基于電子運動軌跡的回轉行波管收集極電子注注技術

基于電子運動軌跡的回轉行波管收集極電子注注技術

高功率絲狀波源在離子加熱、特殊材料處理和微波雷達等應用方面具有廣泛的應用。在過去的幾十年里,在高功率、高效率、模式控制和工作模型及數值模擬等方面,己經取得了長足的進步。回旋行波管的效率一般為20%~30%,因此回旋電子注在高頻互作用段交出部分能量后,仍具有較高的動能,收集極在工作過程中受到高能電子的轟擊會產生大量的熱量,導致收集極上的溫度升高,引起材料表面的吸附氣體解吸附甚至材料本身自發(fā)蒸發(fā)和汽化,嚴重影響了回旋管的效率和穩(wěn)定性。收集極是回旋行波管中吸收并釋放剩余能量和回收電子的重要組成部分。電子束通過高頻結構交換能量,作用完畢的電子注進入收集極,收集極在工作過程中受到高速電子的轟擊而產生大量的熱量,因此收集極是回旋行波管發(fā)熱最嚴重的部分之一。如果溫度過高,不但會嚴重影響整個管子的工作效率和穩(wěn)定性,而且會縮短回旋管的壽命。因此開展收集極的熱設計研究對保障回旋行波管的可靠性與穩(wěn)定性以及延長管子的壽命有著非常重要的意義。本文針對回旋行波管的收集極進行熱分析,結合回旋電子束的特性和電子回旋脈塞理論計算出電子進入收集極的初始位置,利用CST模擬出電子進入收集極的粒子軌跡并換算成熱流密度,以作為熱分析的熱源。利用ANSYS軟件分析了回旋管收集極的熱特性,并且優(yōu)化得到了比較理想的收集極形狀和尺寸。1電子分布及熱流密度加載由電子回旋脈塞理論,當不考慮電子槍發(fā)射面附近電子的角向運動時,在互作用入口處,有BcR2c=Bo(R2g?R2l)(1)BcRc2=Bo(Rg2-Rl2)(1)式中:Rc為陰極半徑;Rg為引導中心半徑;Rl為拉莫半徑;Bo為互作用區(qū)入口處的磁感應強度;Bc表示陰極發(fā)射區(qū)的磁感應強度。當外加磁場為絕熱磁場時有mv2⊥Bz=constant(2)mv⊥2Bz=constant(2)式中:Bz為沿軸向的磁場分布,它和引導中心半徑Rg的關系為Rg=mv⊥/eBz,其中v⊥為電子的橫向速度,m為電子的質量。顯然,只要設計好電子槍和收集極的關鍵參數,就可以通過式(1),(2)計算出電子進入收集極的區(qū)間位置。收集極的熱量是由作用完畢的有一定密度的電子注打到收集極內表面而產生的,因此確定進入收集極的電子注的初始條件的是進行收集極仿真計算的關鍵。施加載荷時,首先要把進入收集極的電子注的功率密度換算成熱流密度。利用CST電磁仿真軟件,模擬出電子進入收集極的粒子軌跡(圖1)。其中在電子槍的設計中,電壓為70kV,電流為10.5A,沿軸向分布的磁場曲線如圖2所示,互作用區(qū)為簡化通道,收集極的半徑R0為16mm。在圖1的互作用區(qū)設置監(jiān)測面1,確定互作用區(qū)的引導中心的半徑Rg(圖3),而在收集極入口的電子半徑近似等于引導中心半徑,所以,可由式(1),(2)求出電子收集位置的磁場Bz,再根據圖2的磁場分布確定電子沉降在收集極的區(qū)間。經計算得到電子沉降區(qū)間為190mm左右。在圖1中收集極的內表面設置一個監(jiān)測面2,在監(jiān)測面中觀測電子的分布如圖4所示,由圖可知,電子分布在收集極的530~700mm,和理論計算的結果大致相同。