趙亞琦 張 瑞? 王 勇 楊修東

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，高功率微波源與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

射頻四級(jí)場(chǎng)加速器是一種新型強(qiáng)流低能離子直線加速結(jié)構(gòu)，它是20 世紀(jì)80 年代后在國(guó)際上迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型直線加速器[1]。RFQ 加速器能夠產(chǎn)生高強(qiáng)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(qiáng)流輕離子的加速上使用，具有束流強(qiáng)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，得益于RFQ 的優(yōu)點(diǎn)，加速器的技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]。在國(guó)際上，RFQ 加速器被應(yīng)用于基本粒子物理、強(qiáng)中子源、加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)治療、材料研究、離子束應(yīng)用等領(lǐng)域；在國(guó)內(nèi)，RFQ 加速器則被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的散裂中子源項(xiàng)目等大科學(xué)裝置[3]。中國(guó)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(qiáng)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(zhǎng)脈沖速調(diào)管驅(qū)動(dòng)[4]，中國(guó)散裂中子源的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中國(guó)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(jiǎn)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(zhǎng)期可靠運(yùn)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(duì)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(wú)法完全替代速調(diào)管，因此中國(guó)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(duì)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(diǎn)，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(guó)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(dāng)前我國(guó)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(yáng)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??；抑制柵極在控制柵極的外圍，由兩個(gè)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(jì)，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(duì)比，采用柵絲網(wǎng)對(duì)陰極電流進(jìn)行調(diào)制，就擁有較小的截止電壓，可以減少響應(yīng)時(shí)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(gè)柵絲的直徑為0.8 mm，總長(zhǎng)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(duì)稱型的設(shè)計(jì)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將整體組件均勻劃分為40 個(gè)單元，僅選取一個(gè)單元作為簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，為防止劃分網(wǎng)格出現(xiàn)計(jì)算精度下降的問(wèn)題，選取10 節(jié)點(diǎn)四面體的SOLID87 單元作為仿真單元[9]，四極管簡(jiǎn)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(dǎo)、熱對(duì)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(duì)流的傳熱方式可以忽略不計(jì)，只需要考慮兩種傳熱方式，即熱輻射和熱傳導(dǎo)。選擇有限元軟件ANSYS 的穩(wěn)態(tài)熱分析(Steady-State Thermal)模塊進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。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(jiàn)表1。根據(jù)表中的材料數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)進(jìn)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(jìn)行熱分析仿真實(shí)驗(yàn)，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(guò)雙柵結(jié)構(gòu)，最后被陽(yáng)極收集，電子的運(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)陰極發(fā)射效果的情況下，選擇從柵極出發(fā)，通過(guò)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(wú)氧銅基座連接，柵極熱量經(jīng)過(guò)翼片以熱傳導(dǎo)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(guò)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(guò)改變抑制柵極散熱翼片的開(kāi)合角度來(lái)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(lái)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(guò)改變散熱翼片的開(kāi)合角度，實(shí)現(xiàn)散熱效果的優(yōu)化。分別從不開(kāi)合(即開(kāi)合角度為0°)開(kāi)始進(jìn)行，每次按照增加1°的尺度來(lái)增加，到最大開(kāi)合限度的4.5°，仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。通過(guò)圖中可知，在翼片初始狀態(tài)時(shí)，抑制柵極的最高溫度289.29 ℃；在開(kāi)合角度從零逐漸變大時(shí)，抑制柵極的最高溫度也逐漸下降。

圖4 兩個(gè)不同開(kāi)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(kāi)合角度的溫度分布

除了改變翼片的開(kāi)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(guò)改變翼片的高度和寬度來(lái)改善散熱效果。柵極高度從初始的34 mm 開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，翼片向上延長(zhǎng)，將高度增加3.53 mm，至長(zhǎng)度極限值37.53 mm，即與柵極的簾板上端面平齊，其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。從圖中可知，從初始狀態(tài)時(shí)的柵極高度增加到最大限度時(shí)，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(zhǎng)度的溫度分布

柵極的寬度從初始的0 mm 增加到0.2 mm 時(shí)，其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。從圖中可知，從初始狀態(tài)開(kāi)始，伴隨著柵極長(zhǎng)度增加，其最高溫度稍有增加。鑒于在沒(méi)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(jìn)一步驗(yàn)證，將以上的優(yōu)化措施進(jìn)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(shí)，又增加翼片高度，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)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(kāi)合角度增大、柵極的高度增加，會(huì)明顯提高抑制柵極的散熱能力，從而達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后抑制柵極的溫度分布

通過(guò)熱－結(jié)構(gòu)耦合仿真實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)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(xué)結(jié)構(gòu)分析模塊結(jié)合，設(shè)置力學(xué)約束條件:通過(guò)彈性力來(lái)約束陰極，由彈簧約束(Weak Springs)固定陰極的上下兩個(gè)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(lái)約束控制柵極；抑制柵極通過(guò)翼片與無(wú)氧銅基座相連，需要通過(guò)固定約束來(lái)約束翼片的兩個(gè)側(cè)面，以及柵極簾板的下端部分區(qū)域。經(jīng)過(guò)上述條件的約束，可以得到熱形變分布如圖9 所示?？芍?，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(guò)有限元軟件ANSYS，對(duì)500 kW 四極管進(jìn)行了熱分析仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)抑制柵極的特性分析，對(duì)柵極組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)散熱翼片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括增大翼片的開(kāi)合角度以及增加翼片與無(wú)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(yàn)證了柵極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。通過(guò)對(duì)抑制柵極的設(shè)計(jì)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(jì)提供理論和技術(shù)支撐。