行波管电子枪阴极组件的热计算

 使用ANSYS软件对行波管电子枪阴极组件进行了热分析和结构分析，计算了阴极组件的简化模型的温度和热形变。同时将热分析结果引入行波管设计软件TWTCAD中计算热形变前后电子束的射程、注腰半径、导流系数和面积压缩比的变化，使TWTCAD的计算结果与实验值更为接近。热形变导致电子束各项指标的变化对实际行波管的设计有参考价值。     

深紫外激光光发射与热发射电子显微镜在热扩散阴极研究中的应用

对热扩散阴极表面微区发射状态进行原位观察和分析一直是热阴极研究的重要课题.本文着重介绍深紫外激光光发射电子/热发射电子显微镜的基本原理及其在热扩散阴极研究中的典型实例.系统配备了高温激活所用的加热装置,样品可被加热至1400℃.系统具有光发射电子、阴极热发射电子、光发射电子和阴极热发射电子联合三种电子成像模式.应用表明,对于热扩散阴极而言,深紫外激光光发射电子像适于呈现阴极表面的微观结构形貌;热发射电子像适于反映阴极表面的本征热电子发射及均匀性;光电子和热电子联合成像适于对阴极表面的有效发射点做出精确定位.     

行波管栅控电子枪热形变研究

行波管栅控电子枪各组件尤其是阴极和栅网的热形变对行波管电子光学性能有着较大的影响。基于有限元分析方法,利用热力场耦合对栅控电子枪热形变问题进行了研究,结果表明:阳极的总形变量最大,最高处达0.28 mm;控制栅网、阴影栅、阴极及部分支撑结构向着阳极方向发生形变,由温升引起的形变不会使控制栅网和阴影栅发生接触或交叉,而阴极形变量较大时,阴极与阴影栅则存在接触的危险,这对电子枪的工作性能有很大的影响,甚至会使阴影栅烧坏。降低电子截获率,适当增加控制栅网和阴影栅的厚度,使用热传导率高、线膨胀系数低的材料,可以减小栅控电子枪各组件的热形变。      

表面微结构对碳化硅晶须掺杂石墨阴极爆炸电子发射性能的影响

爆炸发射阴极已广泛应用于高功率微波源,但常规场致爆炸发射阴极存在使用寿命短或电子发射不均匀的问题,改善阴极材料是解决这一问题的有效途径.本文将碳化硅晶须掺杂到石墨中制备得到阴极,从二极管电流波形上升沿和输出微波脉宽产生的变化着手,分析了碳化硅晶须掺杂石墨阴极表面材料成分和微观形貌对其电子发射性能的影响机理.研究发现,碳化硅晶须的存在,不仅有利于阴极场发射的快速启动、发射微点数目增多,还有利于降低等离子体膨胀速度、抑制脉冲缩短现象,使得输出微波脉宽增大.随着脉冲发射数量增多,碳化硅晶须掺杂石墨阴极表面被等离子体不断"抛光",微凸起形状因子减小、均匀性提高,场发射启动速度减慢,但输出微波脉宽增大.     

170 GHz回旋管大束流双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

 基于绝热压缩原理和强流电子光学理论,设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪,经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31,横向速度零散度为3.5%,纵向速度零散度为6.1%,束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响,发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感:随着阴极磁场的增大,电子注的速度比减小,纵向速度零散度先增大后减小,横向速度零散度先减小后增大;阳极角越接近阴极倾角,纵向速度零散度越小;阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下,增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。     

光阴极电子枪中金属光阴极的热发射度研究

对光阴极电子注入器中金属光阴极的热发射度进行了理论研究.金属光阴极的热发射度由两部分构成.一方面对于理想平坦的阴极,光电子穿越表面势垒后有一定的残余动能,造成一定的热发射度,这部分前人已经做过一些理论研究.本文改进已有的模型,进一步给出了理想平坦光阴极的热发射度.另一方面,阴极表面的粗糙度将造成热发射度的增加,本文首次解析地分析了表面粗糙度对光阴极电子枪热发射度的影响,得到表面粗糙度造成的热发射度的估计公式.本文对金刚石车削后的铜、镁的表面形貌进行了测量,表明粗糙度造成的热发射度大约0.4mm·mrad.本文的热发射度理论能够较好的解释目前国际上铜、镁阴极的热发射度的测量结果.     

