Содержание к диссертации
Гл. 1. Физические принципы и методы проектирования ЭОС с глубокой
рекуперацией электронных пучков для электронно-лучевых приборов ком
мутирующего типа 24
Введение 24
Основные требования к ЭОС современных электронно-лучевых коммутирующих приборов и возможные пути построения ЭОС 25
Принципы построения систем глубокого торможения высокопер-веансных электронных пучков и создание модели «пирсовских» ЭОС с торможением пучка для приборов коммутирующего типа 28
Методика расчета «пирсовских» систем с глубоким торможением, результаты численных и экспериментальных исследований неравноплечных вариантов ЭОС 36
Построение ЭОС для ЭЛП с рекуперацией на основе пирсовских неравноплечных ЭОС с антидинатронным электродом 41
Разработка алгоритмов и основы построения программ синтеза ЭОС с глубоким торможением пучка на поверхность 43
Особенности расчета ЭОС с торможением и антидинатронным электродом 48
Оптимизация синтезированных ЭОС методом численного моделирования 54
1.5. Экспериментальные исследования вариантов ЭОС с антидина
тронным электродом и возможные варианты построения коммутирующих
приборов на основе неравноплечных ЭОС 57
Выводы 66
Гл.2. Принципы конструирования неравноплечных ЭОС с защитным
электродом и создание методики инженерного расчета ЭОС мощных комму
тирующих приборов типа ЭЛВ 68
Введение 68
Эффекты при введении в ЭОС с торможением защитного электрода. Роль защитного электрода в подавлении вторичной эмиссии с коллектора и влияние его на первичный пучок 69
Вопросы проектирования неравноплечных пирсовских систем с защитным электродом 73
Результаты численного проектирования и оптимизации систем глубокого торможения пучка с защитным электродом 78
"Триодные" варианты ЭОС с торможением на основе пирсовских ЭОС с защитным электродом 84
Методика инженерного расчета пирсовских неравноплечных систем для мощных коммутирующих приборов типа ЭЛВ 86
Расчет ЭОС с ленточными пучками для многолучевых ЭЛВ 89
Выводы 100
Гл.З. Анализ влияния вторичной эмиссии, отраженных электронов и
ионов в системах с торможением пучка на коллекторные системы открытого
типа 102
Введение 102
Алгоритмы учета вторичной эмиссии в программах численного анализа ЭОС 103
Расчет влияния вторичной эмиссии на распределение потенциала и глубину минимума в одномерных диодах с торможением 108
Анализ влияния вторичных электронов в пирсовских системах с антидинатронным или защитным электродами 112
3.4. Ионы в пирсовских системах с антидинатронным или защитным
электродами 120
Выводы 125
Гл.4. Проблемы численного проектирования электронных пушек для
мощных электронно-лучевых приборов 127
Введение 127
4.1. Проектирование ЭОС мощного пучково-плазменного СВЧ прибо
ра с магнитным сопровождением пучка 129
4.1.1. Расчет и моделирование ЭОС пушки и системы магнитной
транспортировки электронного пучка в ППП СВЧ 130
4.1.2. Численный анализ влияния встречного ионного потока на усло
вия токоотбора и тепловой режим работы эмиттера в ЭОС ППП 138
4.2. Вопросы проектирования ЭОС для перспективных вариантов пуч-
ково-плазменных приборов 143
Возможности создания ионно-защищенных ЭОС для пучково-плазменных приборов 143
Проектирование ЭОС для «пакетированных» вариантов пучково-плазменных приборов с оптимизированными конструкциями фокусирующих магнитных систем. 149
4.3. Возможности использования ионного фона для повышения тока
электронного пучка. Предельные токи в диоде с инжекцией ионов в проме
жутке анод-катод 153
Выводы 169
Гл.5. Проектирования ЭОС инжекторов РЭП с высокой степенью ком
прессии пучка для электронно-лучевых устройств стационарного и квазиста
ционарного режимов работы 171
Введение 171
Проблемы численного проектирования ЭОС инжектора РЭП с кольцевым катодом и электростатическим компрессором 172
Синтез РЭП в электростатическом компрессоре на основе геометризованных уравнений 179
Методика и результаты синтеза РЭП в электростатическом компрессоре 184
Методика синтеза электронной пушки, формирующей РЭП с требуемыми параметрами на входе в электростатический компрессор 188
Выводы 198
Гл.6. Проблемы численного проектирования ЭОС мощных электрон
ных приборов и исследование точности алгоритмов и программ численного
анализа высокопервеансных ЭОС 201
Введение 201
Проблемы численного проектирования ЭОС приборов и устройств технологического назначения с интенсивными электронными пучками и исследование точности их численного анализа 203
Тестирование программ анализа на точных решениях 212
Пути повышения точности численного проектирования 217
Влияние ионного фона на формирование электронного пучка в прикатодной области электронных пушек 231
Выводы 236
