G波段行波管电子枪设计与实验

李莹，边兴旺，张琳，宋博文，潘攀，蔡军; LI Ying; BIAN Xingwang; ZHANG Lin; SONG Bowen; PAN Pan; CAI Jun

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李莹
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边兴旺
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张琳
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宋博文
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潘攀
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蔡军

中国电子科技集团公司第十二研究所微波电真空器件国家级重点实验室，北京 100015

中图分类号： TN124

最近更新：2023-07-27

DOI：10.11805/TKYDA2021433

摘要

设计了用于G波段行波管的聚焦极调制皮尔斯电子枪，电子注电压20 kV，电流50.9 mA，注腰半径0.056 mm，射程10.3 mm。利用热-结构耦合分析和电子注轨迹仿真方法，分析了热形变对电子枪性能造成的显著影响。为了消除电子枪热形变的影响，设计了装配模具进行补偿，并得到了实验验证。该电子枪已用于多种G波段行波管，解决了关键部件技术问题。

关键词

G波段行波管; 电子枪; 热形变

太赫兹(0.1~10 THz)频谱资源丰富，在高分辨力实时成像、抗干扰保密通信以及高速高数据率传输等方面具有重要的应用前景^[

1-2]。太赫兹行波管由于具备功率容量和带宽优势，已成为国内外真空电子器件领域研究的热点。目前国内外研制的太赫兹行波管主要工作在220 GHz、233 GHz、337 GHz、670 GHz、850 GHz、1.03 THz等频段^{[参考文献 3-11}3-11]。电子枪作为行波管的主要部件之一，其性能直接影响太赫兹行波管的功率、增益、工作比、效率等指标^{[参考文献 12

百度学术}12]。随着频率的升高，太赫兹行波管的电子注和电子枪的电极等尺寸减小至亚毫米甚至更低量级^{[参考文献 13

百度学术}13]，微细传输通道与高电流密度电子注之间的矛盾为电子枪的设计带来挑战，并且电子枪性能受电极尺寸变化的影响更加敏感，关键尺寸误差需要控制在微米量级，对电子枪的加工和组装提出了更严苛的要求。

此外，太赫兹行波管电子枪的热形变量会直接影响电子枪性能。文献[

14]在行波管电子枪热分析中发现热形变对注腰半径和面积压缩比影响较大；文献[15]研究了220 GHz行波管电子枪的各结构参数在热形变前后的对应关系，发现热形变后电极间距最大变化量为0.08 mm。

本文针对G波段(140~220 GHz)太赫兹行波管的电子枪进行了设计与实验研究，分析了电子枪的热形变问题，设计了电子枪装配模具对热形变量进行补偿，通过实验证实了补偿效果，实现了电子枪的设计指标。

1 电子枪设计

根据文献[

16]研制的G波段行波管，电子枪的设计目标为：阴极电压20 kV，电子注电流50 mA，注腰半径约0.06 mm，射程大于10 mm。设计采用图1所示的聚焦极调制的皮尔斯电子枪，采用M型热扩散阴极^{[参考文献 17

百度学术}17]，设计发射电流密度约5 A/cm²，阴极半径r_k为0.58 mm。通过Vaughan理论^{[参考文献 17

百度学术}17]计算方法迭代得到阴极面收敛角θ＝3.75°，再以此计算出阴极曲率半径R_k、阳极曲率半径R_a、阳极孔半径r_a、阳极相对阴极距离Z_ak、射程Z_w以及注腰半径r_w的初始值。

图1 皮尔斯电子枪示意图^[

17]

Fig.1 Geometry of Pierce gun

为了提高聚焦极的加工精确度与组装精确度，将图1的皮尔斯枪中聚焦极的典型斜面结构改成平直面结构，聚焦极孔半径为r_g；为了调节电子注电流的大小，设计采用双阳极结构，如图2所示。采用三维电磁仿真软件(Computer Simulation Technology，CST)^[

18]粒子追踪模块建模，将阴极、聚焦极、阳极材料设置为理想电导体(Perfect Electronic Conductor，PEC)并施加电压；根据工况设置open边界条件；对各电极尺寸以及电极间距进行优化，得到最终的设计方案如表1所示。分析了各尺寸参数对电子注电流、注腰半径和射程的影响，以偏离设计目标5%为各尺寸的容差值，结果如表1所示。图3为电子枪电位分布图，其中阴极电压-20 kV，聚焦极偏压-25 V，双阳极电压均为0 V，可以看到在阴极表面附近，电位分布形状与球形二极管较一致，由阳极膜孔导致的等位面畸变效应被有效地限制在阳极孔附近较小范围内。模拟结果为电子注电流50.9 mA，注腰半径0.056 mm，射程10.3 mm，压缩比82.5。

