李鑫偉 俞世吉 蘇小保 方有維 孟鳴鳳 邢艷榮 劉柳平

?

行波管陰極和熱子組件的熱特性的數(shù)值模擬和實驗研究

李鑫偉*①②俞世吉②蘇小保②方有維②孟鳴鳳②邢艷榮②劉柳平②

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)②(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

陰極熱子組件作為星載行波管的核心部件，要求它具備穩(wěn)定可靠、壽命長久、低功耗的特點。該文利用數(shù)值模擬和熱測實驗對某星載行波管陰極熱子組件結(jié)構(gòu)開展了研究，提出一種接觸熱阻估算方法，模擬了陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱特性，設(shè)計并完成了陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱測實驗，首次獲取了結(jié)構(gòu)在一系列熱子加熱功率下由內(nèi)到外的溫度實測數(shù)據(jù)。進一步，通過修正陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模擬邊界及激勵，迭代得到接觸熱阻值，獲取了一種高可靠的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型，實驗表明，該熱模型陰極溫度計算精度在5%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)最大溫度計算誤差不超過。

陰極熱子組件；熱模型；熱測實驗；接觸熱阻

1 引言

目前，針對電子槍結(jié)構(gòu)的計算模擬發(fā)展迅速，有些模擬計算較好地等效和考慮了熱物理場的邊界條件，與陰極實測溫度具有較好的一致性。然而，當(dāng)前電子槍的溫度實測數(shù)據(jù)點主要集中在陰極、陽極、槍殼等部件上，對它的核心部件-陰極熱子組件結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的溫度測量，這就使模擬計算的實測依據(jù)不完善，計算方法的可行性和可靠性仍需進一步驗證，模擬計算不能很好地為電子槍結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計及優(yōu)化提供準(zhǔn)確指導(dǎo)。

本文通過理論分析建立并模擬了一種陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型；同時，設(shè)計并完成了陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱測實驗，獲取了結(jié)構(gòu)在不同熱子加熱功率下由內(nèi)到外的溫度場分布，豐富了陰極熱子組件熱狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；進一步，通過誤差分析，提出計算模型改進方案，通過迭代得到結(jié)構(gòu)接觸熱阻等關(guān)鍵參數(shù)，最終獲取一種高可靠的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱物理模型，為后續(xù)電子槍結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計及優(yōu)化提供有力支持。此外，本文提出了一種簡易的接觸熱阻估算方法，該方法在一定溫度范圍內(nèi)能夠給出接觸熱阻的近似值，為星載行波管的熱模擬提供了支持。

2 陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型建立

本文研究的某星載行波管陰極熱子組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由熱絲、填充粉、陰極餅、陰極筒、陰極支持筒、定位件、熱屏筒、熱子引線瓷、熱子引線固定筒和鎳管組成，其中熱子燒結(jié)在填充粉中。由于陰極熱子組件工作在高真空環(huán)境下，在它的熱物理模型中，不存在流體，只存在熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種熱傳遞方式。

圖1 星載行波管陰極熱子組件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 接觸熱阻估算模型

目前，針對陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的熱接觸實驗研究相對缺乏，主要以理論分析和數(shù)值模擬為主。在陰極熱子組件結(jié)構(gòu)中，零件之間大多以點焊組裝為主(熱子引線瓷采用了金屬-瓷封接技術(shù))，本文依據(jù)傳熱學(xué)理論，提出了一種針對點焊的熱接觸計算模型，該模型如圖2所示。圖中，為總的橫截面積；為接觸面積；為空隙面積；為空隙空間的厚度；為接觸體的導(dǎo)熱系數(shù)；為接觸體的導(dǎo)熱系數(shù)；為充滿空隙空間流體的導(dǎo)熱系數(shù)；為接觸熱阻；為接觸體的接觸面溫度；為接觸體的接觸面溫度，接觸面積占總橫截面積的百分比為，空隙面積占百分比為。在該熱接觸模