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 238
Литература 240
Рисунки 268
Приложения 353
Введение к работе
Состояние и основные тенденции развития важнейших направлений науки и техники, включая современную технологию, вакуумную и плазменную СВЧ электронику, проблемы управляемого термоядерного синтеза, лазерной техники и целого ряда других технических и научных отраслей, во многом определяются разработкой и совершенствованием мощных приборов и устройств, построенных на основе использования интенсивных пучков электронов. В настоящее время общепризнанно, что пучки электронов, используемые и ранее в качестве основного рабочего элемента разнообразнейших электровакуумных приборов, являются одним из наиболее перспективных средств преобразования и транспортировки энергии, передачи ее к объекту воздействия и многого другого.
Разработка разнообразнейших установок, в которых в качестве рабочего инструмента применяются стационарные и импульсные электронные пучки мощностью от десятков киловатт до мегаватт и более позволило реализовать многие важнейшие технологические процессы, определяющие современное состояние техники и научно-технический прогресс в целом. Можно упомянуть, например, получение тугоплавких и сверхчистых материалов, необходимых в передовых технологических производствах, включая космическое и полупроводниковое, различные виды термообработки и модификации поверхности, плазмохимический синтез. В современной ускорительной технике и физике высоких энергий интенсивные плотные электронные потоки используются для разогрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, коллективного ускорения тяжелых частиц, электронного охлаждения протонных пучков высокой энергии в накопительных системах [1].
Важнейшее значение в последние годы приобрели работы по созданию пучково-плазменных усилителей и генераторов (ППУ и 11111) СВЧ сигналов на основе использования интенсивных электронных пучков, взаимодейст-
вующих с плазмой в гибридных плазменно-резонаторных системах [2-4], включая теоретические разработки проблем электронно-ионной и плазменной оптики плотных пучков, возникающих при создании этих приборов. Высокие параметры пучково-плазменных усилителей и генераторов СВЧ по сравнению с электровакуумными аналогами определяются эффективностью пространственного взаимодействия пучка с плазмой, и длительным синхронизмом пучка с волнами гибридных замедляющих структур [5].
Использование принципа глубокой рекуперации энергии тщательно сформированных интенсивных электронных пучков [6] позволило создать новый класс мощных электронных коммутирующих приборов - электроннолучевых вентилей [7-9], обладающих высоким КПД и малым внутренним сопротивлением и превосходящих полупроводниковые аналоги по таким важнейшим характеристикам, как управляемость, высоковольтность, частотные свойства, и, вследствие этого, успешно применяемых в настоящее время в сильноточной электротехнике [10-12]. Принцип построения электроннолучевых вентилей (ЭЛВ) — был предложен в 1967 г. Г. И. Будкером и В. И. Переводчиковым [6]. ЭЛВ — сильноточные электровакуумные приборы, применяемые для коммутации и регулирования в мощных высоковольтных электрических схемах, таких как системы электропитания электроннолучевых технологических установок, пылеулавливающих электрофильтров, инжекторов сильноточных ускорителей и т. п. При этом ЭЛВ используются для формирования импульсов большой длительности (миллисекунды и секунды) или защитной коммутации цепей постоянного тока. Для достижения высокого КПД работы прибора в схеме и возможности рассеивания значительной мощности электродами прибора, что необходимо для коммутации больших мощностей, в основу принципа построения прибора положены отбор тока повышенным анодным напряжением, тщательное формирование электронного потока и торможение пучка (желательно, глубокое) на коллек-
торе прибора. Само название прибора подчеркивает его назначение и, в отличие от классических сеточных ламп, высокое качество формирования электронного потока. В связи с тем, что в ЭЛВ отбирающее пучок напряжение прикладывается к зазору между катодом и анодом пушки (ускоряющим электродом [6-9]), а высокое коммутируемое напряжение падает на промежутке между ускоряющим электродом и коллектором, то последний промежуток должен быть больше (желательно значительно больше), чем первый. Таким образом, основной задачей при разработке ЭЛВ явилось создание электронно-оптических систем (ЭОС) прибора с существенно различной длиной промежутков ускорения и торможения электронного пучка, иначе говоря, с разномасштабными областями ускорения и торможения пучка, названных в дальнейшем неравнойлечными ЭОС [7,13-16].