圖5給出了回旋行波管各部分的簡化功率分布。設電子槍系統(tǒng)提供的電子注能量為Pin=UoIo,進入高頻結構后,電子注同高頻場互作用,產生了Prf=Pout+Plose的高頻功率,其中,Plose表示輸出損耗功率,Pout為凈輸出功率。作用完畢的電子注攜帶著Pwaste的功率進入收集極,其能量全都轉化為熱能Pdis。Pcoll為收集極回收的功率,本文研究的為單級收集極,因此不考慮Pcoll。由電子回旋脈塞機理可知,回旋管的高頻場只能和電子注的橫向動能進行注波互作用,互作用效率ηe和橫向效率η⊥的關系為ηe=α21+α2η⊥=Tη⊥(3)ηe=α21+α2η⊥=Τη⊥(3)式中:α為電子注的橫縱速度比;T表示電子的橫向動能參數。設回旋行波管的電子注的橫縱速度比α=1,則電子的橫向能量T=50%,電子注的橫向效率η⊥=50%,所以電子效率ηe=25%。則進入收集極的電子注攜帶能量為Pwaste=Pin?Prf=(1?ηe)Pin≈75%Pin(4)Ρwaste=Ρin-Ρrf=(1-ηe)Ρin≈75%Ρin(4)提取監(jiān)測面上的電子(圖4),由式(4)可知,進入收集極的電子注攜帶的能量為總能量的75%。經統(tǒng)計和歸一化計算得出收集極的功率沉降分布圖如圖6所示。施加載荷時,首先要把進入收集極的電子注的功率密度換算成熱流密度。將單位面積上的功率損耗換算成不同位置的熱流密度,作為熱載荷加在收集極的內表面,稱為非均勻熱流密度加載。另一種方法為根據收集極上降落的總的功率和內表面的面積求出平均熱流密度,稱之為均勻熱流密度加載。建立有限元模型分為構建實體模型和劃分網格兩個部分,整個收集極為單級收集極,主要有收集極、外筒和散熱翼片組成。按照收集極真實的尺寸在ANSYS中建立了三維結構模型,為了便于施加載荷以及觀察內部溫度場分布,可根據結構的高度對稱性建立1/2分析模型。該模型的材料都是銅。選擇solid87單元,自由劃分網格。由于主要是為了保證回旋穩(wěn)態(tài)工作時的可靠性,對中間過程不是很關心,所以進行穩(wěn)態(tài)分析。此外,我們設定的收集極材料的導熱系數是定值,在不考慮輻射時,分析過程可以看作是線性的。不同加載方式下的計算結果如圖7,8所示,兩種加載方式都是在收集極內表面加載熱流密度,在外表面加載對流換熱系數,收集極的外表面的初始溫度統(tǒng)一設為30℃。由圖7,8可知,不同的加載方式下,收集極的溫度分布完全不同。當采取非均勻熱流密度加載時,由于電子主要集中在收集極中部的200mm之間,所以最高溫度和最低溫度之間溫差很大,最高溫度主要集中在收集極中間,而兩端的溫度最低,與圖5中所示的電子的功率分布圖一致,這也就驗證了本文采用的模型和施加載荷的正確性。均勻加載時,由于電子是均勻分布在收集極的內表面,所以最高溫度和最低溫度溫差較小,最高溫度在收集極的內表面,最低溫度在外表面。2流體溫度和對流系數對收集極溫度的影響由于回旋行波管功率高,效率相對較低,降落在收集極上的電子能量非常大,所以自然冷卻和強風冷卻對回旋管收集極都不適用,在熱測試中一般利用流動水使收集極冷卻。通過模擬證實,在熱源一定的情況下,收集極的溫度場分布與收集極外表面施加的流體溫度以及流體的流速有關。