高功率回旋管收集极的设计及其热分析

熊 能，徐望炬，郭思豆，陈 科，刘頔威，张开春

（电子科技大学电子科学与工程学院，成都 610054）

0 引言

回旋管是一种重要的电真空辐射源，其频率可以覆盖毫米波甚至微米波段，在卫星通信、空间探测、电磁对抗、定向武器等领域有着广阔的应用空间，在国际上备受重视［1-3］。随着回旋管研究技术及其应用的发展，回旋管研究朝着高功率（数百kW或MW量级）和高频率（THz波段）方向发展，比如应用于ITER中进行等离子体加热［4］的回旋管。当工作频率在mm波段或THz波段且工作模式为基模时，回旋管将面临高频结构尺寸小、功率容量有限的问题，难以实现高功率输出［5-7］。若采用高阶模工作，则能够很好地解决上述问题。本文中的回旋管电子枪结构是针对高阶模下的回旋管，其工作频率94 GHz，输出功率在100 kW以上。

回旋管由磁控注入电子枪、谐振腔、输出窗和收集极等组成。磁控注入电子枪产生的高能回旋电子注，与谐振腔的电磁波相互作用，将部分能量交给电磁波，完成互作用后的高能电子注被收集极吸收［8-9］。通常回旋管的效率约为20%～50%，因此被收集极吸收的电子注能量依旧很高，这种高能电子注轰击收集极后除了产生二次电子和X光，还会造成被轰击处的局部温度急剧升高［10］。如果收集极的结构或散热方式设计不合理，将造成收集极的局部温度过高，导致收集极局部溶解和回旋管的真空度降低，这将严重影响回旋管的稳定工作。本文将根据给定的回旋管电子枪结构参数和束流参数，设计收集极的结构和分析电子束的轨迹。并采用多物理场仿真软件对回旋管电子枪和收集极进行建模，根据电子束轨迹、能量以及散热方式对收集极上的温度分布进行仿真模拟。

1 电子枪

在回旋管中，阴极发射的电子注在电、磁场的共同作用下沿着轴向做回旋运动［11-12］。当工作模式和工作频率确定后，可根据电子回旋脉塞理论计算出互作用区磁场Bz、高频结构的半径、电子注引导中心半径和拉莫尔半径［13-14］。通过这些参数，可以计算出阴极中心半径、阴极电流、阴极倾角、阳极电压和阴阳极间距［15］。

本磁控注入电子枪采用的是单阳极结构，可根据相关理论［15］确定出电子枪的初始参数。随后采用粒子模拟软件对其建模和仿真，并根据电子束的轨迹和注波互作用的要求对电子枪结构参数进行优化，最终得到电子枪的各项参数见表1。

表1 电子枪结构参数

2 收集极稳态热分析

2.1 收集极的结构设计

本文主要使用单级收集极来回收互作用后的电子注，收集极结构如图1所示。

图1 回旋管收集极结构

收集极由两部分构成，收集极渐变区域和收集电子区域。收集极渐变区域的内径随着轴向逐渐变大，而收集电子区域的内径保持不变。渐变区轴向长度L1＝210.00 mm，渐变区左侧内径为8.00 mm，收集极轴向长度L2＝690.00 mm，内径为32.00 mm，外径为35.00 mm。之所以设置收集极渐变区域，是因为随着内径的增大，其内表面积增大，可有效降低收集极的温度。

2.2 电子注轨迹

在5 A的工作电流、55 kV的电压条件下，经粒子模拟仿真软件计算出电子注的运动轨迹，如图2所示。由图可见，电子注在收集极上降落点的范围为882.41～963.34 mm，与之对应的工作磁场的轴向分布如图3所示。

图2 电子注运动轨迹

图3 磁场分布

2.3 收集极的热分析

收集极的散热方式对收集极上的温度分布情况影响非常大，在对收集极进行热分析之前需要对收集极的边界条件进行设定。回旋管内部为真空状态，设置收集极内部表面散热方式为热辐射，收集极的外部表面采用水冷方式散热，即强制散热。经计算，水的对流换热系数为3.20×104 W／（m2·℃）、内部表面向真空热辐射的辐射因子为0.28。采用CST粒子工作室与多物理场协同仿真计算收集极上的温度分布，仿真结果如图4所示。由图可见，收集极上的局部最高温度为332℃，该温度偏高，会影响回旋管的使用寿命。

