高功率回旋管收集極的設(shè)計及其熱分析

熊 能，徐望炬，郭思豆，陳 科，劉頔威，張開春

（電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054）

0 引言

回旋管是一種重要的電真空輻射源，其頻率可以覆蓋毫米波甚至微米波段，在衛(wèi)星通信、空間探測、電磁對抗、定向武器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間，在國際上備受重視［1-3］。隨著回旋管研究技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展，回旋管研究朝著高功率（數(shù)百kW或MW量級）和高頻率（THz波段）方向發(fā)展，比如應(yīng)用于ITER中進(jìn)行等離子體加熱［4］的回旋管。當(dāng)工作頻率在mm波段或THz波段且工作模式為基模時，回旋管將面臨高頻結(jié)構(gòu)尺寸小、功率容量有限的問題，難以實(shí)現(xiàn)高功率輸出［5-7］。若采用高階模工作，則能夠很好地解決上述問題。本文中的回旋管電子槍結(jié)構(gòu)是針對高階模下的回旋管，其工作頻率94 GHz，輸出功率在100 kW以上。

回旋管由磁控注入電子槍、諧振腔、輸出窗和收集極等組成。磁控注入電子槍產(chǎn)生的高能回旋電子注，與諧振腔的電磁波相互作用，將部分能量交給電磁波，完成互作用后的高能電子注被收集極吸收［8-9］。通常回旋管的效率約為20%～50%，因此被收集極吸收的電子注能量依舊很高，這種高能電子注轟擊收集極后除了產(chǎn)生二次電子和X光，還會造成被轟擊處的局部溫度急劇升高［10］。如果收集極的結(jié)構(gòu)或散熱方式設(shè)計不合理，將造成收集極的局部溫度過高，導(dǎo)致收集極局部溶解和回旋管的真空度降低，這將嚴(yán)重影響回旋管的穩(wěn)定工作。本文將根據(jù)給定的回旋管電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)和束流參數(shù)，設(shè)計收集極的結(jié)構(gòu)和分析電子束的軌跡。并采用多物理場仿真軟件對回旋管電子槍和收集極進(jìn)行建模，根據(jù)電子束軌跡、能量以及散熱方式對收集極上的溫度分布進(jìn)行仿真模擬。

1 電子槍

在回旋管中，陰極發(fā)射的電子注在電、磁場的共同作用下沿著軸向做回旋運(yùn)動［11-12］。當(dāng)工作模式和工作頻率確定后，可根據(jù)電子回旋脈塞理論計算出互作用區(qū)磁場Bz、高頻結(jié)構(gòu)的半徑、電子注引導(dǎo)中心半徑和拉莫爾半徑［13-14］。通過這些參數(shù)，可以計算出陰極中心半徑、陰極電流、陰極傾角、陽極電壓和陰陽極間距［15］。

本磁控注入電子槍采用的是單陽極結(jié)構(gòu)，可根據(jù)相關(guān)理論［15］確定出電子槍的初始參數(shù)。隨后采用粒子模擬軟件對其建模和仿真，并根據(jù)電子束的軌跡和注波互作用的要求對電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到電子槍的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 收集極穩(wěn)態(tài)熱分析

2.1 收集極的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文主要使用單級收集極來回收互作用后的電子注，收集極結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 回旋管收集極結(jié)構(gòu)

收集極由兩部分構(gòu)成，收集極漸變區(qū)域和收集電子區(qū)域。收集極漸變區(qū)域的內(nèi)徑隨著軸向逐漸變大，而收集電子區(qū)域的內(nèi)徑保持不變。漸變區(qū)軸向長度L1＝210.00 mm，漸變區(qū)左側(cè)內(nèi)徑為8.00 mm，收集極軸向長度L2＝690.00 mm，內(nèi)徑為32.00 mm，外徑為35.00 mm。之所以設(shè)置收集極漸變區(qū)域，是因?yàn)殡S著內(nèi)徑的增大，其內(nèi)表面積增大，可有效降低收集極的溫度。

2.2 電子注軌跡

在5 A的工作電流、55 kV的電壓條件下，經(jīng)粒子模擬仿真軟件計算出電子注的運(yùn)動軌跡，如圖2所示。由圖可見，電子注在收集極上降落點(diǎn)的范圍為882.41～963.34 mm，與之對應(yīng)的工作磁場的軸向分布如圖3所示。

圖2 電子注運(yùn)動軌跡

圖3 磁場分布

2.3 收集極的熱分析

收集極的散熱方式對收集極上的溫度分布情況影響非常大，在對收集極進(jìn)行熱分析之前需要對收集極的邊界條件進(jìn)行設(shè)定。回旋管內(nèi)部為真空狀態(tài)，設(shè)置收集極內(nèi)部表面散熱方式為熱輻射，收集極的外部表面采用水冷方式散熱，即強(qiáng)制散熱。經(jīng)計算，水的對流換熱系數(shù)為3.20×104 W／（m2·℃）、內(nèi)部表面向真空熱輻射的輻射因子為0.28。采用CST粒子工作室與多物理場協(xié)同仿真計算收集極上的溫度分布，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖可見，收集極上的局部最高溫度為332℃，該溫度偏高，會影響回旋管的使用壽命。

圖4 收集極溫度分布

3 收集極熱分析優(yōu)化

3.1 收集極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決收集極局部溫度過高的問題，將收集極外側(cè)設(shè)計為水槽結(jié)構(gòu)，可以增大收集極的外表面積，即增大熱交換的有效面積，可降低收集極表面的熱量。收集極水槽結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 收集極水槽結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)回旋管工作參數(shù)保持不變時，影響收集極溫度分布的主要因素有：水槽深度、水槽角度和水槽個數(shù)。