Уже первые результаты практической реализации принципов, заложенных в основу нового класса приборов [7,17,20], показали их несомненные преимущества по сравнению с параметрами коммутирующих и модулирующих тетродов в традиционном сеточном исполнении. Однако используемые в этих первых конструкциях ЭЛВ типы ЭОС (с коллектором в виде цилиндра Фарадея [17] или с центробежно-электростатическим формированием электронного пучка) [18-20] не позволяли реализовать все возможности, заложенные в принцип построения приборов нового класса.
Отсюда с очевидностью следует, что создание новых, более совершенных электронно-оптических систем формирования интенсивных электронных пучков и непосредственно связанное с этим создание новых физических принципов построения и методик расчета таких ЭОС является несомненно актуальной и практически значимой задачей. При этом успехом решения сформулированной задачи и будет в основном определяться уровень и параметры как перечисленных выше электронных приборов и устройств, так и многих других, основанных на использовании интенсивных электронных
пучков. Кроме того выход на качественно новый уровень параметров многих серийно выпускаемых приборов (например, электронно-лучевых вентилей) требует создания на основе предложенных новых физических моделей адекватных им математических моделей, а для сокращения сроков разработки и создания оптимальных конструкций электронно-оптических систем необходимы разработка и постоянная модернизация программных средств для проведения современного численного моделирования.
Следует отметить, что в основе большинства публикаций по численному проектированию ЭОС для приборов с интенсивными пучками лежит использование в качестве основного инструмента такого проектирования программ и пакетов траєкторного анализа электронных потоков в самосогласованных полях. Несмотря на развитие различных подходов авторами разных программ траєкторного анализа к решению задачи расчета поля в анализируемых системах (с использованием конечно-разностных или конечно-элементных методов, а также методов интегральных уравнений либо функции Грина) учет пространственного заряда пучка реализован в разных программах достаточно стандартно. А именно, принято рассматривать стационарный электронный пучок в гидродинамическом приближении как сплошную заряженную среду, подверженную действию объемной лоренцевой силы и описываемую уравнениями движения и Максвелла. Стандартная постановка задачи траєкторного анализа приведена детально в работах [21-25]. При-катодная особенность, связанная с бесконечной величиной пространственного заряда пучка, учитывается, как правило, путем использования в очень узкой области простейших одномерных аналитических решений (чаще всего -модели плоского диода), что не гарантирует, как показали проведенные исследования, приемлемой точности расчета анализируемых систем. Отсутствие учета физических особенностей конкретных анализируемых ЭОС (таких как криволинейность электродов, неравномерность параметров пучка и поля,
разномасштабность систем и многих других) приводит также к погрешностям анализа, недопустимым с точки зрения требований, предъявляемых при практической реализации разрабатываемых систем. Это влечет за собой необходимость последующей дорогостоящей и трудоемкой экспериментальной доработки ЭОС на экспериментальных макетах и опытных образцах приборов.
