Введение к работе
Актуальность работы связана с возрастающей необходимостью разработки физических основ для создания мощных и высокоэффективных преобразователей СВЧ энергии в постоянный электрический ток. Это стимулирует поиск новых и разработку уже известных механизмов взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, когда модуляция электронного потока производится путем поперечного смещения потока, т.е. при возбуждении поперечных волн электронного потока.
Проведенные ранее в России (в 70х-90х годах в МГУ, НПО "Торий", НПО "Исток") экспериментальные и теоретические исследования циклотронных преобразователей энергии (ЦПЭ), принцип действия которых основан на взаимодействии пространственно искривленного электронного потока без электронных сгустков (отсутствие продольной модуляции в потоке) с реверсивным или спадающим до нуля магнитным полем, показали перспективность такого взаимодействия с точки зрения увеличения эффективности преобразования и реализации высоких значений выходной мощности (достигнутые значения кпд лабораторных образцов ЦПЭ превышают уровень 80% при уровне мощности 10 кВт).
Детальный анализ влияния формы, поперечных размеров и собственных полей электронного пучка на процессы энергообмена в этих устройствах и роли нелинейных по радиусу компонент реверсивного магнитного поля, а также проникающих электростатических полей требует дальнейшего развития. Это облегчит оптимизацию и надежное прогнозирование экспериментальных конструкций.
Цель данной работы заключается в следующем
-
Выяснение влияния поля пространственного заряда на динамику процессов преобразования энергии электронного потока в реверсивных магнитных полях и механизма возбуждения разброса продольных скоростей электронов.
-
Разработка трехмерной модели электронного потока с парциальными спиралевидными пучками конечного сечения с целью более точного учета влияния поля пространственного заряда.
-
Создание специализированного пакета программ для численного моделирования процессов в реверсивной области магнитного поля с учетом релятивистских эффектов, влияния проводящих границ области и тормозящего электрического поля.
-
Исследование оптимальных условий преобразования энергии в пучках конечного сечения в реверсивной области ЦПЭ.
Научная новизна работы и основные защищаемые положения:
-
Исследован механизм возбуждения разброса продольных скоростей в электронном пучке под действием сил пространственного заряда и раДНальнШ'и МаШншши пилят Установлено, что максимальная эффективность преобразования достигается при сохранении формы поперечного сечения электронного пучка и его вращении как целого вокруг собственной оси.
-
Показано, что кулоновское взаимодействие в пучке конечного сечения оказывает заметное влияние на динамику электронного потока в области реверсивного магнитного поля. Эффективность преобразования растет с увеличением тока пучка и достигает максимума при значениях тока порядка 0,7 IBr. При
определенном выборе параметров влияние кулоновских полей дает заметный (до 5%) прирост эффективности преобразования.
-
Изучено влияние проводящих границ области на динамику электронного потока в реверсивной области циклотронного преобразователя. Установлено, что при высоком уровне преобразуемой мощности возможны режимы работы, при которых влияние проводящей границ области улучшает (на 3-5%) эффективность преобразования.
-
Присутствие тормозящего электрического поля в реверсивной магнитной области допускает реализацию высокоэффективных режимов (до 90%) преобразования энергии вращения пучка непосредственно в его потенциальную энергию.
Практическая ценность работы.
1. Разработана трехмерная модель электронного потока с
парциальными пучками конечного сечения и предложен метод
вычисления поля пространственного заряда электронного потока.
Применение данной модели позволяет снизить ошибки в
вычислениях кулоновских полей на порядок по сравнению с
использовавшимися ранее моделями.
Предложенная модель применима для анализа динамики электронных потоков в поперечноволновых устройствах СВЧ.
2. Показано, что эффективность преобразования в реверсивной
области циклотронного преобразователя может сохраняться
высокой (до 80-85%) при увеличении относительного радиуса
электронного потока Ro/Rc до значений 0.5-0.8, что позволяет
существенно повысить уровень преобразуемой мощности.
Показана возможность высокоэффективного преобразования
поперечной энергии (до 80-85%) в интенсивных электронных
потоках с увеличенным радиусом пучка и уровнем мощности 150-300 кВт.
-
Предложена новая конструкция циклотронного преобразователя с комбинированной реверсивной областью, в которой кинетическая энергия вращения электронного пучка преобразуется непосредственно в его потенциальную энергию при сохранении продольной скорости электронов на постоянном уровне.
-
Результаты работы применимы для анализа динамики электронных потоков в мощных поперечноволновых СВЧ устройствах (ЛБВ, ЦПЭ, гироконы, магниконы и др.).
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 50м Международном астронавтическом конгрессе (г.Амстердам, 1999г.), Научных сессиях МИФИ-98, МИФИ-99, МИФИ-2000 (г.Москва), бй Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Красновидово, Московская область, 1997г.), 7й Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Красновидово, Московская область, 1999г.), семинаре кафедры радиофизики
а, ... , |. п....„т^^^ \/ГГУ pqQQrl ГТ0 теме диссертации
опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из . шести глав, заключения и списка
цитируемой литературы. Общий объем работы составляет страниц, в том числе у- таолицы и 1 рисунка. Список цитируемой литературы содержит ^.^наименований.
