Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мощные широкополосные ЛБВ на цепочках связанных резонаторов сантиметрового диапазона (обзор литературы) 10
1.1. ЛБВ в структуре СВЧ приборов 10
1.2. Конструкции и принцип действия ЛБВ. Достигнутые уровни параметров 11
1.3. Основные типы излучений заряженных частиц 14
1.4. Теоретические подходы к анализу взаимодействия потока и поля (» . в электронных приборах 15
1.4.1. Метод эквивалентных схем 16
1.4.2. Модели электронного потока 18
1.5. Краткий обзор программ для разработки ЛБВ 19
1.6. Методы расширения полосы рабочих частот ЛБВ 20
Глава 2. Методы .анализа усиления в мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов 23
2.1. Эквивалентное описание резонансных замедляющих систем и электронного потока 23
2.2. Матричный и волновой методы анализа усиления в мощных однолучевых ЛБВ 27
2.3. Двулучевое взаимодействие электронных потоков с полями замедляющей системы [113-116] 30
2.3.1. Основные уравнения продольного непрерывного взаимодействия электронных потоков в гладкой трубе дрейфа 30
2.3.2. Основные уравнения продольного взаимодействия электронных потоков с полями резонансных замедляющих систем 32
2.4. Дисперсионные характеристики однолучевого электронного потока и замедляющей системы 34
2.5. Исследование влияния электронной нагрузки на параметры связной системы 37
2.6. Взаимодействие волн потока и поля в резонансных системах с учетом затуханием 38
2.7. Исследование взаимодействия в связанной системе при изменении параметров пучка 40
2.8. Исследование усиления однолучевой односекционной ЛБВ 10-см диапазона 44
2.9. Исследование усиления однолучевой трехсекционной ЛБВ 3-см диапазона. 49
2.10. Исследование усиления в двулучевой односекционной ЛБВ на цепочке связанных резонаторов 53
2.11. Расчет усиления в двулучевой секционированной ЛБВ на цепочках связанных резонаторов 67
Глава 3. Разработка электродинамической системы ЛБВ 69
3.1. Выбор и описание замедляющей системы на цепочке связанных резонаторов 69
3.2. Принципы построения замедляющих систем мощных ЛБВ 70
3.3. Решение задачи широкополосного согласования электродинамической системы 71
3.4. Разработка замедляющей системы для трехсекционной ЛБВ 74
3.5. Экспериментальные исследования по повышению эффективности работы секционированной ЛБВ 77
3.6. Разработка волноводных ввода и вывода энергии 81
3.7. Конструирование электродинамических систем для мощных широкополосных ЛБВ сантиметрового диапазона 84
Глава 4. Разработка электроннооптических систем ЛБВ 89
4.1. Разработка инжектора электронов для мощной широкополосной ЛБВ 10 см диапазона [118] 89
4.2. Конструкции электронных пушек. Особенности построения сборочных и измерительных устройств [119] 92
4.3. Выбор конструкции катодно-подогревательного узла 98
4.4. Исследование полей магнитной периодической фокусирующей системы... 101
4.5. Расчёты и конструирование коллекторных систем 106
4.6. Проектирование двухкатодных пушек и формирование двулучевого пучка. 112
Глава 5. Особенности конструкции и технологии изготовления ЛБВ 114
5.1. Конструкторско-технологические особенности изготовления узлов 115
5.2. Особенности технологических процессов течеискания, вакуумно-термической обработки и высоковольтной тренировки 116
5.3. Системы охлаждения ЛБВ сантиметрового диапазона 120
Заключение 124
Литература
- Основные типы излучений заряженных частиц
- Матричный и волновой методы анализа усиления в мощных однолучевых ЛБВ
- Принципы построения замедляющих систем мощных ЛБВ
- Выбор конструкции катодно-подогревательного узла
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время мощные источники микроволнового излучения являются неотъемлемой частью арсенала средств современной науки и техники. Они находят применение в системах связи, радиолокации, радиоастрономии, медицине, а также интенсивно используются в ряде физических направлений: управляемом термоядерном синтезе, возбуждении химических и газовых лазеров, взаимодействии электронных потоков с газом и плазмой.
Основными проблемами мощной электроники являются: повышение уровня выходной мощности, рабочей частоты и длительности импульса, а также повышение эффективности работы в широком частотном диапазоне. Для достижения высоких уровней перечисленных параметров наибольшее распространение получили электронные приборы, основанные на длительном продольном взаимодействии потока электронов с резонансной замедляющей структурой. Примерами таких устройств являются многорезонаторные пролетные клистроны и лампы бегущей волны (ЛБВ) на резонансных замедляющих системах. Расширение полосы усиления этих приборов до 10% и выше стало особенно важно в последние годы в связи с необходимостью решения задач, связанных с передачей информации и решением энергетических проблем. Эффективность преобразования доступной электрической энергии в мощное микроволновое излучение зависит от качества формирования электронных потоков и условий их взаимодействия с электромагнитными полями волноведущих систем приборов.