圖2 接觸熱阻簡化模型

型中不存在流體換熱，且忽略了接觸區(qū)域中的輻射熱傳遞，只有固體之間的熱傳導(dǎo)。則根據(jù)傅里葉定律和接觸熱阻的定義式[18]可得

以陰極筒-陰極支持筒接觸熱阻為例，它的求解方法如下：(1)通過查找資料獲取陰極筒(它的材料為金屬鉬)、陰極支持筒(它的材料為鉬錸合金)的熱傳導(dǎo)系數(shù)，它們都是溫度的函數(shù)[19]；(2)由結(jié)構(gòu)的實際尺寸確定接觸區(qū)域的徑向橫截面積；(3)假設(shè)接觸間隙徑向均勻，根據(jù)陰極筒與陰極支持筒內(nèi)徑加工允差估測接觸間隙的值；(4)根據(jù)點焊半徑與點焊數(shù)估測接觸面積；(5)根據(jù)式(1)推導(dǎo)值。由此得到陰極筒-陰極支持筒之間的接觸熱阻值為，陰極支持筒-定位件之間的接觸熱阻值為。

2.2 陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模擬

結(jié)構(gòu)在CAD軟件中完成實體建模，模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進行計算；考慮熱子為復(fù)繞式雙螺旋結(jié)構(gòu)，為建模簡便，在模型中去掉了熱子結(jié)構(gòu)，將熱子加熱功率等效為體生熱率，均勻加載在填充粉上；考慮多組面面輻射及空間輻射，并將材料輻射率及導(dǎo)熱率設(shè)置為溫度的函數(shù)，以表格形式加載；將陰極熱子組件的鎳管底面溫度約束為；采用瞬態(tài)熱分析模塊進行模擬。圖3給出了熱子加熱功率為3.3 W時結(jié)構(gòu)的溫度場分布。

通過模擬計算陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的溫度特性，可以初步得出：陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的溫度變化劇烈，其中，陰極-熱子結(jié)構(gòu)的溫差不大，而在陰極支持筒上面的溫度梯度最為顯著。

3 熱測實驗

3.1實驗設(shè)計

實驗的目的是獲取一系列熱子加熱功率下陰極熱子組件結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的溫度場分布，以驗證和優(yōu)化陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模擬；同時，完善某星載行波管熱測數(shù)據(jù)庫，以更好地服務(wù)于行波管的研發(fā)設(shè)計。

熱測實驗分3個階段，對應(yīng)組件的3個組裝步驟，以便系統(tǒng)地得到陰極熱子組件結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的溫度分布。實驗中用到的主要工具包含：恒流源、導(dǎo)線、真空玻璃罩、萬用表、光學(xué)測溫儀、熱電偶、數(shù)字計數(shù)器、導(dǎo)線以及由機械泵、分子泵和離子泵組建的抽真空平臺。其中，恒流源為熱絲提供一定的加熱功率；抽真空平臺和真空玻璃罩為測試對象提供高真空度的實驗環(huán)境；萬用表測量在真空玻璃罩輸入鉬棒上的電壓；光學(xué)測溫儀測量以上的溫度點，這些溫度點具有鮮明的外在特征(發(fā)紅光)；熱電偶用以測量以下的溫度點(不發(fā)光)；數(shù)字計數(shù)器用以讀取熱電偶測量結(jié)果[20]。表1給出了部分光學(xué)測溫儀及熱電偶的規(guī)格參數(shù)。

圖3 熱子加熱功率為3.3 W時陰極熱子組件結(jié)構(gòu)溫度場分布

3.2誤差分析

陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比表明：陰極溫度最大計算誤差為6.4%，陰極支撐部件上的最大計算誤差為，熱模型需要進行優(yōu)化。產(chǎn)生誤差的來源有實驗誤差和計算誤差。其中，實驗誤差主要包含熱電偶探頭與測量目標(biāo)的接觸熱阻引起的測量誤差，以及測量儀器本身存在的測量誤差。計算誤差主要由以下幾個因素引起：

(1)熱邊界設(shè)置不當(dāng)引起的計算誤差。陰極熱子組件結(jié)構(gòu)通過鎳管和定位件固定在實驗裝置中，在計算模型中，定位件固定端的溫度約束沒有考慮。

(2)接觸熱阻的估算模型引起的誤差。該估算方法忽略了輻射傳熱，及由升溫引起的接觸狀態(tài)的改變。

(3)模型的簡化引起的誤差。陰極-熱子結(jié)構(gòu)的熱源為通電的熱子，填充物為Al2O3粉。在模型中忽略了熱子，將填充物作為熱源，在它上面施加等效的體生熱率。該方法忽略了熱子引腿上的熱量損耗，則有效的加載功率和仿真加載的功率如式(2)和式(3)所示。

此外，ANSYS網(wǎng)格、輻射因子等精度的設(shè)置也會影響計算結(jié)果。

4 陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型優(yōu)化

4.1 熱模型改進

根據(jù)誤差分析，對陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的熱模型進行優(yōu)化，熱模型做如下調(diào)整：

