500 kW 四極電子管柵極組件熱分析與結構優化?

趙亞琦 張 瑞? 王 勇 楊修東

(1.中國科學院空天信息創新研究院，高功率微波源與技術重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 100049)

射頻四級場加速器是一種新型強流低能離子直線加速結構，它是20 世紀80 年代后在國際上迅速發展起來的一種新型直線加速器[1]。RFQ 加速器能夠產生高強度的中子流，直接加速低能粒子，既可以在重離子加速上使用，又可以在強流輕離子的加速上使用，具有束流強、傳輸效率高等優點，得益于RFQ 的優點，加速器的技術受到越來越多的關注[2]。在國際上，RFQ 加速器被應用于基本粒子物理、強中子源、加速器驅動系統、醫學治療、材料研究、離子束應用等領域；在國內，RFQ 加速器則被應用于國內的散裂中子源項目等大科學裝置[3]。中國散裂中子源采用質子直線加速器與快循環同步加速器方案。強流質子直線加速器由頻率324 MHz，脈沖功率2.5 MW、脈沖寬度600 μs 的長脈沖速調管驅動[4]，中國散裂中子源的結構如圖1 所示。

圖1 中國散裂中子源結構示意圖

加速器射頻功率源共有三種選擇:速調管、固態射頻放大器和四極電子管(以下簡稱:四極管)。目前，散裂中子源加速器主要以P 波段大功率速調管作為射頻功率源，盡管速調管符合散裂中子源各種類型加速器的性能要求，也能夠長期可靠運行，但是工作電壓比較高，如峰值功率5 MW 的P 波段速調管TH2168，電子注電壓為140 kV，體積和重量相對都比較大、高頻系統的制造成本也偏高[5－6]。而固態射頻放大器的輸出功率有限，無法完全替代速調管，因此中國散裂中子源加速器急需要體積小、重量輕、工作電壓低的、能夠替代速調管的微波器件。相對于速調管和固態射頻放大器，四極管具有成本低、結構緊湊、電穩定性好、高效率等優點，在系統性能和質量可靠性上能完全替代速調管，這也是國內首次將四極管用于散裂中子源結構中，在很大程度上有助于解決當前我國加速器射頻功率源單一選擇的難題，是具有重大發展潛力和應用前景優越的功率源[7]。

1 四極管熱分析研究

1.1 三維結構模型的建立

從內至外，四極管結構由陰極、控制柵極、抑制柵極和陽極組成，各組件分布在不同的同心圓軌道上。其中陰極采用直列籠型結構，在彈簧的牽引下，懸掛在控制柵極的中心區域；控制柵極固定在底座上，是由銅基座和平行排列的柵絲網組成，可以控制陰極電流的大?。灰种茤艠O在控制柵極的外圍，由兩個側面翼片、銅基座和平行排列的柵絲網組成，能夠抑制二次電子的轉移，可以起到改善電流分配的效果。柵極作為四極管的核心部件，采用雙柵的結構設計，起到改善陰極性能、減小柵極功率耗散和提高四極管輸出性能的作用。與傳統的速調管對比，采用柵絲網對陰極電流進行調制，就擁有較小的截止電壓，可以減少響應時間[8]。相比于其他電極組件，柵極組件的柵絲網就比較脆弱，單個柵絲的直徑為0.8 mm，總長為2 mm，因此需要得到足夠的重視，以確保柵極的性能可以正常發揮。

鑒于四極管內部結構基于對稱型的設計理念，并考慮到四極管內部組件較為精密，所以將四極管內部復雜的結構進行簡化處理，將整體組件均勻劃分為40 個單元，僅選取一個單元作為簡化模型進行仿真實驗，為防止劃分網格出現計算精度下降的問題，選取10 節點四面體的SOLID87 單元作為仿真單元[9]，四極管簡化后的三維立體模型如圖2 所示。

圖2 四極管的三維立體模型

1.2 熱載荷和參數的設置

傳熱方式主要包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。鑒于四極管內部屬于真空環境，熱對流的傳熱方式可以忽略不計，只需要考慮兩種傳熱方式，即熱輻射和熱傳導。選擇有限元軟件ANSYS 的穩態熱分析(Steady-State Thermal)模塊進行仿真實驗。在結構模型中，陰極為熱源，表面覆蓋的材料為鎳。控制網和抑制網均由兩種金屬材料組成，其中柵絲材料為鎢，其余部分為銅，材料屬性的具體參數見表1。根據表中的材料數據，對結構的材料特性參數進行了設置。假設外部環境溫度為20 ℃，以熱流heat flow 的形式在陰極上施加6 W 的能量[10]。

表1 主要材料特性參數

1.3 熱載荷和參數的設置

在完成參數設置等操作后，進行熱分析仿真實驗，得到結構的溫度分布如圖3 所示。從圖中可以得出，陰極溫度是各組件中最高的，最高處的溫度為706.9 ℃，溫度從陰極中心向四周逐漸下降，最外層的抑制柵極的溫度最低，最低為286.51 ℃。溫度的分布與電子軌跡模型圖相吻合:電子從作為熱源的陰極發射出去，穿過雙柵結構，最后被陽極收集，電子的運動軌跡代表了熱量傳播的途徑[11]。

圖3 四極管關鍵電極的溫度分布

2 抑制柵極結構設計與優化分析

2.1 抑制柵極優化分析

參考各微波器件的散熱形式與散熱效果[12－14]，在不改動陰極發射效果的情況下，選擇從柵極出發，通過分析抑制柵極的特性和結構分析，發現可以從優化結構參數，改善散熱結構，提高抑制柵極的散熱能力[15]。抑制柵極由兩側的翼片與無氧銅基座連接，柵極熱量經過翼片以熱傳導的形式傳至基座上，而基座的熱量則由基座內的冷卻通道，通過水循環將熱量帶到外界。在現有加工工藝的基礎上，通過改變抑制柵極散熱翼片的開合角度來改善柵極的散熱效果，以及改變散熱翼片與柵極的接觸面積大小，即散熱翼片的高度和厚度，來改善柵極的散熱效果。

2.2 抑制柵極優化分析

在保持四極管各組件其他條件不變的前提下，通過改變散熱翼片的開合角度，實現散熱效果的優化。分別從不開合(即開合角度為0°)開始進行，每次按照增加1°的尺度來增加，到最大開合限度的4.5°，仿真結果如圖4 和圖5 所示。通過圖中可知，在翼片初始狀態時，抑制柵極的最高溫度289.29 ℃；在開合角度從零逐漸變大時，抑制柵極的最高溫度也逐漸下降。

圖4 兩個不同開合角度的抑制柵散熱翼片溫度分布

圖5 抑制柵極散熱翼片不同開合角度的溫度分布

除了改變翼片的開合角度，還可以改變散熱翼片與銅基座接觸面積的大小。在不改變其他結構尺度的前提下，通過改變翼片的高度和寬度來改善散熱效果。柵極高度從初始的34 mm 開始進行實驗，翼片向上延長，將高度增加3.53 mm，至長度極限值37.53 mm，即與柵極的簾板上端面平齊，其仿真實驗結果如圖6 所示。從圖中可知，從初始狀態時的柵極高度增加到最大限度時，柵極的最高溫度也逐漸降低，抑制柵極的最高溫度從289.29 ℃降低到284.69 ℃。

圖6 抑制柵極散熱翼片不同長度的溫度分布

柵極的寬度從初始的0 mm 增加到0.2 mm 時，其仿真實驗結果如圖7 所示。從圖中可知，從初始狀態開始，伴隨著柵極長度增加，其最高溫度稍有增加。鑒于在沒有外部循環水冷卻的條件下，隨著翼片的寬度增加，致使熱量聚集而不利于散熱，但在外部水循環的散熱作用下，隨著翼片寬帶越寬，翼片與柵極基座的接觸面積越大，帶走的熱量也就越多，散熱效果越明顯。

圖7 抑制柵極散熱翼片不同厚度的溫度分布

為了進一步驗證，將以上的優化措施進行整合。在不改變其他組件的前提下，翼片角度增加4.5°的同時，又增加翼片高度，進行穩態熱分析計算，仿真結果如圖8 所示。由圖可知，隨著抑制柵極的散熱翼片開合角度增大、柵極的高度增加，會明顯提高抑制柵極的散熱能力，從而達到預期的優化效果。

圖8 優化設計后抑制柵極的溫度分布

通過熱－結構耦合仿真實驗，來驗證抑制柵極的結構優化措施的可行性。將穩態熱分析模塊與力學結構分析模塊結合，設置力學約束條件:通過彈性力來約束陰極，由彈簧約束(Weak Springs)固定陰極的上下兩個端面；由于控制柵極與托盤底座相連接，只需要選擇固定約束(Fixed-Support)來約束控制柵極；抑制柵極通過翼片與無氧銅基座相連，需要通過固定約束來約束翼片的兩個側面，以及柵極簾板的下端部分區域。經過上述條件的約束，可以得到熱形變分布如圖9 所示?？芍?，抑制柵極最大形變量為在0.108 mm，發生在x方向上和y方向上的熱形變量是在結構尺度變化的允許范圍內[16]。

圖9 四極管熱形變分布

3 結論

本文通過有限元軟件ANSYS，對500 kW 四極管進行了熱分析仿真實驗。根據抑制柵極的特性分析，對柵極組件進行了結構優化。通過散熱翼片的優化設計，包括增大翼片的開合角度以及增加翼片與無氧銅基座的接觸面積，改善了散熱效果。結果表明，抑制柵極的最高溫度從289.29 ℃下降到了268.21 ℃。而且，熱－結構耦合分析，驗證了柵極結構設計方案的可行性。通過對抑制柵極的設計優化以及熱分析，可以為四極管的結構優化和熱設計提供理論和技術支撐。