В то же время в большинстве современных приборов, включая рассматриваемые в данной работе, практические задачи сводятся к проектированию существенно разномасштабных ЭОС, формирующих потоки различной протяженности с разным характером изменения поперечных размеров (высокая компрессия в инжекторах релятивистских электронных пучков, с одной стороны, и, с другой стороны, необходимое для достижения глубокого торможения значительное расширение пучка в электронно-лучевых вентилях с рекуперацией энергии электронов пучка на коллекторе). Системы токоот-бора зачастую обладают существенной неоднородностью плотности тока эмиссии на катоде (в электронно-лучевых вентилях, построенных на основе ЭОС с центробежно-электростатическим формированием пучка, величина отбираемой с катода плотности тока может изменяться в пять и более раз), или должны удовлетворять жестким требованиям по параметрам формируемого на выходе из системы пучка (малые углы расходимости за кроссовером при высоком первеансе и компрессии). Дополнительные, достаточно жесткие ограничения возникают и при проектировании электронно-лучевых пушек для электротермических установок, где также с учетом условий неравномерного токоотбора [26,27], связанных с необходимостью получения как можно более высокопервеансного пучка, задача численного анализа усложняется ввиду интенсивного газовыделения в технологической камере, приводящего к эффектам ионной фокусировки в системе транспортировки пучка [27-28] и
возможности возникновения анодной плазменной границы, инжектирующей в ускоряющий промежуток встречный поток ионов.
Значительные погрешности численного моделирования ЭОС возникают и при проектировании высоковольтных инжекторов для мощного электротермического оборудования с выпуском пучка в атмосферу, пушек технологического применения, предназначенных для накачки газовых лазеров и плазмохимических реакторов [29,30]. При проектировании инжекторов релятивистских электронных потоков (РЭП) высокая плотность потока энергии релятивистского пучка на выходе инжектора достигается за счет резкого изменения поперечных размеров пучка (значительная компрессия); расчетная область обладает большой протяженностью, а параметры потока могут иметь значительные поперечные градиенты в области кроссовера [31-35].
В то же время рабочие характеристики всех перечисленных приборов и устройств определяются целиком параметрами ЭОС и, следовательно, в первую очередь, совершенством используемых при их численном проектировании физических и математических моделей и точностью расчета и оптимизации.
В связи с вышесказанным создание новых, более совершенных электронно-оптических систем формирования интенсивных электронных пучков и непосредственно связанное с этим создание новых физических принципов построения и методик расчета таких ЭОС является несомненно актуальной задачей.
Исходя из основных проблем, возникающих при создании электроннолучевых приборов и устройств, основанных на использовании высокоперве-ансных электронных пучков, можно сформулировать цель данной работы как развитие и обоснование принципов построения, математических подходов и методик численного проектирования и моделирования высокоперве-ансных электронно-оптических систем, а также проектирование и исследо-
ванне ЭОС современных мощных электронно-лучевых приборов и устройств технологического и научного назначения.
Задачи, решаемые в процессе работы для достижения поставленной цели, можно сформулировать следующим образом:
Развитие и обоснование принципов построения оптимальных ЭОС для приборов коммутирующего типа.
Разработка подходов к построению ЭОС с эффективным подавлением вторичной эмиссии в системах с глубоким торможением электронного пучка на коллекторе открытого типа.
Создание алгоритмов и программ и разработка методики расчета пирсовских неравноплечных ЭОС с торможением пучка на коллекторе и эффективным подавлением вторичной эмиссии для ЭЛВ.
Численное проектирование оптимизированных вариантов ЭОС для новых типов коммутирующих приборов - электронно-лучевых вентилей. Теоретическое исследование роли вторичных электронов и ионов в проектируемых системах. Поиск путей дальнейшей модификации ЭОС существующих конструкций ЭЛВ.
Проектирование ЭОС для нового типа СВЧ прибора - ППП. Разработка методики проектирования ЭОС ППП с учетом наличия плазмы, образуемой пучком в канале транспортировки. Поиск путей оптимизации ЭОС и МФС для ППП.
Теоретическое исследование влияния на отбор и формирование вы-сокопервеансных электронных пучков компенсирующего пространственного заряда дополнительно инжектируемого ионного потока в вакуумных электронных пушках, включая пушки с плазменным анодом. Расчет коэффициентов усиления катодного тока при введении в ускоряющий зазор пушки дополнительного компенсирующего ионного потока.
Разработка методики расчета ЭОС инжекторов релятивистских электронных пучков с кольцевым катодом и электростатическим компрессором, позволяющей проводить численное проектирование оптимизированных конструкций инжекторов РЭП.
