基于多物理场协同仿真确定电子枪栅网装配间距的方法

摘要

本发明属于微波真空电子器件技术领域，具体涉及基于多物理场协同仿真确定电子枪栅网装配间距的方法。本发明将应用在结构、流体、电力、电磁场领域的多物理场协同仿真软件ANSYS，应用在栅控电子枪热力协同仿真方面。对装配间距进行修正，采用修正后的装配间距，在保证满足设计指标的前提下，可以有效避免现有设计方法存在的资源浪费、研制时间长、研制成本高的问题；以及电子枪因产生热形变的阴影栅接触到阴极，导致不能正常工作的问题。

说明书

技术领域

本发明属于微波真空电子器件技术领域，具体涉及一种基于多物理场协同仿真确定电子枪栅网装配间距的方法。

背景技术

行波管是一种将信号功率放大的微波真空电子器件，是军事装备的核心器件，被称为武器装配的“心脏”，广泛应用在导航、电子对抗、卫星通讯以及雷达中。

电子枪是行波管的关键部件，为行波管提供稳定、可靠的电子注。行波管一般采用由阴极、聚焦极与阳极组成的轴对称电子枪(见图1)。这种轴对称电子枪具有结构简单、控制方便和易于调试的特点，但是不容易实现对电子注的截止，不适合用于以脉冲方式工作的微波管中。

栅控电子枪是在轴对称电子枪的基础上，增加了阴影栅和控制栅，以实现控制电子发射的目的。栅控电子枪结构见图2，主要由阴极、阳极、栅网(控制栅和阴影栅)，聚焦极组成。通过控制栅施加负电压可以很容易的实现对电子注的截止，被广泛使用在以脉冲方式工作的微波管中。阴极表面逸出的电子在阴极和阳极间电场的作用下，向阳极孔方向加速运动。聚焦极用来约束电子使其满足一定的形状要求。

电子枪阴极加热到一定温度时，阴极便会有电子逸出，在电场的作用下形成电子流。虽然使用单一的栅网使电子流具有很好的层流特性，但是容易截获阴极电流。为了解决此问题，在控制栅和阴极之间加入阴影栅。阴影栅为控制栅遮挡了电子，使电子不会被控制栅截获。由于阴影栅电位相对控制栅更低，在相同截获电流的情况下，阴影栅上产生的功耗更小，截获电流对阴影栅的温度和形变影响较小。

电子枪阴极一般工作在1050℃左右，由于阴影栅和阴极表面之间的距离非常小(通常仅有千分之几英寸)，因此阴影栅的温度也很高，通常达到900℃左右。阴影栅温度较高产生热应力形变，不仅使阴影栅与阴极可能发生接触，而且使控制栅和阴影栅之间的对中效果变差。对中变差使控制栅的截获电流以及功耗增加，功耗增加使控制栅承受更高的温度，容易使控制栅产生熔断。另外，产生热形变的阴影栅有可能接触到阴极，从而导致电子枪不能正常工作。

目前，在设计栅控电子枪时，设计人员将冷状态下设计出的栅网与阴极之间的间距作为栅网与阴极的装配间距。装配完成后进行测试，一旦测试不合格，需要重复设计、测试这一反复的过程，从而造成资源的极大浪费、延长了研制时间、增加了研制成本。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有栅控电子枪设计时未考虑热效应导致的一系列问题，本发明提供了一种基于多物理场协同仿真确定电子枪栅网装配间距的方法，在保证其它指标满足要求的前提下，通过对装配间距进行修正，不仅使阴影栅与阴极之间不会因热应力产生的形变而相互接触，而且可以缩短研制时间，减小研制成本。

技术方案具体如下：

步骤1、根据电性能要求，使用微波管模拟软件套装MTSS设计栅控电子枪。记满足电性能要求的栅控电子枪阴极与阴影栅间距为d₁，阴影栅与控制栅间距为d₂，见图2。

步骤2、使用多物理场协同仿真软件ANSYS对栅控电子枪进行热力协同仿真。根据热力仿真结果得到阴极中心位置沿着z轴的形变Δz₁，阴影栅中心位置沿着z轴的形变Δz₂，控制栅中心位置沿着z轴的形变Δz₃。Δz＞0表示沿着z轴正方向形变。Δz＜0表示沿着z轴负方向形变。

