行波管电子枪设计中的热分析

电子枪在工作过程中产生的高温易导致各个组件变形，影响电子枪的各项性能指标和工作寿命，热分析在提高电子枪设计的可靠性和加快研制周期方面起着重要的作用。该文使用ANSYS软件对行波管电子枪进行了热分析和结构分析，比较了电子枪复杂模型和简化模型的温度和热形变计算结果。热分析结果对电子枪的优化设计有参考价值。
关 键 词 电子枪; ANSYS软件; 行波管; 热分析

电子枪在各种电子器件中有着广泛的应用，如显像管、示波器、行波管等，其任务是产生一束具有一定能量的高速细束电子流。不同的电子仪器中对电子注的直径、形状、电流密度等有不同的要求，而电子枪中各个电极的形状和电压对电子注的粗细、形状都有影响[1]。
行波管是微波器件中高功率、宽频带放大器的主要管型，大量用作卫星通信、电子对抗和雷达系统的放大级或发射功率源。随着新材料、新工艺和新技术的不断出现，行波管的性能和技术指标有了很大提高，但随之也带来了高的热负载。高温对行波管的可靠性与稳定性影响很大，定性和定量地研究温度对行波管各部分参数的影响，为解决行波管的稳定性和可靠性提供了有效途径。对于行波管的关键部件电子枪，尤其是阴极组件，其热形变将直接影响电子束的质量，这个问题一直受到人们的关注。由于电子枪的结构比较复杂，其温度分布和热形变的解析解很难得到，因此早期热形变对电子枪性能影响的分析工作开展较少。
随着计算机技术的快速发展，一些大型模拟软件应运而生，给各种热分析工作带来了很大的方便，为电子枪的热设计提供了有效途径，ANSYS有限元分析软件便是其中之一[2]。近年来国内外利用ANSYS软件对电子枪的热分析开展了一些工作。文献[3]利用对电子枪各电极的温度分析，对阴极支持结构的散热能力和支撑强度进行了优化。文献[4, 5]对灯丝、阴极和阴极的支撑部分建模，计算了灯丝的热辐射、阴极的热膨胀，通过分析稳态阴极工作温度均匀性和电子枪加热时间解决电子枪的快速启动问题。文献[6]直接将阴极设为热源，模拟和分析了电子枪的工作状态，对电子枪内部的温度分布进行了暂态和稳态分析，考虑了外界对流系数的改变对电子枪的温度场分布影响，发现外界对流系数的改变对电子枪的温度场几乎没有影响。本文利用ANSYS软件分别对行波管电子枪的全模型和简化模型进行了热形变分析。
1 电子枪组件的热形变计算
行波管电子枪的全模型包括热丝、热丝盖板、热丝支持片、热丝陶瓷、阴极、阴极筒、阴极筒支持杆、热屏筒、热屏支持架、控制极、控制极支持片、阳极、阳极支持片、对中座、对中座支持片、金属化枪陶瓷环、枪端盖、端盖支持筒、枪底盖和连接套。全模型的剖面图如图1所示。
由于电子枪的全模型比较复杂，建模要耗去设计人员大量精力，计算时间也相对较长，因此建立简化模型时有必要对结构和几何形状进行合理的简化和处理。电子枪处于工作状态时，高温部分主要集中在灯丝、阴极和阴极筒3个部分，而影响电子束参数的主要是阴极和阴极筒的热膨胀，因此简化模型只对阴极和阴极筒建模。这样可以减少建模工作量和计算时间。简化的模型如图2所示。