Исследование точности численного моделирования высокопервеанс-ных ЭОС. Поиск путей повышения точности расчета систем формирования плотных электронных пучков. Разработка практических рекомендаций по повышению точности численного анализа ЭОС приборов технологического назначения.
9. Расчетно-теоретическая и экспериментальная проверка принципов
построения и численного проектирования высокопервеансных ЭОС, алго
ритмов и методик их расчета, а также конкретных вариантов ЭОС, созданных
на основе теоретических положений и практических рекомендаций диссерта
ции.
Методы исследования.
В работе использовался комплексный подход, включающий в себя теоретическое исследование с использованием аналитических и численных методов решения (синтеза и анализа) поставленных задач проектирования ЭОС для ЭЛВ, ППП и инжекторов РЭП; построение физических и численных моделей проектируемых систем; разработку алгоритмов и методик расчета, проведение апробации предложенных методик и сравнение теоретических и экспериментальных результатов. В процессе проведения исследований использовались как известные, так и оригинальные, специально разработанные алгоритмы, методики и программы расчета высокопервеансных ЭОС для электронно-лучевых приборов и устройств технологического назначения.
Научная новизна результатов исследований и выводов, представленных в работе, состоит в следующем:
Предложен и развит новый подход к построению ЭОС мощных высоковольтных электронно-лучевых коммутирующих приборов. Показана необходимость проектирования ЭОС, формирующих расходящиеся от катода однородные по сечению ламинарные электронные потоки с торможением на открытом коллекторе и формированием антидинатронного минимума потенциала. Предложена теоретическая модель построения оптимальных ЭОС для ЭЛВ, основанная на сочетании пушки с выпуклым катодом и расходящимся пучком, протяженного эквипотенциального промежутка и согласованной с пушкой области торможения пучка.
Впервые проведено систематическое (расчетное и экспериментальное) исследование процессов глубокого торможения высокопервеансного пучка в ЭОС с открытым коллектором при введении в области торможения антидинатронных электродов. Исследована зависимость глубины и формы минимума потенциала и перераспределения вторичных и отраженных электронов от положения антидинатронного электрода. Разработана наиболее эффективная система подавления вторичных и отраженных электронов с защитным электродом для приборов типа ЭЛВ.
Предложено и создано специальное программное обеспечение для расчета пирсовских ЭОС с торможением пучка и методика проектирования оптимальных ЭОС ЭЛВ, основанная на комплексном использовании специализированных программ расчета пирсовских систем и программ математического моделирования ЭОС (синтеза и анализа). На основе разработанных подходов проведена оптимизация ЭОС с защитным электродом для ЭЛВ, показавшая возможность существенного улучшения основных параметров разрабатываемых приборов: коммутируемой мощности, потерь, внутреннего сопротивления.
4. Предложена модель и разработаны алгоритмы задания вторичной
эмиссии при проектировании ЭОС электронно-лучевых приборов, примени-
мые в программах численного моделирования ЭОС. Созданы программы расчета ЭОС ЭЛВ с учетом вторичной эмиссии с коллектора, позволяющие значительно повысить точность численного проектирования разрабатываемых вариантов ЭЛВ.
Создана ЭОС с магнитным сопровождением пучка, на основе которой созданы мощные широкополосные пучково-плазменные приборы, предложена методика численного моделирования ЭОС ППП с учетом специфики режимов работы (вакуумного и газонаполненного — с наличием встречного потока ионов). Рассчитан ионозащищенный вариант ЭОС ППП. Проведен анализ путей совершенствования ЭОС и разработан концептуальный проект ППП с минимизированной по габаритам и потерям системой магнитной транспортировки пучка.
Проведен анализ задачи усиления катодного тока в сферических диодах за счет компенсации пространственного заряда электронов инжектируемым ионным пучком, показавший возможность существенного (в пять раз и более) усиления электронного тока в вакуумных электронных пушках (включая пушки с плазменным анодом). Предложена схема построения ЭОС с увеличением отбираемого с катода электронного тока за счет введения в ускоряющий зазор пушки компенсирующего ионного потока, возможность реализации которой подтверждена численным моделированием.
