500 kW 四極電子管柵極組件熱分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化?

趙亞琦 張 瑞? 王 勇 楊修東

(1.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，高功率微波源與技術(shù)重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 100049)

射頻四級場加速器是一種新型強流低能離子直線加速結(jié)構(gòu)，它是20 世紀80 年代后在國際上迅速發(fā)展起來的一種新型直線加速器[1]。RFQ 加速器能夠產(chǎn)生高強度的中子流，直接加速低能粒子，既可以在重離子加速上使用，又可以在強流輕離子的加速上使用，具有束流強、傳輸效率高等優(yōu)點，得益于RFQ 的優(yōu)點，加速器的技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[2]。在國際上，RFQ 加速器被應(yīng)用于基本粒子物理、強中子源、加速器驅(qū)動系統(tǒng)、醫(yī)學治療、材料研究、離子束應(yīng)用等領(lǐng)域；在國內(nèi)，RFQ 加速器則被應(yīng)用于國內(nèi)的散裂中子源項目等大科學裝置[3]。中國散裂中子源采用質(zhì)子直線加速器與快循環(huán)同步加速器方案。強流質(zhì)子直線加速器由頻率324 MHz，脈沖功率2.5 MW、脈沖寬度600 μs 的長脈沖速調(diào)管驅(qū)動[4]，中國散裂中子源的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中國散裂中子源結(jié)構(gòu)示意圖

加速器射頻功率源共有三種選擇:速調(diào)管、固態(tài)射頻放大器和四極電子管(以下簡稱:四極管)。目前，散裂中子源加速器主要以P 波段大功率速調(diào)管作為射頻功率源，盡管速調(diào)管符合散裂中子源各種類型加速器的性能要求，也能夠長期可靠運行，但是工作電壓比較高，如峰值功率5 MW 的P 波段速調(diào)管TH2168，電子注電壓為140 kV，體積和重量相對都比較大、高頻系統(tǒng)的制造成本也偏高[5－6]。而固態(tài)射頻放大器的輸出功率有限，無法完全替代速調(diào)管，因此中國散裂中子源加速器急需要體積小、重量輕、工作電壓低的、能夠替代速調(diào)管的微波器件。相對于速調(diào)管和固態(tài)射頻放大器，四極管具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、電穩(wěn)定性好、高效率等優(yōu)點，在系統(tǒng)性能和質(zhì)量可靠性上能完全替代速調(diào)管，這也是國內(nèi)首次將四極管用于散裂中子源結(jié)構(gòu)中，在很大程度上有助于解決當前我國加速器射頻功率源單一選擇的難題，是具有重大發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景優(yōu)越的功率源[7]。

1 四極管熱分析研究

1.1 三維結(jié)構(gòu)模型的建立

從內(nèi)至外，四極管結(jié)構(gòu)由陰極、控制柵極、抑制柵極和陽極組成，各組件分布在不同的同心圓軌道上。其中陰極采用直列籠型結(jié)構(gòu)，在彈簧的牽引下，懸掛在控制柵極的中心區(qū)域；控制柵極固定在底座上，是由銅基座和平行排列的柵絲網(wǎng)組成，可以控制陰極電流的大?。灰种茤艠O在控制柵極的外圍，由兩個側(cè)面翼片、銅基座和平行排列的柵絲網(wǎng)組成，能夠抑制二次電子的轉(zhuǎn)移，可以起到改善電流分配的效果。柵極作為四極管的核心部件，采用雙柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，起到改善陰極性能、減小柵極功率耗散和提高四極管輸出性能的作用。與傳統(tǒng)的速調(diào)管對比，采用柵絲網(wǎng)對陰極電流進行調(diào)制，就擁有較小的截止電壓，可以減少響應(yīng)時間[8]。相比于其他電極組件，柵極組件的柵絲網(wǎng)就比較脆弱，單個柵絲的直徑為0.8 mm，總長為2 mm，因此需要得到足夠的重視，以確保柵極的性能可以正常發(fā)揮。

鑒于四極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于對稱型的設(shè)計理念，并考慮到四極管內(nèi)部組件較為精密，所以將四極管內(nèi)部復雜的結(jié)構(gòu)進行簡化處理，將整體組件均勻劃分為40 個單元，僅選取一個單元作為簡化模型進行仿真實驗，為防止劃分網(wǎng)格出現(xiàn)計算精度下降的問題，選取10 節(jié)點四面體的SOLID87 單元作為仿真單元[9]，四極管簡化后的三維立體模型如圖2 所示。

圖2 四極管的三維立體模型

1.2 熱載荷和參數(shù)的設(shè)置

傳熱方式主要包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式。鑒于四極管內(nèi)部屬于真空環(huán)境，熱對流的傳熱方式可以忽略不計，只需要考慮兩種傳熱方式，即熱輻射和熱傳導。選擇有限元軟件ANSYS 的穩(wěn)態(tài)熱分析(Steady-State Thermal)模塊進行仿真實驗。在結(jié)構(gòu)模型中，陰極為熱源，表面覆蓋的材料為鎳。控制網(wǎng)和抑制網(wǎng)均由兩種金屬材料組成，其中柵絲材料為鎢，其余部分為銅，材料屬性的具體參數(shù)見表1。根據(jù)表中的材料數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)進行了設(shè)置。假設(shè)外部環(huán)境溫度為20 ℃，以熱流heat flow 的形式在陰極上施加6 W 的能量[10]。

表1 主要材料特性參數(shù)