图4 收集极温度分布

3 收集极热分析优化

3.1 收集极的结构优化

为解决收集极局部温度过高的问题，将收集极外侧设计为水槽结构，可以增大收集极的外表面积，即增大热交换的有效面积，可降低收集极表面的热量。收集极水槽结构如图5所示。

图5 收集极水槽结构图

当回旋管工作参数保持不变时，影响收集极温度分布的主要因素有：水槽深度、水槽角度和水槽个数。

图6 最高温度随水槽深度L变化

当水槽个数为20、水槽角度为2°，只改变水槽深度时，经计算得到最高温度随水槽深度的变化曲线如图6所示。水槽深度从18.00 mm逐渐增加到22.00 mm，收集极的最高温逐渐降低，收集极的最高温度为269℃，比优化前降低了63℃。

当水槽深度为22.00 mm、水槽个数为20，只改变水槽的角度时，经计算得到最高温度随着水槽角度的变化曲线，如图7所示。

由图中可见，随着水槽角度的增大，收集极最高温度也在逐渐增大。可得，水槽角度越小越有利于将收集极上的热量传递给水，且当角度为2°时，最高温度约为269℃。

图7 最高温度随水槽角度变化

当水槽深度为25.00 mm、水槽角度为2°，只改变水槽个数时，经计算得到最高温度随水槽个数的变化曲线如图8所示。

图8 最高温度随水槽个数变化

当水槽个数在16～24范围内变化，且为20时，收集极温度最低。

3.2 增加散焦线圈

为降低收集极的温度，可在收集极处采用添加散焦线圈［16］的方法来拓宽收集极区电子注的落点范围来降低收集极温度，即，在收集极外围添加轴向散焦线圈，用来改变轴向的磁场强弱，改变电子注的运动轨迹，改变电子注打在收集极上的作用范围。若能显著增加落点范围，那么收集极上的局部温度也会适当降低。由于电子注的落点范围会随散焦线圈的电流、散焦线圈的位置和线圈轴向宽度的变化而变化。

当散焦线圈左侧位置为980.0 mm、轴向宽度为20.0 mm、线圈内外半径分别为60.0、80.0 mm、线圈匝数为100、线圈电流变化范围18～28 A时，电子注落点范围随电流的变化曲线如图9所示。

电子注的落点范围随电流变化呈现上下波动状，当电流值为28 A时，电子注的落点范围最宽约142 mm。

当散焦线圈电流值为28 A，其他参量不变，仅改变线圈位置时，电子注落点范围长度随线圈位置变化曲线如图10所示。

图9 落点范围随电流I变化图

图10 落点范围随线圈位置Z变化图

线圈位置对电子注的落点范围长度影响很大。当线圈的位置位于1 020 mm时，电子注的落点范围宽于线圈位于980 mm时。从电子注的运动轨迹可以发现：当线圈位于1 020 mm时，电子注落点范围是间断的；而线圈位于980 mm时，电子注在收集极上分布得更加均匀。

当线圈位于980 mm、线圈电流为28 A、其他参量不变仅改变线圈轴向宽度时，电子注的落点范围长度随线圈轴向宽度的变化曲线如图11所示，电子注落点范围受线圈轴向宽度的影响较小。

图11 落点范围随线圈轴向宽度Z变化

结合优化后的收集极水槽结构和散焦线圈参数，对收集极进行热分析。当散焦线圈左侧位置为980.0 mm、轴向宽度为20.0 mm、线圈电流为28 A、且水槽深度为22 mm、水槽角度为2°、水槽个数为20时，计算得到收集极的温度分布如图12所示。

收集极的局部最高温度为252℃，与未优化的结果相比，局部最高温度大幅降低了。另外，由于高功率回旋管通常工作在脉冲方式或短暂的连续方式下，所以这种瞬态下的局部最高温度可能远低于本文这种稳态热分析的结果。因而，本文所设计的收集极可以应用于大功率毫米波回旋管上。

图12 增加散焦线圈和水槽结构后的收集极温度

4 结语

根据相关理论［15］计算了工作模式为94 GHz的电子枪结构参数，并在粒子模拟软件中对其进行结构优化。随后在CST中对收集极的温度分布进行仿真，收集极上局部最高温度为332.00℃，该温度略微偏高。为降低收集极的温度，将收集极更改为水槽结构，同时在收集极处增加散焦线圈，分析各个参数对收集极温度或电子散落范围的影响。经过仿真分析，这两种优化能降低收集极的温度。结合这两种优化方式，收集极的局部最高温度为252℃，较大程度地降低了收集极的工作温度，改善了回旋管的整体性能、延长了回旋管的整体寿命，本文的研究方法和结果对高功率回旋管收集极的研究具有借鉴作用和参考价值。