新型热阴极电子枪加热结构热分析

利用ANSYS和COMSOL仿真模拟软件,对热阴极电子枪的加热结构进行热分析,得到了阴极加热结构设计的一些规律,然后通过实验对一系列加热结构进行阴极温度测试,进一步验证模拟计算的结果,得到了一种加热效率比较高的结构。该结构在加热功率为100 W时,阴极温度超过了1 900 K,达到了铱铈阴极的工作温度。在阴极温度1 800 K左右,阴极表面引出电场强度为3.6×106V/m的条件下,该阴极的最大发射电流达到1.04 A,发射电流密度约13 A/cm2。     

离子推力器空心阴极热特性模拟分析

对离子推力器空心阴极进行了热分析。利用ANSYS有限元软件对阴极罩开启/闭合状态下的空心阴极热启动过程和达到稳态工作时温度场分布进行了模拟,结果表明稳态工作时空心阴极内部能量主要损耗在热阻丝和阴极顶部分,并且阴极罩及热屏是降低空心阴极温度损耗提高其热效率的关键部件,采用阴极罩及热屏后使得空心阴极的总体温度值提升了2.3%~13.2%,其中发射体温度提升2.3%~4.2%,热实验得出的实验数据与模拟结果基本一致,研究结果对空心阴极的优化设计提供参考。     

星载行波管高效率阴极热子组件优化设计

为减小X波段星载脉冲行波管的热子功率,对阴极热子组件结构进行了优化设计,利用ANSYS有限元软件对该阴极热子组件结构进行了热分析,得到结构的稳态温度场分布、阴极温度瞬态解以及加热功率与阴极温度的关系,并与实测结果进行对比,对比结果表明,阴极温度模拟与实验结果误差在1.3%以内,说明了所用模型和方法的可行性。在此基础上通过研究阴极支持筒不同开槽宽度、壁厚及材料下热子加热功率-阴极温度关系,对阴极支持筒进行了优化。模拟结果显示,优化后的阴极热子组件结构加热功率由8.2W降到6.7 W。     

低温下双温区多管道绝热支撑设计及数值模拟研究

本文以液氢温区下的双温区多管道为研究对象, 对其进行了热流分析, 建立了几何模型, 采用有限元方法进行了热-结构耦合分析求解, 分析了不同壁厚及不同支撑宽度下漏热、 应力及形变的变化规律. 研究结果表明: 壁厚减小时, 漏热值减少, 绝热支撑总体应力增加, 支撑形变增大; 宽度减小时,20 K 温区漏热量减少,80 K 温区漏热增加, 总漏热量减少, 支撑应力增大, 最大形变量增大. 最终, 针对某工程使用的双温区四管道, 拟合出了壁厚与漏热、 最大应力及最大形变量变化规律的曲线、 方程, 宽度与双温区漏热、 最大应力及最大形变量变化规律的曲线、 方程. 在应力、 漏热、 形变量均允许的情况下, 得出最薄壁厚可取到1 .576 mm; 在壁厚取为2 mm 时, 得出最小宽度可取为0.572 mm.     

行波管电子枪热分析与结构优化设计

利用ANSYS软件建立某Ka波段行波管2 mm阴极电子枪的有限元模型,并进行稳态及瞬态热分析,提取热流矢量图与温度分布图,得到阴极稳态时的温度分布及预热时间。对电子枪样品进行实验测试,得到的实测温度与模拟温度相差2%,因而在误差允许的范围内有限元方法是可行的。根据热流矢量图对热屏蔽筒进行结构优化,优化后,阴极温度比优化前提高了28 ℃,整枪最高温度提高了27 ℃,阴极预热时间缩短了40 s,缩短幅度达到33％。优化后的结构较大程度地提高了阴极的快启动性能,提升了行波管的快速反应能力。     