1.3 熱載荷和參數(shù)的設(shè)置

在完成參數(shù)設(shè)置等操作后，進行熱分析仿真實驗，得到結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖3 所示。從圖中可以得出，陰極溫度是各組件中最高的，最高處的溫度為706.9 ℃，溫度從陰極中心向四周逐漸下降，最外層的抑制柵極的溫度最低，最低為286.51 ℃。溫度的分布與電子軌跡模型圖相吻合:電子從作為熱源的陰極發(fā)射出去，穿過雙柵結(jié)構(gòu)，最后被陽極收集，電子的運動軌跡代表了熱量傳播的途徑[11]。

圖3 四極管關(guān)鍵電極的溫度分布

2 抑制柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化分析

2.1 抑制柵極優(yōu)化分析

參考各微波器件的散熱形式與散熱效果[12－14]，在不改動陰極發(fā)射效果的情況下，選擇從柵極出發(fā)，通過分析抑制柵極的特性和結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)可以從優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善散熱結(jié)構(gòu)，提高抑制柵極的散熱能力[15]。抑制柵極由兩側(cè)的翼片與無氧銅基座連接，柵極熱量經(jīng)過翼片以熱傳導的形式傳至基座上，而基座的熱量則由基座內(nèi)的冷卻通道，通過水循環(huán)將熱量帶到外界。在現(xiàn)有加工工藝的基礎(chǔ)上，通過改變抑制柵極散熱翼片的開合角度來改善柵極的散熱效果，以及改變散熱翼片與柵極的接觸面積大小，即散熱翼片的高度和厚度，來改善柵極的散熱效果。

2.2 抑制柵極優(yōu)化分析

在保持四極管各組件其他條件不變的前提下，通過改變散熱翼片的開合角度，實現(xiàn)散熱效果的優(yōu)化。分別從不開合(即開合角度為0°)開始進行，每次按照增加1°的尺度來增加，到最大開合限度的4.5°，仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。通過圖中可知，在翼片初始狀態(tài)時，抑制柵極的最高溫度289.29 ℃；在開合角度從零逐漸變大時，抑制柵極的最高溫度也逐漸下降。

圖4 兩個不同開合角度的抑制柵散熱翼片溫度分布

圖5 抑制柵極散熱翼片不同開合角度的溫度分布

除了改變翼片的開合角度，還可以改變散熱翼片與銅基座接觸面積的大小。在不改變其他結(jié)構(gòu)尺度的前提下，通過改變翼片的高度和寬度來改善散熱效果。柵極高度從初始的34 mm 開始進行實驗，翼片向上延長，將高度增加3.53 mm，至長度極限值37.53 mm，即與柵極的簾板上端面平齊，其仿真實驗結(jié)果如圖6 所示。從圖中可知，從初始狀態(tài)時的柵極高度增加到最大限度時，柵極的最高溫度也逐漸降低，抑制柵極的最高溫度從289.29 ℃降低到284.69 ℃。

圖6 抑制柵極散熱翼片不同長度的溫度分布

柵極的寬度從初始的0 mm 增加到0.2 mm 時，其仿真實驗結(jié)果如圖7 所示。從圖中可知，從初始狀態(tài)開始，伴隨著柵極長度增加，其最高溫度稍有增加。鑒于在沒有外部循環(huán)水冷卻的條件下，隨著翼片的寬度增加，致使熱量聚集而不利于散熱，但在外部水循環(huán)的散熱作用下，隨著翼片寬帶越寬，翼片與柵極基座的接觸面積越大，帶走的熱量也就越多，散熱效果越明顯。

圖7 抑制柵極散熱翼片不同厚度的溫度分布

為了進一步驗證，將以上的優(yōu)化措施進行整合。在不改變其他組件的前提下，翼片角度增加4.5°的同時，又增加翼片高度，進行穩(wěn)態(tài)熱分析計算，仿真結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，隨著抑制柵極的散熱翼片開合角度增大、柵極的高度增加，會明顯提高抑制柵極的散熱能力，從而達到預(yù)期的優(yōu)化效果。

圖8 優(yōu)化設(shè)計后抑制柵極的溫度分布

通過熱－結(jié)構(gòu)耦合仿真實驗，來驗證抑制柵極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施的可行性。將穩(wěn)態(tài)熱分析模塊與力學結(jié)構(gòu)分析模塊結(jié)合，設(shè)置力學約束條件:通過彈性力來約束陰極，由彈簧約束(Weak Springs)固定陰極的上下兩個端面；由于控制柵極與托盤底座相連接，只需要選擇固定約束(Fixed-Support)來約束控制柵極；抑制柵極通過翼片與無氧銅基座相連，需要通過固定約束來約束翼片的兩個側(cè)面，以及柵極簾板的下端部分區(qū)域。經(jīng)過上述條件的約束，可以得到熱形變分布如圖9 所示。可知，抑制柵極最大形變量為在0.108 mm，發(fā)生在x方向上和y方向上的熱形變量是在結(jié)構(gòu)尺度變化的允許范圍內(nèi)[16]。

圖9 四極管熱形變分布

3 結(jié)論

本文通過有限元軟件ANSYS，對500 kW 四極管進行了熱分析仿真實驗。根據(jù)抑制柵極的特性分析，對柵極組件進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過散熱翼片的優(yōu)化設(shè)計，包括增大翼片的開合角度以及增加翼片與無氧銅基座的接觸面積，改善了散熱效果。結(jié)果表明，抑制柵極的最高溫度從289.29 ℃下降到了268.21 ℃。而且，熱－結(jié)構(gòu)耦合分析，驗證了柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。通過對抑制柵極的設(shè)計優(yōu)化以及熱分析，可以為四極管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱設(shè)計提供理論和技術(shù)支撐。