Значительные успехи, достигнутые в области микроволновой электроники средней и большой мощности, являются следствием теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на протяжении многих лет. Этим достижениям, в частности, способствовали использование метода крупных частиц, электродинамического описания взаимодействия на основе разделения вихревых и кулоновских полей, анализа явлений в устройствах при больших электронных нагрузках, работающих в середине и у границ полосы прозрачности электродинамической системы. Созданы методы моделирования задач электроники, электростатики и магнитостатики, электродинамики. Созданы узлы и системы, позволяющие получать комплекс выходных параметров приборов, работающих при воздействии различных внешних дестабилизирующих факторов.
Экспериментальные успехи в создании приборов во многом определяются тщательностью их теоретической проработки. Волновые и колебательные
процессы в резонансных замедляющих системах мощных электронных приборов требуют сложного математического описания. Физические процессы, протекающие при работе мощных приборов, недостаточно изучены, свойства и возможности традиционных узлов и систем приборов использованы не полностью. . Поэтому актуальными являются задачи разработки и развития математических моделей и методов теоретического исследования, совершенствование алгоритмов и программ расчета физических процессов в электронных приборах.
Экспериментальные исследования с целью создания устройств с более высокими выходными характеристиками (расширенной полосой усиления, повышенными выходной мощностью и КПД) весьма эффективны, но требуют трудоемкого макетирования. Развитие теоретических методов разработки с использованием новых комплексов программ для электродинамических и электронно-оптических систем позволяет создавать и модернизировать СВЧ ' устройства и электронные системы. Актуальными остаются задачи совершенствования процесса моделирования и проектирования узловой систем приборов (электронные пушки, электродинамические системы, коллекторы электронов, магнитные системы, вакуумные системы, системы охлаждения), с целью оптимального совмещения функций различных систем в конструкциях приборов. Необходимо также обеспечивать выходные параметры прибора в определенных массогабаритных характеристиках при условии воздействия различных внешних факторов.
Актуальными являются задачи совершенствования технологии, применяемой при изготовлении мощных электровакуумных приборов. Задачи моделирования физико-химических процессов в приборах, в частности, процесса динамического состояния ионно-молекулярной среды в вакуумной полости прибора недостаточно исследованы. Поэтому необходимо проведение экспериментальных технологических исследований, разработка новых методик с целью создания технологических приемов, повышающих срок службы разрабатываемых приборов.
Целью- диссертационной работы, является развитие методов исследования и проектирования мощных ЛЕВ на цепочках связанных резонаторов с расширенной полосой усиления сигнала на основе анализа механизмов взаимодействия электронных потоков с полями резонансных замедляющих систем для разработки конструкций и технологии мощных широкополосных ЛБВ.
В диссертации рассматриваются вопросы развития методов анализа усиления колебаний при взаимодействии разноскоростных электронных потоков с полями в мощных ЛБВ, а также вопросы разработки конструкции и технологии изготовления замедляющих систем на цепочке связанных резонаторов, электронных пушек с одним и двумя лучами; многоступенчатых коллекторов с различными видами охлаждения.
Для достижения поставленной цели, в данной работе решались следующие задачи:
- развитие метода, алгоритма и программы расчета взаимодействия
электронных- потоков с полями резонансных замедляющих систем в мощных
двулучевых электронных приборах в рамках линейной теории с учетом
распределенных и оконечных потерь;
теоретические и экспериментальные исследования процессов взаимодействия электронных потоков и электромагнитных полей в ЛБВ с одним и двумя пучками и способов, расширения рабочей полосы частот мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов;
- разработка конструкций и технологии изготовления^ электродинамических
структур и узлов электроннооптических систем.для мощных ЛБВ с одними двумя
электронными потоками.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- впервые в приближении слабого сигнала развит метод" расчета
взаимодействия электронного потока с полями замедляющей системы в полосе и
вблизи границ полосы прозрачности с учетом двулучевого разноскоростного
электронного потока;
- в разработанной мощной 3-х секционной однолучевой ЛБВ на цепочках'
связанных резонаторов, работающей на крутых участках дисперсионных
характеристик вблизи низкочастотной границы полосы прозрачности,
экспериментально получено усиление 42-44 дБ в расширенной полосе 9,5% по
уровню ±1дБ,
результаты теоретических исследований усиления ЛБВ с разноскоростными электронными потоками позволили получить равномерное усиление до 82% основной полосы пропускания секции замедляющей системы для односекционной и секционированной ЛБВ на цепочках связанных резонаторов;
впервые разработаны конструкции- и технология изготовления
электронных пушек для мощных двулучевых ЛБВ, формирующие
. разноскоростные электронные потоки. Практическая значимость работы
заключается в следующем:
развиты методы и программы исследования процессов усиления; колебаний: в мощных двулучевых ЛБВ: на цепочках связанных^ резонаторов: в; приближении слабого.сигнала;
выработаны практические рекомендации- по выбору параметров резонансных замедляющих систем мощных ЛБВ; обеспечивающие эффективное широкополосное взаимодействие потока с полями замедляющих структур;
разработана мощная ЛБВ на связанных резонаторах, работающая в полосе усиления 9,5 % по уровню +1,0 дБ при усилении: 42-44 дБ: без перестройки электрических режимов, имеющая полный КПД более; 30 % в усиливаемой полосе частот;
разработана электронная пушка для мощной, односекционной ЛБВ с; расширенной полосой усиления 25% при усилении. 15 дБ. Разработаны конструкции рекуператоров с эффективной системой теплоотвода от секций многоступенчатого коллектора. l , '
разработаны технологические приемы, специальная сборочная;оснастка и; измерительные устройства; позволяющие изготавливать инжекторы, электронов; для широкополосных ЛБВ, обеспечивающие повторяемость выходных параметров и требуемый срок службы.
