[发明专利]基于多物理场协同仿真确定电子枪栅网装配间距的方法

说明书

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。

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。