Для формирования релятивистских электронных пучков с большой плотностью тока предложен подход к построению конструкции инжектора РЭП с электростатическим компрессором пучка. Предложена методика расчета системы формирования полого РЭП в кольцевом электростатическом компрессоре, создана программа синтеза ЭОС инжектора РЭП, апробированная расчетом вариантов ЭОС инжекторов РЭП с высокой степенью компрессии.
8. Впервые проведено систематическое исследование точности численного анализа высокопервеансных ЭОС; определены источники погрешностей численного расчета систем данного класса в существующих пакетах прикладных программ; предложены принципиальные пути повышения точности решений при расчете систем формирования плотных электронных пучков. Разработаны алгоритмы, обеспечивающие гарантированное повышение точности численного проектирования высокопервеансных ЭОС (включая системы с наличием ионного фона в прикатодной области) мощных электроннолучевых приборов технологического и научного назначения.
Степень достоверности результатов проведенных исследований.
Достоверность результатов проведенных исследований, предложенных методик и разработанных вариантов ЭОС подтверждается совпадением данных, полученных теоретически и экспериментально. Обоснованные принципы построения и численного проектирования высокопервеансных ЭОС, алгоритмы и методики расчета таких ЭОС, а также разработанные конкретные варианты ЭОС нашли применение при проектировании мощных приборов и устройств различного назначения. Результаты расчетов, испытаний и работы приборов и устройств показали улучшенные характеристики используемых в них ЭОС, созданных на основе теоретических положений и практических рекомендаций диссертации. Предложенные способы построения высокопервеансных ЭОС и разработанные методики численного проектирования прошли апробацию в различных конструкциях экспериментальных, опытных и серийных приборов и устройств технологического и научного назначения, разработанных в ГУП РФ ВЭИ.
Практическая значимость работы заключается в следующем. 1. Новый подход к построению ЭОС для мощных электронно-лучевых коммутирующих приборов и разработанная модель пирсовских ЭОС с глубоким торможением пучков на коллекторе «открытого» типа, а также результаты
теоретического и экспериментального исследования ЭОС с подавлением вторичных и отраженных электронов с помощью защитного электрода являются основой проектирования современных конструкций ЭЛВ.
Разработанная методика расчета ЭОС ЭЛВ с учетом вторичной эмиссии использована при проектировании перспективного варианта ЭЛВ 4/40 и показала возможность существенного улучшения параметров по сравнению с выпускаемыми конструкциями ЭЛВ (увеличения коммутируемой мощности на 50 — 70 % при одновременном 30 %-м снижении потерь в приборе).
Конструктивное решение и методика численного проектирования инжектора РЭП с электростатическим компрессором пучка использованы в ВЭИ при выполнении НИР по разработке сильноточного инжектора РЭП.
На основе спроектированной ЭОС с магнитным сопровождением пучка разработаны в ВЭИ все действующие мощные широкополосные пучково-плазменные усилители СВЧ, предназначенные для использования в технологических установках и системах связи.
Проведены расчеты ЭОС, предложен и разработан концептуальный проект плазменной ЛБВ с минимизированной по габаритам (в 5 —7 раз) и потерям (более чем в 5 раз) системой магнитной транспортировки пучка.
6. Предложенные алгоритмы повышения точности программ численного
анализа систем формирования интенсивных электронных пучков использу
ются при разработке современных пакетов и программ численного модели
рования ЭОС электронно-лучевых приборов и электрофизической аппарату
ры в ИВМ и МГ СО РАН, в ЗАО «Центр РИТМ», г. Новосибирск и при обу
чении студентов в МЭИ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Всесоюзных семинарах по методам расчета электронно-оптических систем (Новосибирск, Рязань, Ленинград, Ташкент, Львов, 1973-1986г.г.); Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск, 1986г.); Все-
союзной конференции по электронике СВЧ (Орджоникидзе, 1986г.); Международной конференции по электронно-лучевым технологиям (Варна, 1991г.); Всесоюзных семинарах-совещаниях по технологическому применению интенсивных электронных пучков (1976-1996г.г.); Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Московского государственного открытого университета, 1998г.; Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 1999г.); Всероссийских семинарах «Проблемы теоретической и прикладной электронной оптики» (Москва, 1997, 1998, 1999, 2001 г.г.), Научной сессии МИФИ-2001; Четвертой международной конференции по вакуумным источникам электронов (Саратов, 2002).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 63 печатных работах и 7 авторских свидетельствах на изобретения.