спроектирована электронная пушка, позволяющая формировать разноскоростные пучки электронов для расширения полосы усиления ЛБВ. на; связанных резонаторах.
Методы исследований и достоверность полученных результатов.* В работе использованы экспериментальные и теоретические методы исследований: Теоретические исследования проведены с использованием математических аппаратов теории; электромагнитного. поля* теории:электрических,цепей; теории связанных- колебаний и волн, метода- эквивалентных: схем. Проведено сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными: данными для нескольких вариантов мощных ЛБВ на цепочках; связанных, резонаторов. Показано, что реализованные теоретические модели и методы и полученные экспериментальные результаты с достаточной степенью достоверности описывают процессы усиления колебаний, в ЛБВ на связанных
резонаторах. Разработаны и реализованы конструкции двух вариантов мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов с расширенной полосой усиления и уменьшенным перепадом амплитудно-частотных характеристик. На за щиту, представляются:
метод расчета взаимодействия электронного потока с полями связанных резонаторов в мощных ЛБВ, усиливающих сигналы в полосе и вблизи границ полосы прозрачности с учетом двулучевого разноскоростного электронного потока;
результаты экспериментальных и теоретических исследований усиления односекционной и секционированной ЛБВ с одним и двумя пучками, отличающиеся расширенной рабочей областью усиливаемых частот и уменьшенным перепадом аплитудно-частотных характеристик;
- конструкция и технология разработанной двухкатодной электронной
пушки, позволяющая формировать два ламинарных разноскоростных пучка
электронов с разностью напряжений до 5 кВ.
Реализация' результатов, диссертационной работы. Научные и практические результаты диссертационной работ внедрены и использовались в пяти НИОКР «Соната», «Колье», «Панорама», «Полукровка», «Мелисса», выполненных в ФГУП "НПП ТОРИЙ", внедрены и используются в трех НИОКР «Генерация М», «Модуль 1» и «Модуль 4», выполненных в ФГУП «МРТИ'РАН», внедрены и используются в научном и учебном процессах в МИЭМ при подготовке инженеров по специальности "Электронные приборы и устройства".
Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ , 2004-2007); на международной межвузовской конференции "Электроника и радиофизика СВЧ" (Санкт-Петербург, 1999г.); на научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства нового поколения. Задачи и перспективы" (Саратов, ФГУП "НПП "Контакт", 2002г.); на VII-VIII межвузовских научных школах "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" (Москва, МГУ, 2006-2007); на XI Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн", МГУ (г. Звенигород, 2007 г.).
По теме диссертации сделано 6 научных докладов на Всероссийских научных конференциях, школах и семинарах и-опубликовано 7 статей, включая 1 статью в журнале ВАК, получен 1 патент [112-121].
Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
В главе 1 на.основе обзора литературы и Интернет сайтов ведущих фирм производителей ЛБВ рассмотрены основные технические характеристики, мощных ЛБВ импульсного действия, результаты основных теоретических и экспериментальных исследований, приведен краткий- обзор программ для разработки ЛБВ", обсуждены методы расширения полосы рабочих частот мощных ЛБВ на связанных резонаторах.
Во второй главе- излагаются методы исследования усиления в мощных однолучевых и двулучевых ЛБВ на цепочках связанных резонаторов. Обсуждаются общая постановка задачи, основные приближения, используемые при ее решении, математические модели электродинамической системы и электронных пучков. Проводится исследование влияния параметров на свойства связанной системы. Анализируется усиление в односекционной и многосекционной ЛБВ с одним и двумя разнопотенциальными пучками.