圖6 最高溫度隨水槽深度L變化

當(dāng)水槽個數(shù)為20、水槽角度為2°，只改變水槽深度時，經(jīng)計算得到最高溫度隨水槽深度的變化曲線如圖6所示。水槽深度從18.00 mm逐漸增加到22.00 mm，收集極的最高溫逐漸降低，收集極的最高溫度為269℃，比優(yōu)化前降低了63℃。

當(dāng)水槽深度為22.00 mm、水槽個數(shù)為20，只改變水槽的角度時，經(jīng)計算得到最高溫度隨著水槽角度的變化曲線，如圖7所示。

由圖中可見，隨著水槽角度的增大，收集極最高溫度也在逐漸增大。可得，水槽角度越小越有利于將收集極上的熱量傳遞給水，且當(dāng)角度為2°時，最高溫度約為269℃。

圖7 最高溫度隨水槽角度變化

當(dāng)水槽深度為25.00 mm、水槽角度為2°，只改變水槽個數(shù)時，經(jīng)計算得到最高溫度隨水槽個數(shù)的變化曲線如圖8所示。

圖8 最高溫度隨水槽個數(shù)變化

當(dāng)水槽個數(shù)在16～24范圍內(nèi)變化，且為20時，收集極溫度最低。

3.2 增加散焦線圈

為降低收集極的溫度，可在收集極處采用添加散焦線圈［16］的方法來拓寬收集極區(qū)電子注的落點(diǎn)范圍來降低收集極溫度，即，在收集極外圍添加軸向散焦線圈，用來改變軸向的磁場強(qiáng)弱，改變電子注的運(yùn)動軌跡，改變電子注打在收集極上的作用范圍。若能顯著增加落點(diǎn)范圍，那么收集極上的局部溫度也會適當(dāng)降低。由于電子注的落點(diǎn)范圍會隨散焦線圈的電流、散焦線圈的位置和線圈軸向?qū)挾鹊淖兓兓?/p>

當(dāng)散焦線圈左側(cè)位置為980.0 mm、軸向?qū)挾葹?0.0 mm、線圈內(nèi)外半徑分別為60.0、80.0 mm、線圈匝數(shù)為100、線圈電流變化范圍18～28 A時，電子注落點(diǎn)范圍隨電流的變化曲線如圖9所示。

電子注的落點(diǎn)范圍隨電流變化呈現(xiàn)上下波動狀，當(dāng)電流值為28 A時，電子注的落點(diǎn)范圍最寬約142 mm。

當(dāng)散焦線圈電流值為28 A，其他參量不變，僅改變線圈位置時，電子注落點(diǎn)范圍長度隨線圈位置變化曲線如圖10所示。

圖9 落點(diǎn)范圍隨電流I變化圖

圖10 落點(diǎn)范圍隨線圈位置Z變化圖

線圈位置對電子注的落點(diǎn)范圍長度影響很大。當(dāng)線圈的位置位于1 020 mm時，電子注的落點(diǎn)范圍寬于線圈位于980 mm時。從電子注的運(yùn)動軌跡可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)線圈位于1 020 mm時，電子注落點(diǎn)范圍是間斷的；而線圈位于980 mm時，電子注在收集極上分布得更加均勻。

當(dāng)線圈位于980 mm、線圈電流為28 A、其他參量不變僅改變線圈軸向?qū)挾葧r，電子注的落點(diǎn)范圍長度隨線圈軸向?qū)挾鹊淖兓€如圖11所示，電子注落點(diǎn)范圍受線圈軸向?qū)挾鹊挠绊戄^小。

圖11 落點(diǎn)范圍隨線圈軸向?qū)挾萙變化

結(jié)合優(yōu)化后的收集極水槽結(jié)構(gòu)和散焦線圈參數(shù)，對收集極進(jìn)行熱分析。當(dāng)散焦線圈左側(cè)位置為980.0 mm、軸向?qū)挾葹?0.0 mm、線圈電流為28 A、且水槽深度為22 mm、水槽角度為2°、水槽個數(shù)為20時，計算得到收集極的溫度分布如圖12所示。

收集極的局部最高溫度為252℃，與未優(yōu)化的結(jié)果相比，局部最高溫度大幅降低了。另外，由于高功率回旋管通常工作在脈沖方式或短暫的連續(xù)方式下，所以這種瞬態(tài)下的局部最高溫度可能遠(yuǎn)低于本文這種穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果。因而，本文所設(shè)計的收集極可以應(yīng)用于大功率毫米波回旋管上。

圖12 增加散焦線圈和水槽結(jié)構(gòu)后的收集極溫度

4 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)理論［15］計算了工作模式為94 GHz的電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在粒子模擬軟件中對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。隨后在CST中對收集極的溫度分布進(jìn)行仿真，收集極上局部最高溫度為332.00℃，該溫度略微偏高。為降低收集極的溫度，將收集極更改為水槽結(jié)構(gòu)，同時在收集極處增加散焦線圈，分析各個參數(shù)對收集極溫度或電子散落范圍的影響。經(jīng)過仿真分析，這兩種優(yōu)化能降低收集極的溫度。結(jié)合這兩種優(yōu)化方式，收集極的局部最高溫度為252℃，較大程度地降低了收集極的工作溫度，改善了回旋管的整體性能、延長了回旋管的整體壽命，本文的研究方法和結(jié)果對高功率回旋管收集極的研究具有借鑒作用和參考價值。