(3)依據(jù)實驗和仿真，計算結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵接觸熱阻參量。

由前文結(jié)構(gòu)溫度場計算結(jié)果(圖3)可知，陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的溫度場梯度在陰極支持筒上變化最為顯著，陰極支持筒幾乎決定了結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)的特性，因此，顯著影響陰極熱子組件結(jié)構(gòu)溫度梯度的熱接觸主要為陰極筒-陰極支持筒和陰極支持筒-定位件兩部分。

下面針對這兩組熱接觸的接觸熱阻提出了一種修正算法，該方法以模擬計算和實測結(jié)果為依據(jù)，通過迭代法得到接觸熱阻值的大小。該迭代方法的依據(jù)如下：在優(yōu)化了陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱物理邊界和激勵后，接觸熱阻計算值設(shè)置不當(dāng)就成為了引起系統(tǒng)計算誤差的主要原因。理論上講，當(dāng)接觸熱阻計算值與實際值相等時，結(jié)構(gòu)的溫度場計算結(jié)果與測試結(jié)果會基本一致。由此，我們可以通過改變接觸熱阻計算值的大小，當(dāng)接觸區(qū)域附近的溫度場模擬結(jié)果(溫度值與分布特點)與實測結(jié)果基本相同時，就近似得到了接觸熱阻的實測值，再通過整個系統(tǒng)溫度場計算結(jié)果與實測結(jié)果的比較，判斷系統(tǒng)計算誤差是否在可接受范圍內(nèi)，以最終確定該方法是否可靠。

表1部分光學(xué)測溫儀及熱電偶的規(guī)格參數(shù)

儀器型號測溫范圍測量誤差 光學(xué)測溫儀PV11AF1 熱電偶KMTXL-MO50G-150 以下 4‰

以陰極筒-陰極支持筒熱接觸為例，對接觸熱阻的求解進行說明。陰極筒與陰極支持筒接觸區(qū)域相對結(jié)構(gòu)尺寸很小，且由實測結(jié)果可知，陰極筒整體溫差很小，因此，可近似認(rèn)為在接觸區(qū)域內(nèi)兩者軸向溫度沒有變化，即軸向不存在熱傳遞，只存在徑向的熱傳導(dǎo)?？紤]結(jié)構(gòu)的軸對稱特征，陰極筒-陰極支持筒熱接觸模型可用圖4描述。

圖4 陰極筒-陰極支持筒熱接觸模型

根據(jù)式(12)，對接觸熱阻進行迭代求解，首先利用式(12)推導(dǎo)出的接觸熱阻值進行結(jié)構(gòu)的熱計算，更新溫度計算結(jié)果和，與實測結(jié)果進行對比，若誤差可接受，則說明已得到接觸熱阻近似值；若相差較大，則進入下一個迭代，直到溫度計算結(jié)果與實測結(jié)果基本相等。迭代的步驟用圖5描述。由熱傳導(dǎo)傅里葉公式可知，在相同激勵和邊界條件下，接觸熱阻值的大小會影響結(jié)構(gòu)溫度場分布，不同的接觸熱阻對應(yīng)結(jié)構(gòu)不同的溫度場。因此，這種實驗與仿真迭代結(jié)合的接觸熱阻計算方法是可行的，它的解是存在且唯一的。

圖5 接觸熱阻迭代算法

需要注意的是，在迭代算法中，陰極筒-陰極支持筒與陰極支持筒-定位件的接觸熱阻是同時進行計算和迭代的，這樣既滿足了在測量點處溫度模擬與實測相同，又保證了在陰極支持筒結(jié)構(gòu)上的溫度分布與實測值的一致性。通過上述迭代，最終確定了陰極筒-陰極支持筒與陰極支持筒-定位件的接觸熱阻值的大小，結(jié)果在圖6和圖7中給出。

陰極支持筒-定位件之間的接觸熱阻隨溫度升高而單調(diào)遞減，變化顯著，這是由于結(jié)構(gòu)受熱后因熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，使接觸區(qū)域受到擠壓，從而減小了傳導(dǎo)路徑長度，增加了接觸面積，最終導(dǎo)致接觸熱阻降低；另一方面，接觸熱阻不可能無限制地減小，它總是一個正數(shù)，因此，接觸熱阻隨溫度的變化曲線為先陡后緩。高溫下縫隙間的輻射傳熱顯著，因此陰極筒-陰極支持筒的接觸熱阻要遠小于陰極支持筒-定位件之間的接觸熱阻，且隨著溫度的升高略有降低。由于在實驗和計算中存在一些不可避免的誤差，如測量誤差、模型簡化、網(wǎng)格誤差等，這些誤差對接觸熱阻的計算會產(chǎn)生一定的影響，尤其是接觸熱阻非常小時，引起它隨溫度的變化曲線產(chǎn)生抖動，對于陰極支持筒-陰極筒的接觸熱阻而言，在該數(shù)量級下的數(shù)值抖動是可以接受的，對后續(xù)系統(tǒng)的熱模擬幾乎沒有影響。