В третьейт главе рассматривается процесс разработки электродинамических систем-ЛБВ. Обсуждается выбор и принципы построения замедляющей системы на связанных резонаторах. Решаются задачи широкополосного согласования секций, устройств ввода и вывода' энергии; оконечных нагрузок. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик замедляющих систем и результаты конструирования.
В четвертой* главе рассматривается процесс разработки электроннооптических систем ЛБВ. Рассматриваются результаты расчетов электронных пушек с одним и двумя катодами. Обсуждается выбор катодно-подогревательных узлов, сборочных приспособлений и измерительных устройств. Приводятся результаты исследований магнитных фокусирующих полей и коллекторных систем.
В пятой* главе обсуждаются особенности конструкции и технологии-изготовления мощных ЛБВ и ее узлов, основных технологических процессов. Рассмотрены вакуумная система прибора и система охлаждения.
В заключении изложены основные выводы диссертации.
Основные типы излучений заряженных частиц
В классической электродинамике выделяются три основных типа излучения одиночного электрона: переходное излучение равномерно движущегося заряда у неоднородностеи, черенковское излучение заряженной частицы при движении в среде с постоянной скоростью, большей скорости электромагнитных волн, тормозное излучение заряда, движущегося с ускорением в вакууме или в среде [42]. . .
Переходное излучение представляет собой излучение заряда, движущегося прямолинейно с постоянной скоростью Vz в неоднородной среде или. около отдельных тел. Черенковское излучение возникает при равномерномудвижении заряда со скоростью, большей фазовой скорости электромагнитного поля в среде. Среда может быть однородной или периодической, безграничной или ограниченной, важно лишь только, чтобы структура полей волн в среде успевала устанавливаться и соответствовала процессу, распространяющемуся с определенной фазовой скоростью. Теория черенковского излучения в настоящее время достаточно хорошо разработана [23, 24]. При рассмотрении излучения отдельного заряда, движущегося с ускорением, различают тормозное излучение в электрическом поле и излучение, возникающее при изменении вектора скорости в магнитном поле [26].
Перечисленные принципы индивидуального излучения частиц в вакууме нашли широкое применение при проектировании мощных устройств СВЧ. Однако, в отличие от собственного излучения отдельного излучателя, в приборах СВЧ используется коллективное индуцированное излучение периодических сгустков электронов, а основную роль играют самосогласованные процессы. Мощные многосекционные устройства часто действуют при сильной нагрузке электронного потока. Моды вихревого поля, определенные с учетом самосогласованного взаимодействия с электронным потоком, могут существенно отличаться от мод,
определенных без учета потока. Взаимодействие потока и поля обусловлено механизмами индуцированного и собственного излучения одновременно [4, 5, 28, 29, 30]. Этот факт определяет специфику и сложность задач электроники: уравнения поля и уравнения движения нужно решать совместно. Задачи электроники являются самосогласованными.
Большим классом СВЧ устройств, в которых используется механизм черенковского излучения, являются ЛБВ и ЛОВ на продольном взаимодействии "0"-типа с периодическими электродинамическими системами [4, 5, 31]. Поток электронов находится в синхронизме с одной из пространственных гармоник поля системы, что приводит к эффективному черенковскому излучению. При слабых сигналах процессы в ЛБВ и ЛОВ «О» - типа анализируются методами связанных волн и объясняются периодической и непериодической связью медленной волны пространственного заряда с волной замедляющей структуры. В мощных устройствах СВЧ зачастую трудно выделить преобладающий тип излучения: переходное, черенковское или тормозное. Процессы легко переходят в нелинейную стадию, теоретический анализ при этом должен строиться на едином подходе.
При теоретическом анализе резонансных замедляющих систем за основу можно брать волноводные свойства периодической структуры либо основываться на анализе резонансных свойств отдельных объемов. Первый путь ведет к явному использованию теоремы Флоке и введению понятия пространственных гармоник. Степень взаимодействия потока и поля определяется величиной сопротивления связи. При взаимодействии потока и поля на частотах вблизи границ полосы прозрачности в теорию вводятся так называемые модифицированные сопротивления связи, которые в этих областях не обращаются в бесконечность [38, 39,45].
Особенностью задач электроники является важность выбора методов анализа при непротиворечивом введении электронного потока. Одним из таких подходов является использование резонансных свойств выделенных объемов. К таким методам относятся методы, основанные на вариационных принципах [48, 49], например, метод эквивалентных схем. Ввиду большого многообразия существующих методов, ограничимся рассмотрением лишь одним, наиболее часто используемым.
