高功率回旋管热分析及散热技术研究

摘要

回旋管是一种基于电子回旋谐振受激辐射机理工作的新型电真空器件，因其在毫米波及亚毫米波段具有高功率，高效率和宽带宽等优点，为毫米波及亚毫米波在雷达，电子战，通信，受控热核聚变、高功率微波武器，新型材料和医疗等领域的应用开辟了广阔的前景。近年来，回旋管输出功率越来越高，已研制出毫米波段上百千瓦的连续波功率和吉瓦级的脉冲功率。随着输出功率的增加，对高功率回旋管散热系统的设计也面临巨大挑战。因为制作回旋管的材料具有介质损耗，在回旋管工作时有一部分功率会以热的形式耗散掉。如果没有对回旋管散热系统进行有效设计，尤其在高功率工作时，回旋管会因温度过高而损坏。因此，对回旋管进行散热研究，对提高回旋管的稳定性、可靠性和寿命具有重要意义。
　　本论文主要对110GHz回旋振荡管的电子枪阴极和高频谐振腔进行了热分析和散热研究。本文内容的主要工作如下：
　　1.简要介绍了回旋振荡管和传热学的相关理论及ANSYS软件
　　对回旋振荡管电子枪和高频结构的一些基本理论做了简单介绍，分析了一些参数变化对电子枪和高频结构性能的影响；对传热学的基本理论和主要传递方式（热传导、热对流、热辐射）做了阐述和对流换热微分方程进行了推导；对ANSYS软件的主要功能和热分析的过程步骤的介绍。
　　2.对回旋管电子枪的热分析
　　电子枪是高功率回旋管的“心脏”，为回旋管提供注波互作用的电子束，电子枪质量的好坏直接影响着回旋管的可靠性和寿命。本文主要利用ANSYS软件对电子枪进行仿真建模，然后对其温度分布和形变大小进行分析。主要通过增加灯丝加热功率，优化灯丝数目和排列方式，对枪芯支撑筒切缝等方式使电子枪发射带表面温度达到发射要求，通过对灯丝数目、灯丝排列方式、支撑筒切缝数目和切缝角度的优化，最终使发射带表面温度在1000℃以上，表面温差在1℃以下。然后对电子枪进行形变分析。
　　3.对回旋管高频谐振腔的热分析
　　利用ANSYS软件对回旋管高频结构进行了热分析，对比分析了均匀加载和非均匀加载的温度分布结果，通过优化谐振腔外壁散热开槽方式和散热槽尺寸，设计了良好的散热结构。然后通过HFSS软件仿真分析了谐振腔形变对谐振模式和频率的影响。

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第一章 绪 论

1.1 回旋管发展简介

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外的研究现状

1.4 本学位论文的主要工作与结构安排

第二章 传热学理论与ANSYS软件介绍

2.1 传热学基本理论

2.2 对流换热理论

2.3 ANSYS简介

2.4本章小结

第三章 回旋管电子枪阴极热分析

3.1磁控注入电子枪简介

3.2 电子枪热分析的前处理

3.3 电子枪阴极热分析初步结果

3.4电子枪阴极发射带表面温度优化

3.5 电子枪阴极加热效率优化

3.6电子枪阴极热形变分析

3.7 小结

第四章 回旋管互作用谐振腔的热特性分析

4.1 互作用谐振腔的欧姆损耗计算

4.2 互作用谐振腔的热分析

4.3 互作用谐振腔的热形变分析

4.4 谐振腔形变对冷腔性能的影响

4.5 本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果