图2 电子枪物理结构

Fig.2 Physical structure of the electron gun

表1 电子枪设计方案(mm)

Table1 Parameters of the electron gun ( mm )

item	r_k	r_g	r_a	Z_gk(Fig.11)	Z_ak
value	0.58	0.80	0.32	0.30	6.0
tolerance	0.01	0.02	0.01	0.01	0.1

图3 电位分布图

Fig.3 Potential distribution profile

采用高导磁的铁镍钴磁封合金作为枪壳材料，既可实现阴极区的磁屏蔽，又保证了枪壳与陶瓷结构的可靠封接，图4为太赫兹行波管轴线上的磁场强度分布模拟结果，其中周期永磁聚焦系统磁场峰值为0.6 T，阴极表面磁场强度低于0.000 1 T，表明电子枪起到了磁屏蔽的效果。聚焦极和阳极选用高熔点、高强度、低蒸汽压的钼材料，提高真空间隙耐压^[

19]。阴极组件采用双层薄壁热屏蔽筒结构支撑，可降低阴极组件与外部零件之间的导热率，提高热丝加热效率。

图4 轴向磁场强度分布

Fig.4 Distribution of axial magnetic field

除了电子枪的电性能设计外，还需要重点关注阴极的温度和电子枪的热形变，以下针对这2点展开探讨。

2 电子枪温度分析

图5为热阴极温度与阴极发射电流的关系曲线(Miram曲线)图^[

20]。随温度增加，热阴极发射特性分为温度限制区和空间电荷限制区。太赫兹行波管电子枪的阴极工作在空间电荷限制区，设计工作温度约为1 050 ℃，位于“拐点”后。由于阴极温度显著影响其发射电流的大小，因此采用有限元数值模拟和实验方法进行验证。

图5 热阴极发射电流曲线

Fig.5 Emitted current curve of thermal cathode

采用Ansys^[

21]稳态热模块模拟电子枪的温度分布。依据传热学基本原理，热量传递方式包括热对流、热传导、热辐射3种，相应的有限元控制方程为^{[参考文献 22

百度学术}22]：

[M] \{x\} + [C] \{x\} + [R] \{x\} = \{b\}

(1)

式中：M为热对流矩阵；C为导热矩阵；R为热辐射矩阵；x为法向温度矢量；b为热载荷矢量。

对于实际工况下的电子枪，以上3种传热方式均存在，据此设置相应的换热边界条件：枪壳外表面设置与空气的自然对流换热；零件焊接区域通过设置绑定接触和热阻实现热传导；电子枪内部为高真空环境，热辐射作用显著，内部零件间设置辐射换热。相应参数设置如表2所示。

表2 热边界条件设置

Table2 Thermal boundary conditions

parameter	value
convection coefficient/(W·m^-2·K^-1)	10.0
contact conductance(metal-metal)/(10⁴ W·m^-2·K^-1)	8.0
contact conductance(metal-ceramic)/(10⁴ W·m^-2·K^-1)	3.0
radiation emissivity(metal)	0.2
radiation emissivity(cathod)	0.8

由于电子枪的热屏蔽筒厚度仅为0.02 mm，对其采用壳单元进行划分保证网格质量，其余零件采用实体单元四面体网格划分，网格最大尺寸0.6 mm，最小为0.1 mm，保证最小尺寸方向至少包含2层网格单元。模型整体网格单元质量为0.85。模拟了不同热丝功率下的阴极温度，结果如图6所示。

图6 阴极表面温度模拟值与实验值对比

Fig.6 Comparison of cathode surface temperatures

between simulation and test

装配电子枪样品并进行阴极温度实验。实验中对电子枪组件单独排气，保持内部高真空环境；调整热丝电压和电流，使阴极工作在不同温度。采用红外测温仪对阴极表面温度进行监测，得到热丝功率与阴极表面温度之间的对应关系如图6所示。实验结果显示，当热丝功率为3.8 W时，电子枪阴极表面温度达到了工作点1 050 ℃，相应的模拟温度为1 055 ℃，模拟值在实验误差线范围内，验证了模拟结果的准确性。曲线两端最大误差为6.7%，产生的主要原因是模拟中设置的导热系数以及热辐射系数等参考温度均为1 000 ℃，忽略了参数随温度的非线性变化影响。

图7为工况下电子枪的模拟温度分布云图，可以看到，阴极表面温度为1 055 ℃时，聚焦极表面温度为53 ℃，阳极表面温度44 ℃，枪壳外表面最低温度仅40 ℃，双层热屏结构热阻作用显著，有效抑制了热量散失。