對比接觸熱阻估算模型得到的陰極筒-陰極支持筒之間的接觸熱阻值與陰極支持筒-定位件之間的接觸熱阻值，可知，陰極支持筒-定位件之間的接觸熱阻值相對比較接近，而陰極筒-陰極支持筒之間的接觸熱阻值相差3個量級。這是由于模型計算的接觸熱阻值沒有考慮由升溫引起的接觸狀態(tài)的改變，及輻射傳熱的影響，當(dāng)接觸區(qū)域溫度不高時，估算值與真實值較接近，當(dāng)溫度較高時，估算值誤差很大，由對比結(jié)果可推斷，簡易估算模型可以近似給出以內(nèi)的接觸熱阻值。

圖6 陰極支持筒-定位件之間的接觸熱阻 圖7 陰極筒-陰極支持筒之間的接觸熱阻

4.2熱模型優(yōu)化結(jié)果

在完成了陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型的激勵、邊界和接觸熱阻參數(shù)優(yōu)化后，重新對結(jié)構(gòu)熱模型進行了數(shù)值模擬，計算結(jié)構(gòu)在一系列熱子加熱功率下系統(tǒng)的溫度場分布，并與實測結(jié)果進行了對比。圖8對比了陰極溫度-加熱功率曲線的模擬結(jié)果與實測結(jié)果，圖9對比了優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的溫度最大計算誤差。

結(jié)果表明，陰極溫度的最大計算誤差由6.4%降低為5%，結(jié)構(gòu)整體的最大溫度計算誤差由204降低為。利用均方根誤差(Mean Square Error, MSE)對熱模型優(yōu)化前后的模擬精度進行描述，通過式(13)統(tǒng)計陰極熱子組件結(jié)構(gòu)整體及陰極的溫度均方根誤差，結(jié)果在表2中給出?？芍帢O熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型的可靠性有了顯著的提高，滿足星載行波管熱模擬的需求，同時也證明了接觸熱阻迭代算法的可行性。

表2陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型溫度均方根誤差

熱模型總的MSE(℃)陰極的MSE(℃) 優(yōu)化前105.930.3 優(yōu)化后 38.623.2 優(yōu)化效率(%) 63.523.4

5 結(jié)束語

該文針對星載行波管陰極熱子組件結(jié)構(gòu)的熱學(xué)特性開展了研究，通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法提出了一種高可靠的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型。首先，從系統(tǒng)的激勵、熱傳遞方式和熱邊界3方面展開討論，重點對結(jié)構(gòu)的接觸熱阻進行了分析，提出了一種簡易的接觸熱阻估算模型，并對陰極熱子組件結(jié)構(gòu)進行了熱模擬；然后，設(shè)計并實現(xiàn)了陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱測實驗，首次獲取了不同熱子加熱功率下結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的溫度場分布，豐富了陰極熱子組件熱狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，開展了結(jié)構(gòu)熱模型的優(yōu)化，對結(jié)構(gòu)熱模型的激勵和邊界條件進行了修正，并使用實驗-模擬相結(jié)合的研究方法，迭代得到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵接觸熱阻參數(shù)。對新的熱模型進行計算，并與實測數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明：新的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)熱模型陰極溫度計算誤差在5%以內(nèi)，均方根誤差為，結(jié)構(gòu)總的溫度計算誤差不超過，均方根誤差為，該計算模型的精度滿足星載行波管熱模擬的需求，為星載行波管陰極熱子組件及電子槍結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計和優(yōu)化提供了一種可靠性高的模擬計算方法。

圖8 陰極溫度實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比 圖9 陰極熱子組件結(jié)構(gòu)溫度最大計算誤差

[1] 唐康淞, 趙剛, 李實, 等. 新型高導(dǎo)熱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的設(shè)計和仿真分析[J]. 電子與信息學(xué)報, 2009, 37(3): 736-739. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.01761.

