電子槍在工作過程中產生的高溫易導致各個組件變形，影響電子槍的各項性能指標和工作壽命，熱分析在提高電子槍設計的可靠性和加快研制周期方面起著重要的作用。該文使用ANSYS軟件對行波管電子槍進行了熱分析和結構分析，比較了電子槍復雜模型和簡化模型的溫度和熱形變計算結果。熱分析結果對電子槍的優化設計有參考價值。
關 鍵 詞 電子槍; ANSYS軟件; 行波管; 熱分析

電子槍在各種電子器件中有著廣泛的應用，如顯像管、示波器、行波管等，其任務是產生一束具有一定能量的高速細束電子流。不同的電子儀器中對電子注的直徑、形狀、電流密度等有不同的要求，而電子槍中各個電極的形狀和電壓對電子注的粗細、形狀都有影響[1]。
行波管是微波器件中高功率、寬頻帶放大器的主要管型，大量用作衛星通信、電子對抗和雷達系統的放大級或發射功率源。隨著新材料、新工藝和新技術的不斷出現，行波管的性能和技術指標有了很大提高，但隨之也帶來了高的熱負載。高溫對行波管的可靠性與穩定性影響很大，定性和定量地研究溫度對行波管各部分參數的影響，為解決行波管的穩定性和可靠性提供了有效途徑。對于行波管的關鍵部件電子槍，尤其是陰極組件，其熱形變將直接影響電子束的質量，這個問題一直受到人們的關注。由于電子槍的結構比較復雜，其溫度分布和熱形變的解析解很難得到，因此早期熱形變對電子槍性能影響的分析工作開展較少。
隨著計算機技術的快速發展，一些大型模擬軟件應運而生，給各種熱分析工作帶來了很大的方便，為電子槍的熱設計提供了有效途徑，ANSYS有限元分析軟件便是其中之一[2]。近年來國內外利用ANSYS軟件對電子槍的熱分析開展了一些工作。文獻[3]利用對電子槍各電極的溫度分析，對陰極支持結構的散熱能力和支撐強度進行了優化。文獻[4, 5]對燈絲、陰極和陰極的支撐部分建模，計算了燈絲的熱輻射、陰極的熱膨脹，通過分析穩態陰極工作溫度均勻性和電子槍加熱時間解決電子槍的快速啟動問題。文獻[6]直接將陰極設為熱源，模擬和分析了電子槍的工作狀態，對電子槍內部的溫度分布進行了暫態和穩態分析，考慮了外界對流系數的改變對電子槍的溫度場分布影響，發現外界對流系數的改變對電子槍的溫度場幾乎沒有影響。本文利用ANSYS軟件分別對行波管電子槍的全模型和簡化模型進行了熱形變分析。
1 電子槍組件的熱形變計算
行波管電子槍的全模型包括熱絲、熱絲蓋板、熱絲支持片、熱絲陶瓷、陰極、陰極筒、陰極筒支持桿、熱屏筒、熱屏支持架、控制極、控制極支持片、陽極、陽極支持片、對中座、對中座支持片、金屬化槍陶瓷環、槍端蓋、端蓋支持筒、槍底蓋和連接套。全模型的剖面圖如圖1所示。
由于電子槍的全模型比較復雜，建模要耗去設計人員大量精力，計算時間也相對較長，因此建立簡化模型時有必要對結構和幾何形狀進行合理的簡化和處理。電子槍處于工作狀態時，高溫部分主要集中在燈絲、陰極和陰極筒3個部分，而影響電子束參數的主要是陰極和陰極筒的熱膨脹，因此簡化模型只對陰極和陰極筒建模。這樣可以減少建模工作量和計算時間。簡化的模型如圖2所示。