图7 工况下电子枪的温度分布云图

Fig.7 Temperature distribution of electron gun

3 电子枪热形变分析

零件在热载荷作用下会产生形变，由于温度场的不均匀性以及各零件材料热膨胀系数不同，工况下电子枪内部电极尺寸和极间距变化难以解析^[

23]，因此采用有限元模拟分析。将热仿真结果作为载荷传递给Ansys结构模块进行耦合，将枪壳端面设置为无摩擦支撑约束边界条件。

当阴极表面温度在工作点1 050 ℃时，热形变矢量云图如图8所示。可以看出，热形变主要发生在温度较高的屏蔽筒以内区域，阴极表面形变量最大，约为0.07 mm。

图8 工况下电子枪的热形变矢量云图

Fig.8 Vector graph of thermal deformation of electron gun

图9为电子枪径向热形变云图，从图中可以看出，热载荷下阴极半径r_c增大了3.4 μm，聚集极孔半径r_g和阳极孔半径r_a分别增大了1.4 μm和1.3 μm。与设计方案相比，电极尺寸变化均在表1公差允许范围内。图10为电子枪轴向热形变云图，从图中可以看出，工况下阴极表面的轴向热形变量为0.07 mm，阳极和聚焦极则分别为2.9 μm和1.4 μm。与设计方案相比，阳极相对阴极的距离Z_ak变化量在表1公差允许范围内，而聚焦极相对于阴极距离Z_gk(图11所示)的变化量(|ΔZ_gk|=0.07 mm)则超出了表1公差范围。

图9 工况下电子枪的径向热形变

Fig.9 Radial thermal deformation of electron gun

图10 工况下电子枪的轴向热形变

Fig.10 Axial thermal deformation of electron gun

采用CST粒子追踪求解器模拟，表3、图11为不考虑热形变与考虑热形变2种情况下的电子枪性能对比。可以看出，考虑热形变后，电流设计值由50.9 mA增大到70 mA，注腰半径设计值由0.056 mm增大到0.098 mm，射程设计值由10.3 mm增大到14.8 mm，偏差分别高达38%、75%、44%。

表3 电子枪发射结果

Table3 Emission results of the electron gun

Z_gk	I/mA	r_w/mm	Z_w/mm
designed value	50.9	0.056	10.3
with ΔZ_gk	70.0	0.098	14.8

图11 电子枪发射情况对比

Fig.11 Contrast of the electron gun emission performance

为消除电子枪热形变的影响，设计了电子枪装配模具，将阴极和聚焦极的装配距离设计为2.93 mm，从而对ΔZ_gk进行补偿。图12为采用该模具装配的电子枪。图13为不同聚焦极偏压和阳极电压下的发射电流的模拟结果与实验结果。由图13(a)可以看到，随着聚焦极负偏压增大，电子枪发射电流逐步降低，测试值与设计值符合良好，最大误差为2.7%。在聚焦极工作偏压-25 V下，误差为1.4%。由图13(b)可以看到，随着阳极电压的增大，电子枪发射电流逐步增大，测试值与设计值符合良好，最大误差为5%。在阳极工作电压20 kV下，误差为1.3%。

图12 电子枪

Fig.12 Electron gun

图13 电子枪发射性能

Fig.13 Emission performance of the electron gun

该电子枪已用于G波段20 W连续波行波管中，在20 kV工作电压下的发射电流为50 mA，电子注流通率达到95%^[

16]。该电子枪还用于G波段50 W脉冲行波管中，在24.25 kV电压下的发射电流为59 mA，达到该行波管的指标要求^{[参考文献 24

百度学术}24]。

4 结论

本文设计了用于G波段行波管的电子枪，电子注电压20 kV，电流50.9 mA，注腰半径0.056 mm，射程10.3 mm。仿真结果表明，电子枪的热形变造成阴极和聚焦极轴向间距减小0.07 mm，造成总电流、注腰半径、射程值分别增大了38%、75%、44%，偏离了设计目标。为了消除电子枪热形变的影响，设计了装配模具进行补偿，并得到了实验验证。该电子枪已用于G波段20 W连续波行波管、G波段50 W脉冲行波管中，解决了G波段行波管的关键部件技术问题。

参考文献

STEPHENSET G L,VANE D G,RBOAIN O J,et al. The CloudSat mission and the A-train:a new dimension of space-based observations of clouds and precipitation[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2002,83(12):1771-1790. [百度学术]

NANNI E A,BARNES A B,GRIFFIN R G,et al. THz dynamic nuclear polarization NMR[J]. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2011,1(1):145-163. [百度学术]

BASTEN M A,TUCEK J C,GALLAGHER D A,et al. 233 GHz high power amplifier development at Northrop Grumman[C]// 2016 IEEE International Vacuum Electronics Conference(IVEC). Monterey,CA,USA:IEEE, 2016:1-2. [百度学术]

TUCEK J C,BASTEN M A,GALLAGHER D A,et al. A 100 mW,0.670 THz power module[C]// IEEE International Vacuum Electronics Conference. Monterey,CA,USA:IEEE, 2012:31-32. [百度学术]