TANG Kangsong, ZHAO Gang, LI Shi,. Design and simulation analysis of novel helical slow-wave structure with high heat transfer[J].&, 2009, 31(3): 736-739. doi: 10.3724/SP.J.1146. 2007.01761.

[2] 韓勇, 劉燕文, 丁耀根, 等. 螺旋線行波管慢波系統(tǒng)的綜合熱分析法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2009, 31(12): 3105-3108. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.01506.

HAN Yong, LIU Yanwen, DING Yaogen,. Synthetic analysis method of the heat dissipation capability of slow-wave structure for helix TWT[J].&, 2009, 31(12): 3105-3108. doi: 10.3724/SP.J.1146.2008.01506.

[3] 韓勇, 劉燕文, 丁耀根, 等. 螺旋線鍍膜對慢波組件散熱性能影響的研究[J]. 電子與信息學(xué)報, 2008, 30(8): 2029-2032. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.00137.

HAN Yong, LIU Yanwen, DING Yaogen,. Effect of plated helix on heat dissipation capability of the slow-wave circuit[J].&, 2009, 30(8): 2029-2032. doi: 10.3724/SP.J.1146.2007.00137.

[4] LI Xinwei, YU Shiji, and SU Xiaobao. The modeling and mesh of a simple cathode-heater assembly structure[C]. IEEE International Vacuum Electronics Conference, Paris, 2013: 1-2. doi: 10.1109/IVEC.2013.6571162.

[5] OZTURK A E, TURKOZ E, OZGEN A,. Design and thermal analysis of the insert region heater of a lanthanum hexaboride hollow cathode[C]. 6th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, Istanbul, 2013: 607-612. doi: 10.1109/RAST.2013.6581282.

[6] GAHLAUT V, SHARMA R K, and SRIVASTAVA V. Thermal and structural analysis of electron gun for high efficiency space TWT[C]. International Conference on Emerging Trends in Electronic and Photonic Devices & Systems, Varanasi, 2009: 409-412. doi: 10.1109/ELECTRO. 2009.5441081.

[7] YAO Lieming, YANG Zhonghai, LI Bin,. Thermal- structural analysis of electron gun with control grid[C]. IEEE International Vacuum Electron Sources, Monterey, 2006: 139-140.

[8] SU Wei, ZHU Junhua, LIU Renhuai,. Thermal- structural coupling analysis of electron gun in air-borne TWT [C]. International Conference on Reliability, Maintainability and Safety, Guangzhou, 2014: 913. doi: 10.1109/ICRMS. 2014.7107336.

[9] YAO Liucong, SU Xiaobao, and LU Wei. Thermal analysis of the gridded electron-gun[C]. IEEE International Vacuum Electronics Conference, Monterey, 2010: 163-164. doi: 10.1109/IVELEC.2010.5503551.

[10] 宋芳芳, 張國興, 何小琦, 等. 行波管陰極組件動態(tài)熱耗散分析及優(yōu)化設(shè)計[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2006, 26(2): 118-122. doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2006.02.010.

SONG Fangfang, ZHANG Guoxing, HE Xiaoqi,. Dynamic thermal dissipation of cathode module in electron gun of traveling wave tube[J].2006, 26(2): 118-122. doi: 10. 13922/j.cnki.cjovst.2006.02.010.

[11] 鮑際秀, 王佩筠, 萬寶, 等. 陰極熱絲組件中輻射換熱量的改善[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2007, 27(6): 522-530. doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2007.06.015.

BAO Jixiu, WANG Peijun, WAN Bao,. Radiant heat loss reduction of filament-cathode module[J]., 2007, 27(6): 522-530. doi: 10.13922/j.cnki.cjovst.2007.06.015.

[12] 趙興群, 張國興, 謝凱, 等. 行波管電子槍熱狀態(tài)模擬和分析[J]. 中國工程科學(xué), 2005, 7(1): 33-37.

ZHAO Xingqun, ZHANG Guoxing, XIE Kai,. The analysis and simulation for the thermal condition of electron gun of TWT[J]., 2005, 7(1): 33-37.

[13] 劉磊, 阮九福, 楊軍, 等. 行波管電子槍熱分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 強激光與粒子束, 2011, 23(12): 3421-3425.

LIU Lei, RUAN Jiufu, YANG Jun,. Thermal analysis and structural optimization of electron gun for traveling wave tube[J]., 2011, 23(12): 3421-3425.