Личный вклад автора. Общий анализ проблемы. Постановка задач; организация и проведение всех теоретических и экспериментальных исследований, представленных в работе. Разработка новых подходов к построению ЭОС рассмотренных в работе приборов, физических и математических моделей, принципиальных алгоритмов и специализированных программ расчета ЭОС ЭЛВ с учетом вторичной эмиссии, ЭОС инжекторов РЭП с электростатическим компрессором. Разработка основных принципиальных подходов к развитию и совершенствованию методов численного моделирования высокопервеансных ЭОС. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели и решаемые для их достижения задачи, кратко излагается содержание. В первой гла-
ве приводится теоретическая модель построения оптимальных ЭОС ЭЛВ и результаты теоретических и экспериментальных исследований пирсовских ЭОС с торможением пучка и подавлением вторичной эмиссии с помощью антидинатронных электродов. Во второй главе приводятся результаты исследований влияния защитного электрода на формирование первичного пучка в ЭОС ЭЛВ и алгоритмы расчета неравноплечных пирсовских ЭОС с учетом минимума потенциала в области торможения. Третья глава посвящена проблемам задания вторичной эмиссии при численном проектировании ЭОС и описанию алгоритмов и программ расчета ЭОС ЭЛВ с учетом вторичной эмиссии. В четвертой главе приведены численно-теоретические и экспериментальные результаты проектирования ЭОС с магнитным сопровождением для ППП и представлены результаты анализа задачи усиления катодного тока в вакуумных и биполярных диодах за счет дополнительно инжектируемых ионов. Пятая глава посвящена вопросам расчета и построения ЭОС инжектора РЭП с электростатическим компрессором пучка, и синтезу ЭОС РЭП с электростатической компрессией на основе геометризованных уравнений. В шестой главе приводятся результаты исследования точности численного анализа высокопервеансных ЭОС; предложены пути повышения точности решений при расчете систем формирования плотных электронных пучков и приведены алгоритмы, позволяющие повысить точность программ численного анализа ЭОС при проектировании ЭОС приборов технологического назначения. В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации. Приложение содержит тексты к программам расчета ЭОС с инструкциями пользования программами.
Работа изложена на 400 страницах и содержит 237 страниц основного текста, список литературы из 250 наименований, 85 страниц с иллюстрациями и приложение.
На защиту выносятся следующие научные результаты и положения:
1. Новый физический подход к построению ЭОС мощных электронно
лучевых приборов коммутирующего типа. Проектирование ЭОС, форми
рующих расходящиеся от катода однородные по сечению ламинарные элек
тронные потоки с торможением на открытом коллекторе и антидинатронным
минимумом потенциала, позволяющее значительно улучшить основные па
раметры приборов типа ЭЛВ: коммутируемую мощность, потери, внутреннее
сопротивление.
Модель построения оптимальных ЭОС коммутирующих приборов, которая состоит из пушки с выпуклым катодом, протяженного ускоряющего электрода и области торможения пучка с открытым коллектором и минимумом потенциала, формируемым с помощью антидинатронного электрода. Применение выпуклого катода увеличивает ток в приборе заданных габаритов при одновременном снижении потерь по напряжению. Введение протяженного эквипотенциального промежутка позволяет согласовать разномасштабные области ускорения и торможения пучка и повышает экранировку пушки от коллектора, что улучшает пентодность вольтамперной характеристики прибора.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований тор
можения пучка на открытом коллекторе в пирсовских ЭОС с антидинатрон
ным (супрессорным, промежуточным, защитным) электродом. Результаты
исследований зависимости глубины и формы минимума потенциала в пучке
и перераспределения вторичных и отраженных электронов от положения ан
тидинатронного электрода.
Предложенная эффективная система подавления вторичных и отраженных электронов в приборах типа ЭЛВ - с антидинатронным защитным электродом, оптимизированная для ЭОС мощных коммутирующих приборов
типа ЭЛВ; положение антидинатронного защитного электрода вблизи ускоряющего электрода, позволяющее максимально снижать токовые потери и, соответственно, уменьшать мощность системы управления.
