Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время актуальным является вопрос разработки мощных генераторных ламп для определенных областей применения. К одной из таких областей относится разработка устройств электромагнитного воздействия на электронные схемы управления. Данное применение требует реализации импульсной мощности мегаваттного уровня при работе в диапазоне дециметровых волн. Другой такой областью применения является использование мощных генераторных ламп в системах дальней локации и радиосвязных передающих устройствах, работающих в диапазоне частот 10-100 МГц при уровне постоянной выходной колебательной мощности десятки киловатт. Традиционный подход в создании сеточных генераторных ламп имеет определенные пределы, что не всегда обеспечивает необходимые параметры. В этом случае используется параллельное включение двух и более приборов. Основными параметрами, которые желательно увеличить, чтобы исключить параллельную работу ламп, являются мощность и электронный КПД. В связи с этим целесообразно обратиться к опыту разработки мощных ключевых ламп с высоким электронным КПД - электронно-лучевым вентилям (ЭЛВ). Успехи в разработке ЭЛВ уже позволяют ставить вопрос о применении подобных ламп в преобразователях для силовой электроники и энергетики, где КПД и мощность играют решающую роль. Высокий электронный КПД ЭЛВ достигается за счет торможения электронного пучка на аноде, при этом данный тип приборов характеризуется большой мощностью рассеяния на электродах и высоким значением коэффициента статического усиления при пснтодном характере анодной вольт-амперной характеристики. Малое падение напряжение на аноде и возможность понижать его в 3-4 раза по сравнению с потенциалом на управляющей сетке позволяют надеяться на возможность получения высокого значения КПД и большой мощности в режиме генерации. Этим обусловлена актуальность избранной тематики.
Цель работы.
Целью настоящей работы является исследование путей создания мощных усилительных и генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде. Данная цель включает в себя два направления:
-
исследование путей создания высокочастотной импульсной генераторной лампы большой мощности для работы в режиме автогенерации на параметры: выходная импульсная мощность до 5-10 МВт, рабочая частота 400-500 МГц.
-
исследование путей создания мощной генераторной лампы непрерывного действия для работы в режиме усиления мощности на параметры: выходная мощность до 40 кВт, диапазон рабочих частот 10-100 МГц.
Задачей диссертационной работы является разработка технических предложений по конструкции генераторных ламп с повышенным КПД на
указанные выше параметры и передача их на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для реализации экспериментальных образцов.
Методика исследования и достоверность результатов.
В рамках данной работы при исследовании структуры высокочастотных полей и электронно-оптических систем приборов широко использовались программные среды Agilent HP HFSS v5.6 и "ЭРА". Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде статических испытаний НИЦ СЭ, а также на вновь созданных в рамках данной работы стенде импульсных испытаний и физической модели генераторного модуля УВЧ колебаний. Достоверность представленных в работе результатов подтверждается совпадением данных, полученных в результате компьютерного моделирования и экспериментального исследования макетных образцов генераторных ламп.
Научные результаты работы:
1. Проведен подробный аналитический обзор существующих
генераторных ламп отечественного и зарубежного производства.
-
Проведено экспериментальное исследование электронно-лучевых вентилей существующих типов (ЭЛВ 2/200, ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100) в непрерывном и импульсном режимах на вновь созданном стенде статических и импульсных испытаний. Показана возможность реализации импульсной мощности мегаваттного уровня и средней мощности десятки-сотни киловатт в приборах с торможением электронов на аноде.
-
В ходе исследований показано, что использование принципа торможения электронов на аноде в режимах автогенерации и усиления мощности позволяет увеличить по сравнению с применяемыми в настоящее время лампами амплитуду колебаний при одном и том же напряжении источника питания в цепи анода Еа, либо позволяет снизить величину Еа при одинаковой амплитуде колебаний. Оба этих фактора способствуют увеличению электронного КПД прибора.
4. Предложено два пути создания мощных генераторных ламп. Первый -
для работы в режиме усиления мощности с вводом в конструкцию лампы
дополнительной управляющей сетки. Данное конструктивное решение снижает
в 2-3 раза первеанс по управляющему электроду, что, при прочих равных
условиях, способствует уменьшению выходной мощности, но значительно
увеличивает крутизну (и как следствие - коэффициент усиления), способствует
управлению прибором низким уровнем напряжений, позволяет работать в
области отрицательных сеточных напряжений, т.е. без искажений входного
сигнала (в случае режима усиления) и без потерь в цепи управления. Второй
путь - создание мощных генераторных ламп для работы в автогенераторном
режиме с выходной импульсной мощностью мегаваттного уровня. В этом
случае использование дополнительной управляющей сетки, уменьшающей
первеанс, является нецелесообразным, так как главным критерием в этом
случае является максимальная выходная мощность.
-
Проведено исследование путей создания мощной генераторной лампы на параметры: импульсная мощность до 5-Ю МВт, рабочая частота 400-500 МГц. Разработан и исследован макет 18-лучевой генераторной лампы, на примере которого показана возможность реализации импульсной мощности мегаваттного уровня, при этом результаты расчета и анализа времяпролетных явлений показывают способность работы данного прибора в заданном диапазоне дециметровых волн. Проведено исследование структуры высокочастотных полей в генераторной лампе посредством компьютерного моделирования. Установлено, что основным условием возбуждения колебаний на заданной частоте является пространственное совпадение максимума высокочастотного поля с местоположением ленточных катодов многолучевой системы. Также целесообразным является отказ от использования в конструкции лампы защитного электрода, ухудшающего связь между контурами, при этом для обеспечения глубокого торможения заменить его можно за счет использования камерного анода.