[14] 胡太康, 俞世吉, 孟鳴鳳, 等. 組件與非組件式熱陰極的熱特性分析[J]. 強激光與粒子束, 2007, 19(3): 477-482.

HU Taikang, YU Shiji, MENG Mingfeng,. Thermal analysis of assembly and non-assembly cathodes[J]., 2007, 19(3): 477-482.

[15] 程誠, 程道喜, 鄭曙昕, 等. 新型熱陰極電子槍加熱結(jié)構(gòu)熱分析[J]. 強激光與粒子束, 2010, 22(7): 1607-1609.

CHENG Cheng, CHENG Daoxi, ZHENG Shuxin,. Thermal analysis of heating structure for thermionic cathode electron gun[J]., 2010, 22(7): 1607-1609.

[16] 許升, 胡權(quán), 黃桃, 等. 行波管電子槍組件的熱及形變分析[J]. 真空電子技術(shù), 2011, 8(2): 9-12.

XU Sheng, HU Quan, HUANG Tao,. Thermal and deformation analysis of electron gun for traveling wave tubes[J]., 2011, 8(2): 9-12.

[17] 翟亮, 俞世吉. 熱屏開槽對行波管陰極-熱子組件熱學(xué)性能的影響[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2011, 11(19): 4464-4468.

ZHAI Liang and YU Shiji. Improvement on thermal property of cathode-heater assemblies in traveling wave tube by opening groove at heat shield[J]., 2011, 11(19): 4464-4468.

[18] 楊世明, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 47-49.

YANG Shiming and TAO Wenqun. Heat Transfer[M]. Beijing: High Education Press, 2006: 47-49.

[19] 譚拴斌, 郭讓民, 楊升紅, 等. 鉬錸合金的結(jié)構(gòu)和性能[J]. 稀有金屬, 2003, 27(6): 788-793. doi: 10.13373/j.cnki.cjrm.2003. 06.029.

TAN Shuangbin, GUO Rangmin, YANG Shenghong,. Structure and properties of molybdenum-rhenium alloys[J]., 2003, 27(6): 788-793. doi: 10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.029.

[20] 姚劉聰. 柵控電子槍的技術(shù)研究[D]. [碩士論文], 中國科學(xué)院大學(xué), 2009.

YAO Liucong. Study on the technique of gridded electron-gun[D]. [Master dissertation], University of Chinese Academy of Sciences, 2009.

Thermal Simulation and Experiment on Cathode-heater Assembly of Space TWT

LI Xinwei①②YU Shiji②SU Xiaobao②FANG Youwei②MENG Mingfeng②XING Yanrong②LIU Liuping②

①(,,100190,)②(,100049,)

As the core component of space traveling wave tubes, the cathode-heater assembly is required to be stable, reliable, long life and low power consumption. In this paper, an estimation method of thermal contact resistance is proposed, and the thermal characteristics of cathode-heater assembly structure are simulated. Meanwhile, thermal experiment is designed and undertaken, and the whole temperature distribution of cathode-heater assembly structure under a variety of heating power is obtained for the first time. Furthermore, the thermal boundary and excitation of cathode-heater assembly structure is modified, and the values of thermal contact resistances are obtained by interactive method. Finally, a high reliable thermal model of cathode-heater assembly structure is obtained. It is revealed that cathode temperature calculating accuracy is within 5%, and the calculating error of whole structure is less than.

Cathode-heater assembly; Thermal model; Thermal experiment; Thermal contact resistance

O462.1

A

1009-5896(2016)11-2965-07

10.11999/JEIT160035

2016-01-13；改回日期：2016-06-15；

2016-09-01

李鑫偉 xwli_1989@163.com

國家863計劃項目(2013AA8035040C)

The National 863 Program of China (2013AA 8035040C)

李鑫偉： 男，1989年生，博士生，研究方向為空間行波管熱效率與可靠性技術(shù).

俞世吉： 男，1970年生，研究員，研究方向為微波電真空器件陰極及空間行波管陰極熱子組件技術(shù).

蘇小保： 男，1963年生，研究員，研究方向為微波電子學(xué)、低溫等離子體及應(yīng)用.

方有維： 男，1986年生，助理研究員，研究方向為微波電真空器件陰極及空間行波管陰極熱子組件技術(shù).

孟鳴鳳： 女，1981年生，工程師，研究方向為微波電真空器件陰極及空間行波管陰極熱子組件技術(shù).

邢艷榮： 女，1980年生，研究方向為微波電子學(xué).

劉柳平： 女，1981年，高級工程師，研究方向為微波電子學(xué).