本文利用ANSYS軟件對空間行波管的電子槍進行了穩態熱分析，得到了電子槍陰極溫度隨燈絲功率的變化結果，計算結果與試驗結果一致，驗證了ANSYS熱分析的正確性。在此基礎上分析了陰極的熱形變對電子槍性能參數的影響，同時模擬了電子槍中陰極的冷啟動情況，得出陰極在-35℃條件下，在210s內陰極溫度可以達到正常工作溫度980℃。

　　電子槍是行波管的重要部件，內置的發熱燈絲發熱使熱量傳遞到陰極上，使陰極材料上的電子獲得足夠的能量并發射。陰極表面溫度場的分布和陰極的工作溫度是電子槍設計的重要參數，陰極的溫度對陰極工作的可靠性和穩定性的影響是極大的。

　　本文建立了某行波管電子槍的三維有限元模型，考慮整個模型的熱傳導和熱輻射傳熱方式，對電子槍進行了穩態熱分析，并與試驗結果進行對比，兩者結果比較一致。確定了電子槍組件熱分析中輻射邊界條件和高溫區零部件之間的接觸熱阻，驗證了ANSYS軟件計算的正確性。并在此基礎上對電子槍陰極進行了熱形變分析和冷啟動瞬態熱分析，分析了陰極的熱形變軸向位移變化對電子槍導流系數和注腰位置等參數的影響，以及電子槍組件中陰極在-35℃冷啟動條件下的工作情況，保證了陰極在低溫環境下的可靠性。

1、電子槍的熱分析

　　1.1、電子槍穩態熱分析

　　電子槍組件的結構比較復雜，但是各個零件都是圓柱型對稱結構，為了計算的準確性和合理性，按照電子槍圖1所示的電子槍部件圖建立了電子槍的三維有限元模型，如圖2所示，網格劃分大部分采用六面體網格，對于陰極這個關鍵零件，在陰極發射面中心的網格劃分的單元越細密。

表1　電子槍中主要材料的熱參數

　　行波管屬真空大功率器件，為了實現和維持最低限度真空度要求，需選用低蒸發速率的材料;為了實現大功率輸出和高散熱能力，需選用高導熱能力和耐高溫的材料。一般來說，在一定溫度下，管內材料蒸發速率低于10-7　g/cm2·s時是穩定可靠的，行波管電子槍結構的主要材料導熱性能詳如表1所示。

圖1　溫度試驗的電子槍部件圖

圖2　電子槍的穩態熱分析有限元模型

　　分析中熱源為電子槍中的燈絲，通過測得的燈絲工作電壓和電流，轉換為熱功率，燈絲熱載荷以體生成熱的方式加載到燈絲模型中，即燈絲體生成熱=燈絲功率/燈絲體積=燈絲電壓×燈絲電流，整個電子槍以熱傳導散熱方式為主，根據電子槍溫度試驗的環境條件設置外邊界條件為自然的空氣對流，電子槍的初始溫度和工作時的外部溫度均為24℃，整個電子槍組件內部封閉在一個真空環境下，模擬中主要考慮了內部陰極與聚焦極之間的熱輻射，采用ANSYS軟件中的面面輻射計算方法，利用ANSYS軟件對電子槍進行穩態熱分析，得到了圖3所示的陰極基體的表面中心溫度分布示意圖，其中燈絲加載功率為5.36W 時，陰極發射表面中心溫度模擬計算結果為1165.9℃，陰極發射表面邊緣溫度最低溫度為1165.4℃。

　　利用上面的方法分別仿真了陰極在不同燈絲熱功率下的熱狀態，得到了不同功率下陰極發射表面中心的溫度，圖4中給出了不同功率下電子槍中陰極發射表面中心溫度的計算數據曲線圖。

圖3　陰極溫度分布圖

4、結論

　　(1)本文建立了某行波管電子槍溫度試驗部件的熱分析有限元模型，利用ANSYS軟件對其進行了穩態熱分析，得出了陰極表面中心隨燈絲功率的變化情況，并且與溫度試驗結果進行了比較，兩個結果吻合的較好，從而說明了ANSYS軟件計算方法的正確性，為電子槍陰極的熱可靠性提供參考數據。

　　(2)本文分析了電子槍陰極熱形變對電子槍性能的影響，陰極的熱形變將影響電子注的電流、導流系數、電子注的注腰位置、電子注的注腰半徑、電子注的包絡，從而影響電子注的流通率和互作用的效率。這些分析的結果可以對行波管設計人員提供設計參考性依據，使得設計人員在設計電子槍時應將陰極的這個熱型變量預先考慮，從而減少電子槍的設計周期和提高電子槍的性能。

　　(3)在電子槍冷啟動熱分析中，得到了陰極在-35℃冷啟動的工作情況，電子槍從啟功到正常工作狀態，溫度平衡時間在210s左右，即燈絲預熱3.5min以內就陰極工作溫度可以達到980℃，從而進行工作，符合空間行波管在熱真空高低溫循環試驗中陰極冷啟動的工作狀態，保證了電子槍陰極的可靠性。

　　(4)通過對空間行波管電子槍的熱分析，陰極熱形變分析和冷啟動分析，得到了計算電子槍熱性能方面的有效方法，可以為其他行波管的電子槍熱性能研究打下基礎，為行波管電子槍熱可靠性提供了有效的參考依據。