电子枪面面辐射热分析 - 案例一

这是 ANSYS 工程实战 第 30 篇文章

问题描述：

电子枪是行波管的重要组成部件，在工艺制管前，需要对电子枪真空预排，在预排过程中，电子枪内部温度比较高，热量主要通过辐射和传导散热，辐射对及辐射率的设置直接影响热分析计算的准确性，这里分享小枪预排的功耗情况及枪各部分的温度。

1. 小枪仿真模型及前期设置

小枪 模型主要包括控制极、控制极支撑件、外热屏、阴极支撑筒定位件、镍管、内热屏、阴极饼、钼筒、热丝等等，模型结构如图 1 。

图 1 小枪有限元模型

内热屏是影响阴极温度的主要结构件，等效模型如图 2，镍管与热丝连接处要进行模型处理，热丝模型比较复杂，为方便分析，可以按体积等效建模，热丝等效后的有限元模型如图 3。

               图 2 内热屏有限元模型    图  3 热丝有限元模型

网格设置：有限元各部件设置不同大小的网格，为了使仿真结果误差较小，需进行网格收敛。阴极饼、阴极筒、内热屏和热丝网格做精细划分，其他结构根据运算量做适当调整，模型划分网格后如图 4。

 图 4 小枪有限元模型

part 和接触设置：我们先假设电子枪各部分是充分焊接的，所有体设置一个 part，不设置接触热阻。

辐射系数及设置：电子枪中封闭的空间进行面面辐射设置，裸 露的部分进行面环境辐射设置。具体辐射设置参考  电子枪热分析-面面辐射及面环境辐射  。

首先通过试验测得各材料辐射率，根据实际结构表面情况及小枪的热性能分析比对得到小枪各部件修正的辐射率，如图 5。

图 5 各种辐射对辐射系数及辐射组

温度载荷及环境温度：电子枪工作的环境温度为 25℃ ，根据预排的电流和电压计算出电子枪功耗 ，并以热生成方式加到热丝上。

2. 仿真计算

仿真后，得到小枪阴极的最高温度为 1062 ℃，发生在阴极筒内部热丝，阴极上最高温度为 1051.3 ℃，如图 6。

图 6  阴极温度分布

热屏筒上最高温度为 1051.8 ℃，最低温度 461.2 ℃，温差 590.6 ℃，温差较大，如图 7。在实际应用中，热屏筒结构及焊接方式一直是影响电子枪功耗的重要因素，要减小阴极功耗，需要对热屏结构及焊接进行专门分析。

图 7 热屏筒温度分布

外热屏的主要作用就是为了防止热量向外辐射，外热屏筒上最高温度为 467.4 ℃，最低温度 408.17 ℃，温差 59.23 ℃，如图 8。外热屏结构及焊接方式对阴极内部热量的影响情况后续会进行深入分析。

图 8  外热屏筒温度分布

枪外支撑件上最高温度为 380.1℃，最低温度 363.76℃，温差 16.34℃。枪外支撑件主要与环境进行辐射散热。

图 9  枪外支撑件温度分布

控制电极上的温度也是我们比较关心的，实际预排时可以通过测温设备直接测出控制上温度，可以与仿真计算结果比对，仿真得到控制极上最高温度为 378.88℃，最低温度 378.62℃，温差 0.26℃。

图 10  控制电极温度分布

热屏支撑件是连接热屏筒和小枪支撑件的重要部件，仿真得到热屏支撑件的最高温度为 512.94 ℃，最低温度 390.37 ℃，温差 122.57 ℃。

图 11  热屏支撑件温度分布

特别说明：

面环境辐射计算时间比较短，可能几分钟就完成计算了，但面面辐射属于非线性，计算时间特别长，电子枪带有面面辐射的热分析，计算时间一般超过 24 小时，如果要计算升降温瞬态过程中枪的温度情况，计算时间更长。