大功率半导体激光器阵列热串扰行为

以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时,阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低,有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变,发现随阵列填充因子的增加,器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低,而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感;保持阵列单个发光单元输出功率,发光单元尺寸及阵列宽度不变,增加发光单元个数后,阵列内各发光单元之间热串扰加剧,填充因子越高阵列升温速率越快;但在最初约70 s内,包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5 ℃,有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。     

真空罐内应用的太阳模拟灯阵热设计

为了解决太阳模拟灯阵整体放在真空罐内使用时的导热问题,采用热管导热的方案,设计了专门的氙灯导热机构。计算了液氮系统的导热能力,结果显示,真空罐液氮冷却系统的温度升高ΔT为2074 1 K,小于其过冷度4 K,表明真空罐液氮冷却系统完全可以将太阳模拟灯阵的热量导出。采用热管导热技术,设计了导热机构,用有限元分析法进行了热仿真分析,分析结果表明,氙灯阴阳极温度维持在100 ℃左右,氙灯灯泡维持在655 ℃左右,满足氙灯正常工作的温度条件;积分器和反射镜组件温度维持在200 ℃左右,椭球镜温度维持在135 ℃左右,亦满足正常工作的温度条件,从而验证了热设计的正确性。     

强流二极管阳极靶温度和热形变模拟

以电子束在靶中的能量沉积剖面为桥梁,建立了二极管阳极靶温度和热形变模拟方法。该方法可获知二极管不同工作状态下靶的温度分布和热形变情况,为靶热-力学损伤研究提供基础数据,为二极管构型设计和寿命提升提供技术支撑。将该方法应用于“强光一号”短γ二极管,计算结果显示:当阳极离子密度大于1014 cm?3时（强箍缩）,靶表面温度最高可达5500～6000 ℃,热形变量达约4.5 mm;无离子流时（弱箍缩）,温度处在4500 ℃左右,形变为2.8～3.5 mm。     

热处理对纳米金刚石涂层场发射性能的影响

用旋涂法在金属钛衬底上涂敷纳米金刚石,经过适当的热处理形成金刚石涂层与金属钛衬底的化学键合,即形成衬底与涂层之间的过渡层,从而为纳米金刚石颗粒提供电子,使其成为有效的发射体。用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射和拉曼散射等手段分析了温度对键合效果以及场发射性能的影响,温度过高或过低都不利于提高纳米金刚石涂层的场发射性能,只有在700℃左右对样品进行热处理,才能得到较好的键合状态。改变涂膜时旋涂的次数以获得不同涂层厚度的样品,对其在700℃的相同温度下进行热处理,发现涂层过厚或过薄都不利于样品发射性能的提高。旋涂9次并于700℃热处理的样品具有较好的场发射性能,其发射阈值场强可达4.6V/μm,而15.3V/μm场强下的电流密度为59.7μA/cm2。     

Er_2O_3薄膜型热辐射体的制备与性能研究

调制辐射体的可见和近红外区域的辐射光谱与光伏电池吸收光谱的匹配是开发高性能热光伏电池技术的关键.采用电子束蒸发在单晶硅衬底上制备金属Er薄膜并进行后氧化处理制备Er_2O_3薄膜型辐射体.X射线衍射结果表明薄膜结晶良好,且Si基底对Er_2O_3薄膜的晶体结构没有显著影响.X射线光电子能谱拟合结果表明薄膜中Er元素和O元素符合Er_2O_3的化学计量比.高温近红外光谱测试结果表明,样品在1550 nm左右出现了明显的Er~(3+)离子的特征辐射峰,这与GaSb光电池的吸收光谱相匹配.     

回旋行波管低加热功率阴极的研究

为降低回旋行波管阴极的加热功率,采用支持筒切缝和支持筒外加热屏的阴极结构,运用ANSYS有限元软件对该结构的切缝数目和切缝深度进行优化计算,并分析切缝和加热屏对阴极发射带温度分布的影响;给出了阴极发射带温度和切缝数目、切缝深度的关系。在发射带同等温度条件下,对比优化结构和原结构的加热功率。结果表明,改进后的结构使得加热功率下降了约40%, 大大降低了阴极的加热功率,为高性能回旋行波管热阴极的研制提供了一定的参考。