guān) 鍵 詞 電子槍; ANSYS軟件; 行波管; 熱分析

電子槍在各種電子器件中有著廣泛的應用，如顯像管、示波器、行波管等，其任務是產(chǎn)生一束具有一定能量的高速細束電子流。不同的電子儀器中對電子注的直徑、形狀、電流密度等有不同的要求，而電子槍中各個電極的形狀和電壓對電子注的粗細、形狀都有影響[1]。
行波管是微波器件中高功率、寬頻帶放大器的主要管型，大量用作衛(wèi)星通信、電子對抗和雷達系統(tǒng)的放大級或發(fā)射功率源。隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，行波管的性能和技術(shù)指標有了很大提高，但隨之也帶來了高的熱負載。高溫對行波管的可靠性與穩(wěn)定性影響很大，定性和定量地研究溫度對行波管各部分參數(shù)的影響，為解決行波管的穩(wěn)定性和可靠性提供了有效途徑。對于行波管的關(guān)鍵部件電子槍，尤其是陰極組件，其熱形變將直接影響電子束的質(zhì)量，這個問題一直受到人們的關(guān)注。由于電子槍的結(jié)構(gòu)比較復雜，其溫度分布和熱形變的解析解很難得到，因此早期熱形變對電子槍性能影響的分析工作開展較少。
隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，一些大型模擬軟件應運而生，給各種熱分析工作帶來了很大的方便，為電子槍的熱設(shè)計提供了有效途徑，ANSYS有限元分析軟件便是其中之一[2]。近年來國內(nèi)外利用ANSYS軟件對電子槍的熱分析開展了一些工作。文獻[3]利用對電子槍各電極的溫度分析，對陰極支持結(jié)構(gòu)的散熱能力和支撐強度進行了優(yōu)化。文獻[4, 5]對燈絲、陰極和陰極的支撐部分建模，計算了燈絲的熱輻射、陰極的熱膨脹，通過分析穩(wěn)態(tài)陰極工作溫度均勻性和電子槍加熱時間解決電子槍的快速啟動問題。文獻[6]直接將陰極設(shè)為熱源，模擬和分析了電子槍的工作狀態(tài)，對電子槍內(nèi)部的溫度分布進行了暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，考慮了外界對流系數(shù)的改變對電子槍的溫度場分布影響，發(fā)現(xiàn)外界對流系數(shù)的改變對電子槍的溫度場幾乎沒有影響。本文利用ANSYS軟件分別對行波管電子槍的全模型和簡化模型進行了熱形變分析。
1 電子槍組件的熱形變計算
行波管電子槍的全模型包括熱絲、熱絲蓋板、熱絲支持片、熱絲陶瓷、陰極、陰極筒、陰極筒支持桿、熱屏筒、熱屏支持架、控制極、控制極支持片、陽極、陽極支持片、對中座、對中座支持片、金屬化槍陶瓷環(huán)、槍端蓋、端蓋支持筒、槍底蓋和連接套。全模型的剖面圖如圖1所示。
由于電子槍的全模型比較復雜，建模要耗去設(shè)計人員大量精力，計算時間也相對較長，因此建立簡化模型時有必要對結(jié)構(gòu)和幾何形狀進行合理的簡化和處理。電子槍處于工作狀態(tài)時，高溫部分主要集中在燈絲、陰極和陰極筒3個部分，而影響電子束參數(shù)的主要是陰極和陰極筒的熱膨脹，因此簡化模型只對陰極和陰極筒建模。這樣可以減少建模工作量和計算時間。簡化的模型如圖2所示。