Многие приборы СВЧ электроники основаны на взаимодействии потоков с полями резонансных замедляющих систем [42, 50], в которых могут быть выделены периодически повторяющиеся резонансные области с известной, структурой мод. При взаимодействии, потока и поля вблизи границ полосы прозрачности системы реализуется одновременно волновые и колебательные режимы. Теоретическое рассмотрение процессов взаимодействия потока и поля удобно вести в рамках кулоновской калибровки при разделении полей на вихревые и потенциальные части с использованием характеристик выделенных объемов [52]. При выделении вихревых полей достигается единство описания волновых и колебательных задач электроники. При таком подходе возбуждение каждой моды системы происходит не конвекционным током пучка, а распределенным в объеме взаимодействия вихревым током:
В случае резонансных одномодовых систем, действующих у "я"- вида колебаний, в каждой ячейке электродинамической системы структуру полей? можно считать фиксированной, при этом влияние пучка приводит к изменению амплитуд и фаз полей. Такой подход позволяет рассматривать отдельный 1 .і резонатор как волноводный трансформатор, описываемый многополюсником, включающим в себя электронный поток. Электродинамическая структура представляется цепочками связанных многополюсников (рис. 1.1),: которые включают в себя эквивалентные схемы с сосредоточенными параметрами. Каждый из многополюсников связан с соседними и через них с нагрузками на входе и выходе прибора, а также с источниками сигнала [42].
Матричный и волновой методы анализа усиления в мощных однолучевых ЛБВ
Полученное дисперсионное уравнение (2.11) для нахождения постоянной распространения Г-аМ р справедливо в широких пределах изменения параметров связанной системы на произвольных частотах, включая области частот вблизи границ полосы прозрачности и за ее пределами. Оно описывает г взаимодействие электронного потока с полями периодических замедляющих систем с положительной или отрицательной дисперсией при синхронизме волн пучка с различными пространственными гармониками номера п. ,.
Комплексный вектор Xs в общем матричном уравнении (2.7) для различных вариантов цепочек связанных многополюсников имеет различный вид. Соответственно и элементы матрицы передачи Gs также имеют различные коэффициенты. При описании связи амплитуд волн пучка, напряжений и токов СИСТеМЫ В S-Й ЯЧеЙКе, КОМПЛеКСНЫЙ ВеКТОр ИМееТ СЛедуЮЩИЙ ВИД! Xs = {U, I, Эб,
SMJS, где U и / - соответственно напряжение и ток в s-й ячейке, аб, ам - амплитуды быстрой и медленной нормальных волн пространственного заряда, зависящие от отношения редуцированной плазменнойчастоты к частоте сигнала ш/шц. Матрица передачи всей секции прибора определяется соотношением s = \ (2.12) где S - общее число ячеек, s=1,2,..,S. Учитывая его, запишем- матричное уравнение связи между векторами входа и выхода системы Xs+i=AX. (2.13) Уравнение (2.13) дополняется граничными условиями на концах связанной системы, наличием внешних источников модулирующего сигнала и начальной модуляции электронного пучка: Eo=L/1+Z0/i, аб=Пб, aM=/7M, EH=l/s+i-ZH/s+i, (2.14) где /]б и А7м - амплитуды быстрой и медленной волн пучка на входе в систему, Е0 и Ен - амплитуды входного сигнала, позволяющие рассмотреть режим ЛБВ (Е0 г О, Ен = 0) или ЛОВ (Ео = 0, Енг 0); Zo и ZH - эквивалентные сопротивления нагрузок (рис. 2.1). Решение системы уравнений (2.13) и (2.14) позволяет определить амплитуды волн в пучке, напряжения и токи в ячейках структуры, "горячее" входное сопротивление системы и коэффициент усиления
К, дБ = 10 lg (Рвых/Рвх), где Рвх = Re((//i )/2 - входная мощность, РВЫх = Re(L/s+-i/s+i )/2 - выходная мощность прибора.
Взаимодействие многолучевых потоков в резонансных ЗС позволяет расширить рабочую область усиления в мощных ЛБВ. В данной работе проводилось теоретическое исследование продольного непрерывного и дискретного взаимодействия двулучевых потоков в мощных ЛБВ на резонансных ЗС. В линейном приближении методами теории связанных волн исследуются дисперсионные характеристики при непрерывном взаимодействии электронных потоков в гладком круглом волноводе. Методами теории многополюсников и связанных волн проанализируем дискретное взаимодействие двулучевых потоков и электромагнитных полей в мощных ЛБВ на резонансных ЗС.
Рассматриваемая связанная система включает в себя два попутных электронных потока и резонансную замедляющую систему. Система представляется в виде последовательности связанных 12-полюсников (рис. 2.2).
Рассмотрим исходные уравнения двух электронных потоков с учетом их продольного взаимодействия. В уравнениях движения дополнительно к кулоновскому полю первого потока ЕШ21 учтем продольную составляющую поля второго потока Ewz2: dVeil2/dz + /(w/v0i,2)\/ei,2 = - (/Wi2Ewz1]2 + М2іЕШ221), (2.15) где M \2 = M2-\ - коэффициенты связи потоков, Vei,2 - кинетические потенциалы пучков. Продольная составляющая кулоновского поля широкого потока Еыг1,2 выражается через плотность конвекционного токаущ21,2: Е шп,2 = /у шгі.г/Сшєо). (2.16)
После некоторых преобразований получаем уравнение dVewldz + i(u)/voit2 ,2 = - /( 0)1 1,2 1,2-/( 2,1 2,1 2,1, (2.17) где Ji,2=yu)zSni2, Sni2 - площадь потока, Zn=Zno/Ky - волновое сопротивление. В теорию вводятся амплитуды нормальных волн плазменных колебаний. Они даются соотношением аР1,2± =1/(4 Zi/Znu) [Vei,2± Zn1,2(-J1i2)]. (2.18) Кинетический потенциал Ve [,2 и ток Ji,2 выражаются через амплитуды нормальных волн (2.18): Vei,2 = 2 Zni,21/2(api,2+ +а р1,2.), (2.19) Ji,2 =(2/Zni,2 )(api,2+ - api,2-)-Уравнения связанных волн плазменных колебаний в первом (или втором) потоке, находящемся под воздействием кулоновского поля другого потока, имеют вид [d/dz +/(U)/VOITWPI /voi)]aPi± = - С12 (ар2+ - ар2.), (2.20) [d/dz +/(W/V02TWP2 /V02)]ap2± = - С21 (api+ - ар1.), где коэффициенты двухволновой связи даются выражениями: Ci2=(/pp2/2) (Zni/Zn2)1/2, (2.21) C2i=(/ Ppi/2) (Zn2/Zn1)1/2, Причем C12 « C21 При УСЛОВИИ (3pi=(3P2, ZnissZn2. В случае узкого потока происходит замена плазменной частоты сор на редуцированную ПЛаЗМеННуЮ ЧаСТОТу U)qi,2=Wpi,2 R-1,2: a„i±=1/(4Zni1/2)[Vei±Zni(-Ji)], (2.22) aq2±=1/(4Zn21/2)[\/e2±Zn2(-J2)]. Уравнения связанных волн для двулучевых потоков (2.20) приобретают вид: [dldz +/(Pei ± Pqi)]aqi± = - / с12 (aq2+ - aq2.), . (2.23) [dldz +/ (pe2 ± M]aq2± = - / ІС21І (a„i+ - aq1.). Для получения характеристического уравнения связанной системы решение ищется в виде: aq2±(z) = aq2±(0) exp(yz), (2.24) aqi±(z)=aq1±(0) exp(Yz). Для нахождения комплексного коэффициента распространения .у приравнивается нулю детерминант системы Значения комплексных амплитуд напряжений и токов эквивалентных схем, описывающих резонансные замедляющие системы, и нормальных волн электронных потоков, представленных в виде цепочек связанных 12-полюсников (рис.2.2), записываются с помощью матричного уравнения: Xs+i = GSXS. (2.26) Комплексный вектор Xs в общем матричном уравнении (2.26) для различных вариантов цепочек связанных многополюсников имеет различный вид. Соответственно и элементы матрицы передачи Gs также имеют различные коэффициенты. При описании связи амплитуд волн пучка, напряжений и токов системы в s-й ячейке, комплексный вектор имеет следующий вид: Xs = (U, І, аіб, а1м, а2б, a2M)s, (2.27) где U и I - соответственно комплексная амплитуда напряжения и тока в s-й ячейке, а,б, а,м - комплексная амплитуды быстрой и медленной нормальных волн пространственного заряда і-го пучка, зависящие от отношения редуцированной плазменной частоты к частоте сигнала wq /ш. В линейном приближении решение матричного уравнения (2.26) ищется в виде: Xs+i = Xse F » (2.28) где Гра, + jq , - комплексные постоянные распространения волн системы (i=1,...,6); а, -параметр нарастания или затухания, ср, - фазовый сдвиг і-й волны на ячейку, определяющий постоянные распространения волн связанной системы Д- = (pt / Az ,
Принципы построения замедляющих систем мощных ЛБВ
Замедляющая система, как волноведущее электрическое устройство, посредством которого замедляют электромагнитные волны, канализируют их с фазовой скоростью, меньшей, чем в свободном пространстве [34]. С медленными волнами возможно синхронное взаимодействие движущихся частиц, что и определяет применение замедляющих систем в электронных приборах с длительным взаимодействием (ЛБВ, ЛОВ и т. д.). Уменьшение фазовой скорости \/ф характеризуется коэффициентом замедления, который для электронных приборов составляет 1—50. Структура поля в замедляющей системе характеризуется сопротивлением связи Res = 10—150 Ом для электронных приборов. Чем оно выше, тем эффективнее взаимодействие электромагнитной волны с электронным потоком. Замедляющая система представляет собой отрезок периодической структуры. Замедление волны достигается различными способами: удлиняют путь волны, направляя её не по оси системы, а, например, по винтовой линии; создают полости, в которых продвижение волны вперёд происходит после ряда отражений, и другими способами. В любой замедляющей системе могут распространяться типы волн, отличающиеся распределением поля в поперечном сечении. Для волн каждого типа в замедляющей системе без потерь существуют полосы пропускания, в пределах которых коэффициент затухания волн а=0, и непропускания, где а 0. Для реальных замедляющих систем с потерями параметр ctrO практически на любых частотах. В полосах пропускания величина а характеризуется потерями энергии a=(10/d)-log[P(z)/P(z+d)], где d — период структуры; z — координата по оси, совпадающей с направлением распространения электромагнитной энергии; P(z) и P(z+d) — мощность волны в сечениях замедляющей системы с координатами z и z+d.
По конструкции различают замедляющие системы спиральные, резонаторные, штыревые и смешанного типа [83]. Резонаторные или цепочки связанных резонаторов обеспечивают высокий теплоотвод и обладают низкими значениями замедления (n 8), поэтому используются в мощных электронных приборах. В ЛБВ на цепочках связанных резонаторах для взаимодействия с электронным потоком используют минус первую пространственную гармонику в основной полосе пропускания. Для увеличения амплитуды этой гармоники в центральной части диафрагмы, примыкающей к пролётному каналу (рис. 3.1) делают трубку дрейфа. Ближайший высший тип волны имеет положительную дисперсию на нулевой пространственной гармонике - щелевой тип. Его характеристики определяются в основном параметрами окон связи.
На базе замедляющих системам типа цепочек связанных резонаторов созданы мощные односекционные и многосекционные ЛБВ, усиливающие сигналы не только в середине полосы прозрачности, но и вблизи низкочастотной границы, соответствующей тт - виду колебаний. Исследуемая в настоящей работе 3-см секционированная ЛБВ схематично представлена на рис. 3.2. Резонаторы связанны в цепочки с помощью индуктивных щелей, которые расположены противоположно в соседних резонаторах. Несколько резонаторов образуют секцию. Секции не связаны по высокочастотному полю, заканчиваясь нагрузками. Секции располагаются соосно и последовательно: входная, промежуточная, выходная, образуя замедляющую систему. Ввод и вывод энергии осуществляется, соответственно, в первом и последнем резонаторе. Пучок электронов движется по оси системы через пространства взаимодействия каждого резонатора и пролетные трубы между ними. 2
Схема 3-см секционированной ЛБВ на цепочке связанных резонаторов. Усиление прибора прямо пропорционально количеству связанных резонаторов. Для борьбы с самовозбуждением колебаний вводится полный разрыв по полю между отдельными секциями, вследствие чего передача сигнала осуществляется только электронным потоком. Добротности входного и выходного резонаторов секций много меньше добротности регулярных резонаторов, что является необходимым условием обеспечения модуляции электронного потока во всей области частот усиления. Процедура согласования секций с элементами входа и выхода состоит в обеспечении минимума отраженных волн от неоднородностеи электродинамической системы и получении режима бегущих волн в системе без пучка.
Общая задача согласования может быть существенно упрощена, если размеры согласующего устройства удовлетворяют условию 1_ Л/4 и обеспечен одномодовый режим колебаний. В этом случае согласующее устройство может быть представлено в виде единой квазистационарной неоднородности, описываемой четырёхполюсником [42].
Выбор конструкции катодно-подогревательного узла
В мощных широкополосных ЛБВ наиболее часто используется волноводное окно в виде керамического диска в круглом волноводе (баночная конструкция), к которому примыкают согласованные с ним прямоугольные волноводы [98]. Окно такого типа может иметь полосу до 30% при КСВН менее 1,1 и пропускать высокие среднюю и импульсную мощности. Резонансное полуволновое керамическое окно в волноводе [99], применяется реже, хотя способно пропускать самую большую среднюю мощность. Однако его ширина полосы составляет не более 10 -15%.
Наиболее распространенным материалом для окон является алюмооксидная керамика. Она обладает весьма низким тангенсом угла потерь (при высокой степени чистоты вещества) и легко соединяется с металлами посредством металлизации и высокотемпературной пайки. Для приборов очень высокой средней мощности пригодна керамика на основе окиси бериллия благодаря ее высокой теплопроводности. Однако, окись бериллия токсична и поэтому ее не используют, если высокая теплопроводность не является абсолютно необходимой. Похожими СВЧ параметрами обладает пиролитический нитрид бора, и он не токсичен.
Потери при передаче мощности в керамических окнах составляют порядка 0,1% передаваемой мощности. Следовательно, волноводное окно может пропускать несколько киловатт мощности в Х-диапазоне при наличии охлаждения по контуру.
Одной из проблем для всех ВЧ-окон, и в особенности для полуволновых резонансных окон, является наличие паразитных колебаний и «захваченных» мод. Они возникают при резонансах высших порядков в волноводе внутри керамики и согласующей секции окна. Их необходимо устранять при высокой средней мощности из-за возможности большого поглощения мощности, приводящего к разрушению окна.
К обычным видам повреждения окон относится растрескивание керамики вследствие дугового разряда в волноводе и разрушение в результате термических напряжении, связанных с ВЧ-потерями в диэлектрике, или в результате поверхностного мульти-пакторного эффекта [99].
В рассматриваемом приборе вывод энергии осуществляется с помощью окна баночного типа с керамическим диском из нитрида бора (рис.3.10). При разработке ввода и вывода энергии основное внимание было уделено проблемам широкополосности, технологичности и надежности этих узлов, поэтому в качестве материала диэлектрической перегородки использован пиролитический нитрид бора (борнилит). В отличие от других керамических материалов, применяемых для изготовления вакуумных уплотнений ввода-вывода энергии, борнилит может быть разрушен только при сильном термическом воздействии, связанном, например, с относительно длительным нагревом дуговым СВЧ разрядом у поверхности диэлектрика, вызывающем проплавление перегородки. Растягивающие термоупругие напряжения, которые возникают в перегородках вследствие их неравномерного нагрева из-за диэлектрических потерь или вследствие иных причин и приводят к разрушению других керамических материалов, в борнилите оказываются резко ослабленными ввиду малости модуля упругости и коэффициента линейного расширения этого материала. Дополнительным преимуществом борнилита, обеспечивающим технологическую надежность вакуумноплотных металлодиэлектрических соединений в коротковолновой части сантиметрового диапазона, является малая величина его диэлектрической проницаемости - примерно в 2 раза меньшая, чем у алюмооксидных керамик. Это позволяет увеличить толщину диэлектрической перегородки, а, следовательно, и ширину зоны спая металл-диэлектрик.
В качестве прототипа было выбрано асимметричное баночное окно вывода энергии, разработанное ранее экспериментально для ЛБВ «Соната» 4-6 кВт уровня импульсной выходной мощности. При создании этого окна возникли трудности, связанные с получением достаточного запаса по ширине беспаразитной полосы пропускания и обеспечения высокого процента выхода годных узлов. Последний недостаток определялся, главным образом, значительным разбросом диэлектрической проницаемости є пиролитического нитрида бора (є=4,35-Н5,0). Исследование возможности увеличения беспаразитной полосы пропускания проводилось с помощью программы «H-WINDOW», предназначенной для анализа и оптимизации баночных окон и ступенчатых волноводных переходов. Ее алгоритм описан в [96]. Для расширения беспаразитной полосы частот в конструкцию окна была введена емкостная диафрагма 4, которая входит в отрезок круглого волновода 2, содержащий диэлектрическую перегородку 3 (см. рис. 3.10) [97]. После оптимизации размеров баночного окна его полоса пропускания также существенно расширилась. Измеренная на опытных образцах баночного окна полоса пропускания составила 8,0-И 0,3 ГГц по уровню КСВН=1,15. Ближайший к рабочей полосе частот прибора паразитный резонанс волны НЦ находился в области частот 10,2-И 0,4 ГГц.
Для компенсации разброса борнилита по величине диэлектрической проницаемости каждый диск предварительно дорабатывался по толщине h с учетом его проницаемости таким образом, чтобы выполнялся критерий: j,uo_nvt-u,yi _ J,I/_ Величина диэлектрической проницаемости определялась путем расчета по программе BEWIND [96], использующей в качестве исходных данных измеренные резонансную частоту колебаний вида Нщ цилиндрического резонатора с диском, установленным в его средней плоскости, и толщину диска. Благодаря разработанной методике, выход годных узлов ввода-вывода энергии по результатам холодных измерений их полосовых характеристик приблизился к 100%. В связи с тем, что диски из борнилита, как указывалось выше, не поддаются термомеханическому разрушению, обусловленному неравномерным нагревом перегородки из-за диэлектрических потерь, выход из строя выводов энергии возможен только вследствие пробоев или электрической дуги у поверхности диэлектрика. При заданной выходной мощности прибора обеспечение необходимой электрической прочности выходного волноводного тракта не вызывало сколько-нибудь заметных затруднений. Этот вывод подтвердился результатами моделирования имеющихся экспериментальных данных для баночных окон на борнилите, а также расчетом напряженности электрического поля в области спая круглого волновода с диском из борнилита (по программе Н-WINDOW). В этом месте окна, наиболее опасном с точки зрения возможности развития пробоя по поверхности диэлектрика, величина напряженности поля при полной выходной мощности прибора составила около 100 В/мм, т.е. разработанное окно способно пропустить требуемую выходную .мощность прибора без применения дополнительного охлаждения.