-
Исследованы пути создания мощной электронно-лучевой генераторной лампы непрерывного действия для работы в режиме усиления мощности в диапазоне частот 10-100 МГц. Проведено экспериментальное исследование разработанного макета 8-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом, выполнен расчет генераторных режимов лампы с многолучевой электронно-оптической системой с торможением электронов на аноде и управляющей сеткой. Результаты исследований показывают, что данное конструктивное решение позволяет сочетать в себе преимущества электронно-лучевых приборов с торможением электронов на аноде (большая выходная мощность и высокий электронный КПД) и ламп с сеточным управлением (высокое значение крутизны анодно-сеточной характеристики, управление малыми амплитудами сеточных напряжений, возможность работы в области отрицательных сеточных напряжений). По результатам данных исследований получен патент на изобретение.
Практические результаты работы:
-
Разработан и создан стенд импульсных испытаний для исследования электровакуумных приборов в импульсном режиме.
-
Разработан и изготовлен макет высокочастотной электронно-лучевой генераторной лампы большой импульсной мощности на параметры: ток до 500 А, коммутируемое напряжение 40 кВ, выходная импульсная мощность до 5-10 МВт. Создана физическая модель мощного генераторного модуля УВЧ колебаний на основе электронно-лучевой генераторной лампы в сочетании с объемными резонаторами.
-
Разработаны технические предложения по конструктивной компоновке импульсной высокочастотной электронно-лучевой генераторной лампы большой мощности и техническое задание на разработку и изготовление экспериментальных образцов, переданные на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для их реализации.
4. Разработан и изготовлен макет мощной электронно-лучевой
генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом на
параметры: ток до 30 А, коммутируемое напряжение 40 кВ, диапазон рабочих частот 10-100 МГц.
5. Разработаны технические предложения по конструктивной компоновке мощной электронно-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом для работы в режиме усиления мощности и техническое задание на разработку и изготовление экспериментальных образцов, переданные на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для их реализации.
Положения, выносимые на защиту:
1. На основании исследования работы электронно-лучевых вентилей
(ЭЛВ) в усилительном и генераторном режимах показано, что использование
принципа торможения электронов на аноде позволяет значительно повысить
электронный КПД генераторных ламп (на величину до 10-15 % в зависимости
от режима работы).
-
При использовании электронно-лучевых генераторных ламп с торможением электронов на аноде (ЭЛГ) в усилительных каскадах целесообразно введение в их конструкцию дополнительного управляющего электрода, работающего в области отрицательных сеточных напряжений. Для использования ЭЛГ в автогенераторном режиме целесообразно разрабатывать лампу без дополнительного управляющего электрода, так как при введении его в конструкцию первеанс по ускоряющей (экранной) сетке уменьшается в 2-3 раза (как следствие, увеличение потребляемой мощности), при этом она теряет свои экранные свойства в диапазоне дециметровых волн, что в сочетании с усложнением системы питания прибора ведет к снижению КПД генераторного устройства.
-
На основании проведенных теоретических и экспериментальных макетных исследований предложена конструкция и даны технические предложения по созданию электронно-лучевой генераторной лампы на параметры: импульсная мощность 5-Ю МВт, рабочая частота 400-500 МГц. Согласно данной конструкции в основе электронно-оптической системы лампы заложен принцип пространственного совпадения максимума высокочастотного поля в катодно-сеточном контуре с местоположением ленточных катодов многолучевой системы в результате искусственной организации холостого хода и короткого замыкания для высокочастотной волны в соответствующих областях.
-
На основании проведенных теоретических и экспериментальных макетных исследований разработаны технические предложения по созданию усилительно-генераторной лампы с сеточным управлением на параметры: колебательная мощность не менее 40 кВт, рабочая частота до 100 МГц, анодный ток 40 А. Разрабатываемая лампа по сравнению с используемыми в настоящее время генераторными лампами ГУ-36Б-1 дает возможность увеличить выходную колебательную мощность (более, чем в 2 раза) и повысить электронный КПД на величину до 10 % в зависимости от режима работы.
Апробация работы
Основные результаты работ были представлены на следующих конференциях:
Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, МЭИ (ТУ), 2004.
Седьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, НПО ОРИОН, 2005.
Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, НПО ОРИОН, 2007.
IX Симпозиум. Электротехника 2030. Перспективные технологии электроэнергетики. Истра, ФГУП ВЭИ, 2007.
Девятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, НПО ОРИОН, 2009.
Конференция "Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики - 2008", Москва, ОАО "НТЦ электроэнергетики", 2008.
Личный вклад соискателя
Участие в создании испытательных стендов, организации и проведении всех описанных в работе экспериментальных исследований, участие в моделирование электронно-лучевых вентилей и генераторов, обработка и систематизация результатов исследований, выполнение всех расчетов, представленных в работе.
Публикации
По основному содержанию и результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации
