基于电子运动轨迹的回转行波管收集极电子注注技术

基于电子运动轨迹的回转行波管收集极电子注注技术

高功率丝状波源在离子加热、特殊材料处理和微波雷达等应用方面具有广泛的应用。在过去的几十年里,在高功率、高效率、模式控制和工作模型及数值模拟等方面,己经取得了长足的进步。回旋行波管的效率一般为20%~30%,因此回旋电子注在高频互作用段交出部分能量后,仍具有较高的动能,收集极在工作过程中受到高能电子的轰击会产生大量的热量,导致收集极上的温度升高,引起材料表面的吸附气体解吸附甚至材料本身自发蒸发和汽化,严重影响了回旋管的效率和稳定性。收集极是回旋行波管中吸收并释放剩余能量和回收电子的重要组成部分。电子束通过高频结构交换能量,作用完毕的电子注进入收集极,收集极在工作过程中受到高速电子的轰击而产生大量的热量,因此收集极是回旋行波管发热最严重的部分之一。如果温度过高,不但会严重影响整个管子的工作效率和稳定性,而且会缩短回旋管的寿命。因此开展收集极的热设计研究对保障回旋行波管的可靠性与稳定性以及延长管子的寿命有着非常重要的意义。本文针对回旋行波管的收集极进行热分析,结合回旋电子束的特性和电子回旋脉塞理论计算出电子进入收集极的初始位置,利用CST模拟出电子进入收集极的粒子轨迹并换算成热流密度,以作为热分析的热源。利用ANSYS软件分析了回旋管收集极的热特性,并且优化得到了比较理想的收集极形状和尺寸。1电子分布及热流密度加载由电子回旋脉塞理论,当不考虑电子枪发射面附近电子的角向运动时,在互作用入口处,有BcR2c=Bo(R2g−R2l)(1)BcRc2=Bo(Rg2-Rl2)(1)式中:Rc为阴极半径;Rg为引导中心半径;Rl为拉莫半径;Bo为互作用区入口处的磁感应强度;Bc表示阴极发射区的磁感应强度。当外加磁场为绝热磁场时有mv2⊥Bz=constant(2)mv⊥2Bz=constant(2)式中:Bz为沿轴向的磁场分布,它和引导中心半径Rg的关系为Rg=mv⊥/eBz,其中v⊥为电子的横向速度,m为电子的质量。显然,只要设计好电子枪和收集极的关键参数,就可以通过式(1),(2)计算出电子进入收集极的区间位置。收集极的热量是由作用完毕的有一定密度的电子注打到收集极内表面而产生的,因此确定进入收集极的电子注的初始条件的是进行收集极仿真计算的关键。施加载荷时,首先要把进入收集极的电子注的功率密度换算成热流密度。利用CST电磁仿真软件,模拟出电子进入收集极的粒子轨迹(图1)。其中在电子枪的设计中,电压为70kV,电流为10.5A,沿轴向分布的磁场曲线如图2所示,互作用区为简化通道,收集极的半径R0为16mm。在图1的互作用区设置监测面1,确定互作用区的引导中心的半径Rg(图3),而在收集极入口的电子半径近似等于引导中心半径,所以,可由式(1),(2)求出电子收集位置的磁场Bz,再根据图2的磁场分布确定电子沉降在收集极的区间。经计算得到电子沉降区间为190mm左右。在图1中收集极的内表面设置一个监测面2,在监测面中观测电子的分布如图4所示,由图可知,电子分布在收集极的530~700mm,和理论计算的结果大致相同。图5给出了回旋行波管各部分的简化功率分布。设电子枪系统提供的电子注能量为Pin=UoIo,进入高频结构后,电子注同高频场互作用,产生了Prf=Pout+Plose的高频功率,其中,Plose表示输出损耗功率,Pout为净输出功率。作用完毕的电子注携带着Pwaste的功率进入收集极,其能量全都转化为热能Pdis。Pcoll为收集极回收的功率,本文研究的为单级收集极,因此不考虑Pcoll。由电子回旋脉塞机理可知,回旋管的高频场只能和电子注的横向动能进行注波互作用,互作用效率ηe和横向效率η⊥的关系为ηe=α21+α2η⊥=Tη⊥(3)ηe=α21+α2η⊥=Τη⊥(3)式中:α为电子注的横纵速度比;T表示电子的横向动能参数。设回旋行波管的电子注的横纵速度比α=1,则电子的横向能量T=50%,电子注的横向效率η⊥=50%,所以电子效率ηe=25%。则进入收集极的电子注携带能量为Pwaste=Pin−Prf=(1−ηe)Pin≈75%Pin(4)Ρwaste=Ρin-Ρrf=(1-ηe)Ρin≈75%Ρin(4)提取监测面上的电子(图4),由式(4)可知,进入收集极的电子注携带的能量为总能量的75%。经统计和归一化计算得出收集极的功率沉降分布图如图6所示。施加载荷时,首先要把进入收集极的电子注的功率密度换算成热流密度。将单位面积上的功率损耗换算成不同位置的热流密度,作为热载荷加在收集极的内表面,称为非均匀热流密度加载。另一种方法为根据收集极上降落的总的功率和内表面的面积求出平均热流密度,称之为均匀热流密度加载。建立有限元模型分为构建实体模型和划分网格两个部分,整个收集极为单级收集极,主要有收集极、外筒和散热翼片组成。按照收集极真实的尺寸在ANSYS中建立了三维结构模型,为了便于施加载荷以及观察内部温度场分布,可根据结构的高度对称性建立1/2分析模型。该模型的材料都是铜。选择solid87单元,自由划分网格。由于主要是为了保证回旋稳态工作时的可靠性,对中间过程不是很关心,所以进行稳态分析。此外,我们设定的收集极材料的导热系数是定值,在不考虑辐射时,分析过程可以看作是线性的。不同加载方式下的计算结果如图7,8所示,两种加载方式都是在收集极内表面加载热流密度,在外表面加载对流换热系数,收集极的外表面的初始温度统一设为30℃。由图7,8可知,不同的加载方式下,收集极的温度分布完全不同。当采取非均匀热流密度加载时,由于电子主要集中在收集极中部的200mm之间,所以最高温度和最低温度之间温差很大,最高温度主要集中在收集极中间,而两端的温度最低,与图5中所示的电子的功率分布图一致,这也就验证了本文采用的模型和施加载荷的正确性。均匀加载时,由于电子是均匀分布在收集极的内表面,所以最高温度和最低温度温差较小,最高温度在收集极的内表面,最低温度在外表面。2流体温度和对流系数对收集极温度的影响由于回旋行波管功率高,效率相对较低,降落在收集极上的电子能量非常大,所以自然冷却和强风冷却对回旋管收集极都不适用,在热测试中一般利用流动水使收集极冷却。通过模拟证实,在热源一定的情况下,收集极的温度场分布与收集极外表面施加的流体温度以及流体的流速有关。将水的温度分别设为20,25,30,35,…,70℃时,得到的曲线如图9所示。由图可知,流体温度将会影响收集极的温度,收集极的最高温度和最低温度随着冷却水的温度的上升而上升,并且上升的幅度和水温度上升的幅度相同。这里指出最低温度通常出现在外收集极的外表面,而最高温度则是在收集极内表面,即电子沉降密度大的位置。另外,收集极的温度与液体的流速关系密切,如图10所示,液体在收集极外表面流动越快,与收集极的对流换热系数越大。图10显示了对流换热系数和收集极温度的曲线变化,由图可知,当水流很慢,即对流很小时,收集极的内表面温度很高,但是当流速到达一定程度,收集极的温度随对流系数的影响很小,所以在其他条件一定的情况下,对流换热系数有一个优选值,这将保证收集极有合适的工作温度。而且经过分析发现,该优选值随实际情况不同而在变化,本例最佳值为40W/(cm2·K)左右。3热流密度对未加工过程翼片温度的影响为了更好地保证管子稳定可靠地工作,提高收集极的收集效率,可以通过增加收集极的级数和在收集极外筒上直接加散热翅片两种途径进一步降低收集极的温度。由于回旋管诸多因素的限制,很难制作多级收集极,所以目前最有效可行的办法是直接在收集极外筒上加散热翅片,该方法可以通过在径向加圆形翼片和在轴向加矩形翼片两种方案实现。但是沿径向的圆形翼片不利于水在收集极中的流通,所以在工艺生产中,都是在轴向加矩形的散热翼片,翼片的材料选为铜,设外部温度为30℃,而且翼片的宽度和厚度都一样。统一施加非均匀热流密度,翼片的高度为5mm。改变收集极散热翼片的数目,其他的条件保持一致,得到三个散热翼片和九个散热翼片的温度分布如图11所示。由图可知,增加收集极的散热翼片个数,能很有效地降低收集极内表面的温度,散热翼片数目越多,收集极外表面与水接触的面积越大,也就是说对流面越大,温度自然也就散得越快,这也说明了散热翼片的作用。改变收集极散热翼片的高度,其他条件保持一致,得到散热翼片高度分别为2mm和8mm的温度分布如图12所示。由图可知,2mm高的散热翼片和8mm高的散热翼片与5mm高的散热翼片相比,温度分布基本相同,深究其原因可以发现,收集极散热翼片的高度相对于收集极的长度来说可以忽略不计,所以增加散热翼片的高度基本上没有改变对流散热面的大小,但是由于回旋管自身的体积以及收集极外套筒尺寸的限制,散热片的高度通常设计为5mm左右。改变收集极散热翼片的厚度,其他的条件保持一致,得到不同厚度的散热翼片的温度分布如图13所示。由图13比较分析知,散热翼片的宽度越宽,与水的接触面积也就越大,散热也就越快,所以散热翼片越宽,越有利于收集极的散热。综合三项比较可知,收集极的散热翼片个数对收集极的内表面的温度影响比较大,其中散热翼片的个数越多,收集极内表面的温度越低;而散热翼片的宽度对收集极的散热效果也有影响,散热翼片越宽,散热效果越好,而且还需考虑散热翼片厚度和间距在加工中的难易度,所以需综合考虑散热翼片的个数和宽度及其间距,以及在工艺生产中的制作。经过综合比较,得到最理想的结构为收集极的散热翼片个数为22个左右,其温度分布如图14所示。4确定热分析边界条件本文应用ANSYS软件,对影响收集极温度的参量和收集极温度的关系作了分析,收集极在不同的热流密度加载方式下的温度分布计算结果有一些差别,