Алгоритмы и комплекс программ расчета пирсовских ЭОС с торможением пучка на открытом коллекторе с учетом минимума потенциала в области торможения для проектирования высокопервеансных ЭОС приборов типа ЭЛВ с улучшенными параметрами.
3. Математическая модель задания энергетического спектра вторичных
электронов, предназначенная для программ численного моделирования ЭОС,
и алгоритмы задания вторичной эмиссии при численном проектировании
ЭОС ЭЛП, позволяющая учитывать вторично-эмиссионные характеристики
конкретных материалов и автоматизировать процесс задания вторичной
эмиссии при расчете электронных приборов.
Программы расчета ЭОС ЭЛВ с учетом вторичной эмиссии с коллектора и результаты численных исследований влияния вторичной эмиссии в системах с глубоким торможением пучка, подтверждающие необходимость учета вторичной эмиссии при проектировании вариантов ЭЛВ.
4. ЭОС пучково-плазменных СВЧ-усилителей с жестким магнитным
сопровождением пучка, реализованный в действующих приборах (плазмен
ных ЛБВ).
Принцип построения и ЭОС пучково-плазменных приборов с плавным наращиванием магнитного поля в области системы дифференциальной откачки, позволившие разработать концепцию перспективной плазменной ЛБВ с минимальными габаритами и потерями в системе магнитной транспортировки пучка.
5. Результаты анализа влияния ионной компенсации пространственного
заряда электронов в промежутке катод-анод пушки, подтвердившие возмож
ность усиления катодного тока по сравнению с лэнгмюровским значением.
Алгоритм учета влияния ионов в прикатодной области электронных пушек и результаты численного моделирования влияния компенсирующего ионного фона на формирование траекторий электронов вблизи катода, подтверждающие возможность управления процессом формирования мощного электронного пучка путем инжекции ионов.
Возможность построения ЭОС вакуумных вариантов сильноточных электронных пушек и мощных инжекторов электронных пучков, включая пушки с плазменным анодом, с инжекцией в зазор между катодом и анодом ионного пучка с промежуточной энергией, позволяющая добиться значительного (в 5 раз и более) усиления катодного тока по сравнению с величинами, соответствующими токам в лэнгмюровских диодах.
Результаты численного исследования влияния ионного фона в прикатодной области пушек, показавшие существование эффекта усиления фокусирующих или дефокусирующих свойств ЭОС в прикатодной области пушек с неоднородной эмиссией при наличии однородного ионного фона, подтверждающие необходимость корректного учета пространственного заряда ионов вблизи катода при численном проектировании электронных пушек с ионной компенсацией.
Аналитическая модель построения ЭОС формирования релятивистского электронного пучка с большой плотностью тока и конструктивное решение ЭОС инжектора РЭП с электростатическим компрессором.
Построение ЭОС инжекторов РЭП с компрессией пучка поперечным электростатическим полем, позволяющее совмещать в конструкции инжектора большую величину выходной плотности тока с длительным сроком службы катода.
Алгоритмы и программы расчета ЭОС инжекторов РЭП с компрессией пучка поперечным электростатическим полем на основе геометризованной
теории пучков, позволяющие на порядок повысить точность расчета таких систем.
Результаты исследований точности численного моделирования систем формирования интенсивных электронных пучков и тестовых задач, показывающие, что погрешности численного анализа обусловлены несовершенством применяемых в программах физических моделей: одномерных лэн-гмюровских решений вблизи особой поверхности — эмиттера, и несогласованностью топологии конечно-разностных элементов (сеток), используемых при вычислении поля и объемного заряда, с геометрией формируемого пучка и внешних электродов.
Пути устранения погрешностей при расчете систем формирования плотных электронных пучков (включая системы с наличием ионного фона в прикатодной области); алгоритмы, обеспечивающие гарантированное повышение точности программ численного анализа высокопервеансных ЭОС (применение методики антипараксиальных разложений в прикатодной области и использование криволинейных сеток, геометрически подобных формируемым потокам и электродам ЭОС в регулярных областях).