步骤3、根据步骤2得到的阴极、阴影栅和控制栅形变结果，对冷状态下阴极与阴影栅的装配间距进行修正。

记阴极与阴影栅的装配间距为D₁，对阴极与阴影栅之间的间距根据(1-1)修正

D₁＝d₁±|Δz₁-Δz₂|(1-1)

若Δz₁＜0，Δz₂＜0，则D₁＝d₁+|Δz₁-Δz₂|；若Δz₁＞0，Δz₂＞0，则D₁＝d₁+|Δz₁-Δz₂|；当阴极与阴影栅沿着轴向产生的形变同向时，需要在电参数设计的间距d₁的基础上加上形变产生的差值，使其在工作时阴极与阴影栅之间的间距达到d₁。

若Δz₁＜0，Δz₂＞0，则D₁＝d₁-|Δz₂-Δz₁|；若Δz₁＞0，Δz₂＜0，则D₁＝d₁+|Δz₁-Δz₂|。当阴极与阴影栅沿着轴向产生的形变反向时，阴极与阴影栅之间的间距将会增大，因此使用d₁减去阴极与阴影栅之间增加的距离，使其在工作时阴极与阴影栅之间的间距刚好达到d₁。

步骤4、根据步骤3的修正结果D₁对冷状态下阴影栅与控制栅的装配间距进行修正。

记阴影栅与控制栅的间距为D₂。若D₁＞d₁，Δz₃＞0，则D₂＝d₂+|D₁-d₁-Δz₃|；当修正后的阴极与阴影栅之间的间距D₁＞d₁，控制栅沿着轴向正方向变化时，阴影栅与控制栅之间的间距变大，因此使用d₂减去阴影栅与控制栅之间增加的距离，使其在工作时的间距达到设计时的d₂。

若D₁＞d₁，Δz₃＜0，则D₂＝d₂+|D₁-d₁-Δz₃|；

当修正后的阴极与阴影栅之间的间距D₁＞d₁，控制栅沿着轴向负方向变化时，阴影栅与控制栅之间的间距变小，因此使用d₂加上之间减小的距离，使其在工作时阴影栅与控制栅的间距达到设计时的d₂。

若D₁＜d₁，Δz₃＞0，则D₂＝d₂-|d₁-D₁+Δz₃|；当修正后的阴极与阴影栅之间的间距D₁＜d₁，控制栅沿着轴向正方向变化时，阴影栅与控制栅之间的间距变大，因此使用d₂减去之间增大的距离，使其在工作时阴影栅与控制栅的间距达到设计时的d₂。

若D₁＜d₁，Δz₃＜0，则D₂＝d₂+|d₁-D₁-Δz₃|。当修正后的阴极与阴影栅之间的间距D₁＜d₁，控制栅沿着轴向负方向变化时，需使用d₂加上之间减小的距离，使其在工作时阴影栅与控制栅的间距达到设计时的d₂。

步骤5、根据步骤4修正后的装配间距D₁，D₂重新建立栅控电子枪模型，使用ANSYS对修正后的栅控电子枪热力电协同仿真。根据仿真结果得到工作状态下阴极、阴影栅、控制栅的间距，使用MTSS仿真工作状态下栅控电子枪的电性能，与未校正时的电性能相比变化较小，满足要求的性能指标，因此将D₁，D₂作为冷状态下阴极、阴影栅、控制栅之间的装配距离。此修正方法既可以避免工作状态下阴极、阴影栅和控制栅之间发生由于热形变接触和对中变差等情形，也可以保证栅控电子枪的电性能满足需求。

本发明将应用在结构、流体、电力、电磁场领域的多物理场协同仿真软件ANSYS，应用在栅控电子枪热力协同仿真方面。使用ANSYS对栅控电子枪热力协同仿真得到阴极、阴影栅、控制栅相对于对称轴z轴(如图3所示z轴)的形变，根据中心位置处形变量分别对阴极与阴影栅、阴影栅与控制栅之间的装配间距进行修正，确定最终的装配间距。采用修正后的装配间距，不仅使阴极、阴影栅和控制栅的间距满足设计要求，在工作时不会发生形变接触。而且使用此方法校正后，工作状态下电性能变化较小，满足设计指标。