TUCEK J C,BASTEN M A,GALLAGHER D A,et al. 0.850 THz vacuum electronic power amplifier[C]// IEEE International Vacuum Electronics Conference. Monterey,CA,USA:IEEE, 2014:153-154. [百度学术]

TUCEK J C,BASTEN M A,GALLAGHER D A,et al. Operation of a compact 1.03 THz power amplifier[C]// 2016 IEEE International Vacuum Electronics Conference(IVEC). Monterey,CA,USA:IEEE, 2016:37-38. [百度学术]

JOYE C D,COOK A M,CALAME J P,et al. Demonstration of a high power,wideband 220 GHz traveling wave amplifier fabricated by UV-LIGA[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2014,61(6):1672-1678. [百度学术]

ARMSTRONG C M,KOWALCZYK R,ZUBYK A,et al. A compact extremely high frequency MPM power amplifier[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2018,65(6):2183-2188. [百度学术]

LEI Wenqiang,JIANG Yi,SONG Rui,et al. Progress of G-band CW transformed folded waveguide TWT[C]// 2021 IEEE International Vacuum Electronics Conference(IVEC). Rotterdam,Netherlands:IEEE, 2021:1-3. [百度学术]

HU Peng,LEI Wenqiang,JIANG Yi,et al. Demonstration of a Watt-level traveling wave tube amplifier operating above 0.3 THz[J]. IEEE Electron Devices Letters, 2019,40(6):973-976. [百度学术]

LEI Wenqiang,HUANG Yinhu,HU Peng,et al. Progress of G-band folded waveguide traveling wave tube[C]// 2018 IEEE International Vacuum Electronics Conference(IVEC). Monterey,CA,USA:IEEE, 2018:257-258. [百度学术]

王文祥. 微波工程技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2009. [百度学术]

WANG Wenxiang. Microwave Engineering Technology[M]. Beijing:National Defense Industry Press, 2009. [百度学术]

张芳,董志伟,周泉丰,等. 0.345 THz微电真空FWG-TWT的电子光学系统[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2015,13(6):864-869. [百度学术]

ZHANG Fang,DONG Zhiwei,ZHOU Quanfeng,et al. Optics system of 0.345 THz micro-electronic vacuum FWG-TWT[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2015,13(6):864-869. [百度学术]

姚列明. 微波管的热分析[D]. 成都:电子科技大学, 2006. [百度学术]

YAO Lieming. Thermal analysis of microwave tube[D]. Chengdu,China:University of Electronic Science and Technology of China, 2006. [百度学术]

OU Yue,LIU Wenxin,ZHAO Kedong,et al. Optimum design of electron gun for 0.22 THz traveling wave tubes[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, 2021,70(1):307-314. [百度学术]

PAN Pan,TANG Ye,BIAN Xingwang,et al. A G-band traveling wave tube with 20 W continuous wave output power[J]. IEEE Electron Device Letters, 2020,41(12):1833-1836. [百度学术]

GILMOUR A S. Principles of traveling wave tubes[M]. Boston:Artech House, 1994. [百度学术]

张敏. CST微波工作室用户全书[M]. 成都:电子科技大学出版社, 2004. [百度学术]

ZHANG Min. CST microwave studio suite[M].Chengdu,China:University of Electronic Science and Technology of China Press, 2004. [百度学术]

丁耀根. 大功率速调管的设计制造和应用[M]. 北京:国防工业出版社, 2010. [百度学术]

DING Yaogen. Design,manufacture and application of high power klystron[M]. Beijing,China:National Defense Industry Press, 2010. [百度学术]

GILMOUR A S,KLYSTRONG J R. Traveling wave tubes,magnetrons,crossed-field amplifiers,and gyrotrons[M]. Beijing,China:National Defense Industry Press, 2012. [百度学术]

ZIENKIEWICZ O C,TAYLOR R L,ZHU J Z. The finite element method:its basis and fundamentals[M]. London,UK:Butterworth-Heinemann, 2005. [百度学术]

XU Li,XIE Peng,YANG Siyi,et al. Accurate and fast thermal analysis of multistage depressed collectors for traveling wave tubes using finite-element method[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2020,67(2):690-696. [百度学术]

张勇,何小琦,宋芳芳. 行波管可靠性研究探讨[J]. 电子质量, 2008(6):65-69. [百度学术]

ZHANG Yong,He Xiaoqi,SONG Fangfang. The research of Traveling Wave Tube[J]. Electronics Quality, 2008(6):65-69. [百度学术]

BIAN Xingwang,PAN Pan,TANG Ye,et al. Demonstration of a pulsed G band 50 W traveling wave tube[J]. IEEE Electron Device Letters, 2021,42(2):248-251. [百度学术]