本文介紹了微型化電子槍的電氣和結構設計，利用成都電子科技大學開發的“寬帶大功率行波管CAD集成環境”、“微波管模擬器套裝”和基于有限元方法的三維電磁仿真軟件對電子槍進行模擬仿真及優化。研制出的微型化電子槍的電子注流通率大于99.5%，各項指標滿足整管需要，電子槍結構安全可靠，可滿足機載條件。

　　微波功率模塊(MPM)是完全小型化和高度集成的微波放大器，它同時吸收了真空電子器件的高效率、高功率和寬帶特性以及固態器件的低噪聲和強信號處理能力兩方面的優點，因而MPM 在下一代先進的微波系統中應用前景廣泛，隨著技術和工藝的發展MPM 對行波管的小型化提出了嚴格的要求，其中的關鍵技術為在保證模塊的體積和重量的在限定范圍內，確保高質量、高導電系數的電子束的聚焦技術、大電流密度陰極以及電子槍制造技術。

　　本論文針對電子槍的微型化進行研究，利用現有軟件進行仿真計算和結構設計，完成小型化行波管電子槍的研究。

1、MPM 用微型化電子槍設計

　　1.1、電氣設計

　　由于MPM 對小體積、小重量的要求較高，因此要求進一步縮小電子槍尺寸，在滿足整管正常工作前提下，盡量取較低的陰極的負荷，但同時由于整管的功率需求陰極發射電流沒有減小，所以陰極的面壓縮比將比較大，對于電子注的形成以及磁聚焦帶來一定的影響。

　　利用行波管(TWT)CAD二維軟件對電子槍進行建模計算，經過多次優化后確定了電子槍的參數如表1所示。

表1　多次優化后電子槍的參數

　　由表1可以看出，①電子參量滿足要求；②射程9.14mm，滿足PPM系統的入射條件；③陰極工作電流密度1.1A/cm²，采用的M 型陰極發射能力為8A/cm²，只用了七分之一的能力，足以保證陰極壽命大于5000h。因此上述的電氣設計是合理可行的。

　　1.2、結構設計

　　在電氣設計滿足參數要求的情況下，結構設計也是電子槍設計的重要一環。槍結構設計的難點在于在較小的橫向尺寸(槍外徑小于11.8mm)內達到足夠的絕緣強度和結構要求。

圖1　電子槍結構示意圖

圖2　陰極附近電流密度分布

　　借用北京真空電子技術研究所成熟生產課題的電子槍原型采用套筒式疊片結構，實現了在小橫向尺寸限制下的高絕緣性，滿足整管使用要求。這種結構的特點是用橫向嵌套的瓷筒實現高絕緣、電極支撐筒作為氣密瓷封件的金屬件，減少了零件的使用，使電子槍的外徑尺寸做小成為可能。與現有槍結構相比，橫向尺寸從13mm壓縮到11.8mm，長度從26mm壓縮為22mm。在使用時熱絲電壓大多是一次直接加到使用電壓，此時由于熱絲冷阻較小，所以熱絲電流較大，長期的大熱量沖擊會對熱絲造成損害，直至造成熱絲斷裂。為了避免此情況的發生，在設計時對熱絲設置了過渡區，即在熱絲中間設置一個圓環使熱絲的長度變短，減少電子槍首次啟動時浪涌電流對熱絲的沖擊，同時增加熱絲抗力學沖擊和振動的能力，新舊結構對比如圖3。為了控制陰極的發射電流，在結構設計時把陽極安裝座先和電子槍組件焊接在一起，通過不同尺寸的墊片微調陰極和陽極的距離以保證裝配時的尺寸能滿足電設計尺寸。

圖3　熱絲過渡新舊結構對比示意圖

　　在完成結構設計后進行了電子槍結構的力學分析。

　　1.2.1、模態分析

　　建立電子槍模型后對電子槍進行三階模態仿真，結果見圖4。

圖4　電子槍模態分析仿真圖

　　通過前三節模態可知，基模頻率已經遠遠大于機載環境使用的2000Hz，因此不存在發生低頻諧振的可能性，安全系數非常高。

　　1.2.2、沖擊振動分析

　　沖擊條件按照機載條件進行，即半正弦波，時間為11ms，強度30g。最大位移時刻位移分布如圖5所示。圖5(a)和(b)中最大位移發生在陰極底蓋上，最大位移為4.7×10^-5 mm；圖5(c)中最大位移發生在陰極上，最大位移為1.17×10^-4 mm。

圖5　最大位移時刻位移分布

　　通過計算可知，該槍基模頻率可達9250.7Hz，遠大于機載使用環境，發生諧振的可能性非常小。在30g，11ms的半弦波沖擊載荷下，橫向沖擊位移最大，最大位移發生在陰極處，最大位移為1.17×10-4　mm，相對于電子槍的裝配精度0.2mm來說，此位移引起的電子注變化很小，可以忽略不計，因此該槍有足夠的強度在以上沖擊載荷下保持正常工作。

　　經制管測試表明陰極加熱效率高，需要的燈絲功率僅5 W。同時整管通過了標準的機載環境試驗，說明本電子槍結構抗振能力強，能承受14.5g的隨機振動、19.7g的耐久振動和30g的沖擊試驗。

2、實際測試結果

　　采用本設計制作了樣管，測試結果如表2所示。

表2　測試結果

　　由表2可以看出，管子的靜態流通率達到了99.5%，各項參數基本符合設計要求。該電子槍結構具有結構簡單、零件加工周期短、裝配成品率高、絕緣性能好等特點。其聚焦極對管體耐壓能力達到了8kV，聚焦極對陰極耐壓能力達到了3kV，該電子槍結構的工藝流程和技術已經成熟。

3、結論

　　(1)設計了MPM 用微型化電子槍，并完成了結構設計和力學仿真；

　　(2)進行制管驗證，結果表明電子槍的各個參數均已滿足整管需要；

　　(3)槍結構設計合理，整管通過了20grms的極高強度的隨機振動試驗；

　　(4)電子槍尺寸的小型化得到了進一步的發展，為相控陣體制的MPM 研究打下了基礎。