高功率回旋管收集極的設計及其熱分析

熊 能，徐望炬，郭思豆，陳 科，劉頔威，張開春

（電子科技大學電子科學與工程學院，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，在衛星通信、空間探測、電磁對抗、定向武器等領域有著廣闊的應用空間，在國際上備受重視［1-3］。隨著回旋管研究技術及其應用的發展，回旋管研究朝著高功率（數百kW或MW量級）和高頻率（THz波段）方向發展，比如應用于ITER中進行等離子體加熱［4］的回旋管。當工作頻率在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構尺寸小、功率容量有限的問題，難以實現高功率輸出［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構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］。如果收集極的結構或散熱方式設計不合理，將造成收集極的局部溫度過高，導致收集極局部溶解和回旋管的真空度降低，這將嚴重影響回旋管的穩定工作。本文將根據給定的回旋管電子槍結構參數和束流參數，設計收集極的結構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行建模，根據電子束軌跡、能量以及散熱方式對收集極上的溫度分布進行仿真模擬。

1 電子槍

在回旋管中，陰極發射的電子注在電、磁場的共同作用下沿著軸向做回旋運動［11-12］。當工作模式和工作頻率確定后，可根據電子回旋脈塞理論計算出互作用區磁場Bz、高頻結構的半徑、電子注引導中心半徑和拉莫爾半徑［13-14］。通過這些參數，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構，可根據相關理論［15］確定出電子槍的初始參數。隨后采用粒子模擬軟件對其建模和仿真，并根據電子束的軌跡和注波互作用的要求對電子槍結構參數進行優化，最終得到電子槍的各項參數見表1。

表1 電子槍結構參數

2 收集極穩態熱分析

2.1 收集極的結構設計

本文主要使用單級收集極來回收互作用后的電子注，收集極結構如圖1所示。

圖1 回旋管收集極結構

收集極由兩部分構成，收集極漸變區域和收集電子區域。收集極漸變區域的內徑隨著軸向逐漸變大，而收集電子區域的內徑保持不變。漸變區軸向長度L1＝210.00 mm，漸變區左側內徑為8.00 mm，收集極軸向長度L2＝690.00 mm，內徑為32.00 mm，外徑為35.00 mm。之所以設置收集極漸變區域，是因為隨著內徑的增大，其內表面積增大，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，經粒子模擬仿真軟件計算出電子注的運動軌跡，如圖2所示。由圖可見，電子注在收集極上降落點的范圍為882.41～963.34 mm，與之對應的工作磁場的軸向分布如圖3所示。

圖2 電子注運動軌跡

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，在對收集極進行熱分析之前需要對收集極的邊界條件進行設定。回旋管內部為真空狀態，設置收集極內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，即強制散熱。經計算，水的對流換熱系數為3.20×104 W／（m2·℃）、內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同仿真計算收集極上的溫度分布，仿真結果如圖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 收集極熱分析優化

3.1 收集極的結構優化

為解決收集極局部溫度過高的問題，將收集極外側設計為水槽結構，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。收集極水槽結構如圖5所示。

圖5 收集極水槽結構圖

當回旋管工作參數保持不變時，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。

圖6 最高溫度隨水槽深度L變化

當水槽個數為20、水槽角度為2°，只改變水槽深度時，經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℃，比優化前降低了63℃。

當水槽深度為22.00 mm、水槽個數為20，只改變水槽的角度時，經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

當水槽深度為25.00 mm、水槽角度為2°，只改變水槽個數時，經計算得到最高溫度隨水槽個數的變化曲線如圖8所示。

圖8 最高溫度隨水槽個數變化

當水槽個數在16～24范圍內變化，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電子注的落點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弱，改變電子注的運動軌跡，改變電子注打在收集極上的作用范圍。若能顯著增加落點范圍，那么收集極上的局部溫度也會適當降低。由于電子注的落點范圍會隨散焦線圈的電流、散焦線圈的位置和線圈軸向寬度的變化而變化。

當散焦線圈左側位置為980.0 mm、軸向寬度為20.0 mm、線圈內外半徑分別為60.0、80.0 mm、線圈匝數為100、線圈電流變化范圍18～28 A時，電子注落點范圍隨電流的變化曲線如圖9所示。

電子注的落點范圍隨電流變化呈現上下波動狀，當電流值為28 A時，電子注的落點范圍最寬約142 mm。

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

圖9 落點范圍隨電流I變化圖

圖10 落點范圍隨線圈位置Z變化圖

線圈位置對電子注的落點范圍長度影響很大。當線圈的位置位于1 020 mm時，電子注的落點范圍寬于線圈位于980 mm時。從電子注的運動軌跡可以發現：當線圈位于1 020 mm時，電子注落點范圍是間斷的；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寬度時，電子注的落點范圍長度隨線圈軸向寬度的變化曲線如圖11所示，電子注落點范圍受線圈軸向寬度的影響較小。

圖11 落點范圍隨線圈軸向寬度Z變化

結合優化后的收集極水槽結構和散焦線圈參數，對收集極進行熱分析。當散焦線圈左側位置為980.0 mm、軸向寬度為20.0 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℃，與未優化的結果相比，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方式下，所以這種瞬態下的局部最高溫度可能遠低于本文這種穩態熱分析的結果。因而，本文所設計的收集極可以應用于大功率毫米波回旋管上。

圖12 增加散焦線圈和水槽結構后的收集極溫度

4 結語

根據相關理論［15］計算了工作模式為94 GHz的電子槍結構參數，并在粒子模擬軟件中對其進行結構優化。隨后在CST中對收集極的溫度分布進行仿真，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構，同時在收集極處增加散焦線圈，分析各個參數對收集極溫度或電子散落范圍的影響。經過仿真分析，這兩種優化能降低收集極的溫度。結合這兩種優化方式，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。