附图说明

图1无栅轴对称电子枪截面结构图；

图2栅控电子枪截面结构图；

图3电子枪初始状态电性能结算结果；

图4阴影栅沿着轴向热应力形变图；

图5控制栅沿着轴向热应力形变图；

图6阴极沿着轴向热应力形变图。

具体实施方式

下面以阴极半径为5.1mm的栅控电子枪为例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明，本发明是一种通用的确定冷状态下栅网装配间距的方法。

步骤1、根据电性能要求，使用微波管模拟软件套装MTSS设计栅控电子枪。记满足电性能要求的栅控电子枪阴极与阴影栅间距为d₁，阴影栅与控制栅间距为d₂，见图2。

对阴极半径为5.1mm的栅控电子枪进行设计，要求阴极发射电流大于1.8A。MTSS仿真结果为d₁＝0.03mm,d₂＝0.47mm，阴极发射电流为1856.8436mA。

步骤2、使用ANSYS软件对栅控电子枪进行热力协同仿真。根据热力仿真结果得到阴极中心位置沿着z轴的形变Δz₁，阴影栅中心位置沿着z轴的形变Δz₂，控制栅中心位置沿着z轴的形变Δz₃。Δz＞0表示沿着z轴正方向形变。Δz＜0表示沿着z轴负方向形变。

在ANSYS中建立相应的栅控电子枪模型，对栅控电子枪热力协同仿真，得到阴极、阴影栅、控制栅沿着轴向产生的形变。阴极中心位置、阴影栅中心位置、控制栅中心位置沿着轴向的形变分别为Δz₁＝0.026mm，Δz₂＝0.029mm，Δz₃＝-0.015mm。具体形变见图4、图5、图6。

步骤3、根据步骤2得到的阴极、阴影栅和控制栅形变结果，对冷状态下阴极与阴影栅的装配间距进行修正。记阴极与阴影栅的装配间距为D₁，栅控电子枪的热力形变Δz₁＝0.026mm，Δz₂＝0.029mm，根据D₁＝d₁+|Δz₁-Δz₂|进行修正，阴极与阴影栅冷状态下的装配距离修正为D₁＝0.03+|0.026-0.029|＝0.033mm。

步骤4、根据步骤3的修正结果D₁对冷状态下阴影栅与控制栅的装配间距进行修正。

由于D₁＞d₁，Δz₃＜0，Δz₃＝-0.015mm，根据D₂＝d₂+|D₁-d₁-Δz₃|将控制栅冷状态下的装配间距修正为D₂＝0.47+|0.033-0.03-(-0.015)|＝0.488mm。

步骤5、根据步骤4修正后的装配间距D₁，D₂重新建模，并使用ANSYS对修正后的栅控电子枪热力协同仿真，得到阴极中心位置、阴影栅中心位置、控制栅中心位置沿着z轴的形变，Δz₁＝0.026mm，Δz₂＝0.029mm，Δz₃＝-0.016mm，然后计算出阴极，阴影栅，控制栅的间距，并使用MTSS计算电性能，阴极发射电流为1840.2266mm。

如果不对装配间距修正，阴影栅和阴极的距离将变为0.03+0.03-0.026＝0.034mm，阴影栅与控制栅的距离将变为0.47-0.03-0.015＝0.425mm。使用MTSS计算其电性能，此时电子枪的阴极发射电流为2018.9061mA，阴极发射电流将会增加8.7％，截获电流将会增加25.4％，与设计要求相比，电性能指标变化较大。

通过对装配的间距进行修正，使用ANSYS对修正后的电子枪热力协同仿真，根据仿真结果重现建模。计算修正后电子枪的电性能，阴极发射电流降低了0.8％，截获电流降低了0.8％，与设计要求的电性能相比变化较小。

通过此方法修正后，电性能满足设计要求，修正后不仅使阴极、阴影栅、控制栅之间的间距达到设计要求，而且阴极与阴影栅不会因热应力产生的形变而相互接触。最终将D₁，D₂作为冷状态下阴极、阴影栅、控制栅之间的装配距离。

综上所述，本发明可以有效避免现有设计方法存在的资源浪费、研制时间长、研制成本高的问题；以及电子枪因产生热形变的阴影栅接触到阴极，导致不能正常工作的问题。