將水的溫度分別設為20,25,30,35,…,70℃時,得到的曲線如圖9所示。由圖可知,流體溫度將會影響收集極的溫度,收集極的最高溫度和最低溫度隨著冷卻水的溫度的上升而上升,并且上升的幅度和水溫度上升的幅度相同。這里指出最低溫度通常出現在外收集極的外表面,而最高溫度則是在收集極內表面,即電子沉降密度大的位置。另外,收集極的溫度與液體的流速關系密切,如圖10所示,液體在收集極外表面流動越快,與收集極的對流換熱系數越大。圖10顯示了對流換熱系數和收集極溫度的曲線變化,由圖可知,當水流很慢,即對流很小時,收集極的內表面溫度很高,但是當流速到達一定程度,收集極的溫度隨對流系數的影響很小,所以在其他條件一定的情況下,對流換熱系數有一個優(yōu)選值,這將保證收集極有合適的工作溫度。而且經過分析發(fā)現,該優(yōu)選值隨實際情況不同而在變化,本例最佳值為40W/(cm2·K)左右。3熱流密度對未加工過程翼片溫度的影響為了更好地保證管子穩(wěn)定可靠地工作,提高收集極的收集效率,可以通過增加收集極的級數和在收集極外筒上直接加散熱翅片兩種途徑進一步降低收集極的溫度。由于回旋管諸多因素的限制,很難制作多級收集極,所以目前最有效可行的辦法是直接在收集極外筒上加散熱翅片,該方法可以通過在徑向加圓形翼片和在軸向加矩形翼片兩種方案實現。但是沿徑向的圓形翼片不利于水在收集極中的流通,所以在工藝生產中,都是在軸向加矩形的散熱翼片,翼片的材料選為銅,設外部溫度為30℃,而且翼片的寬度和厚度都一樣。統(tǒng)一施加非均勻熱流密度,翼片的高度為5mm。改變收集極散熱翼片的數目,其他的條件保持一致,得到三個散熱翼片和九個散熱翼片的溫度分布如圖11所示。由圖可知,增加收集極的散熱翼片個數,能很有效地降低收集極內表面的溫度,散熱翼片數目越多,收集極外表面與水接觸的面積越大,也就是說對流面越大,溫度自然也就散得越快,這也說明了散熱翼片的作用。改變收集極散熱翼片的高度,其他條件保持一致,得到散熱翼片高度分別為2mm和8mm的溫度分布如圖12所示。由圖可知,2mm高的散熱翼片和8mm高的散熱翼片與5mm高的散熱翼片相比,溫度分布基本相同,深究其原因可以發(fā)現,收集極散熱翼片的高度相對于收集極的長度來說可以忽略不計,所以增加散熱翼片的高度基本上沒有改變對流散熱面的大小,但是由于回旋管自身的體積以及收集極外套筒尺寸的限制,散熱片的高度通常設計為5mm左右。改變收集極散熱翼片的厚度,其他的條件保持一致,得到不同厚度的散熱翼片的溫度分布如圖13所示。由圖13比較分析知,散熱翼片的寬度越寬,與水的接觸面積也就越大,散熱也就越快,所以散熱翼片越寬,越有利于收集極的散熱。綜合三項比較可知,收集極的散熱翼片個數對收集極的內表面的溫度影響比較大,其中散熱翼片的個數越多,收集極內表面的溫度越低;而散熱翼片的寬度對收集極的散熱效果也有影響,散熱翼片越寬,散熱效果越好,而且還需考慮散熱翼片厚度和間距在加工中的難易度,所以需綜合考慮散熱翼片的個數和寬度及其間距,以及在工藝生產中的制作。經過綜合比較,得到最理想的結構為收集極的散熱翼片個數為22個左右,其溫度分布如圖14所示。4確定熱分析邊界條件本文應用ANSYS軟件,對影響收集極溫度的參量和收集極溫度的關系作了分析,收集極在不同的熱流密度加載方式下的溫度分布計算結果有一些差別,