Введение к работе
С развитием наукоемких отраслей техники, таких, как радио, телевидение, радиолокация, спутниковая связь, возрастает потребность в разработке новых и оптимизации существующих электровакуумных усилителей СВЧ-диапазона. Это требует совершенствования методик и технологий разработки и оптимизации основных параметров приборов, таких, как коэффициент полезного действия, коэффициент усиления, диапазон частот. Наряду с этим одним из важнейших требований потребителей современных электровакуумных приборов является улучшение их массогабаритных характеристик.
Ключевым для функционирования ЭВП является процесс взаимодействия СВЧ-сигнала с электронным пучком. Являясь источником энергии для усиления сигнала, электронный пучок в случае оседания на стенках пролетных каналов, способен вывести прибор из строя. Для обеспечения магнитного сопровождения пучка по длине пространства взаимодействия применяются системы магнитной фокусировки и сопровождения. Принцип магнитной фокусировки электронного потока основан на взаимодействии магнитного поля с электронами пучка. В настоящее время наиболее перспективными являются магнитные системы на основе постоянных магнитов, так как позволяют значительно улучшить массогабаритные характеристики современных конструкций ЭВП по сравнению с аналогами, использующими соленоиды. Кроме того, подобные системы не требуют дополнительного источника питания, относительно просты в изготовлении и наладке.
Особенно перспективно использование магнитотвердых материалов на основе сплавов неодима с железом и бором (NdFeB), обладающих по сравнению с магнитами из сплавов самарий-кобальт (SmCo) более высокими энергетическими характеристиками, повышенной объемной однородностью свойств и более низкой стоимостью.
Ограничения на массу и габариты разрабатываемых ЭВП, накладываемые заказчиками современной аппаратуры, и использование в ЭВП фокусирующих систем на постоянных магнитах на основе более дорогостоящих, по сравнению со сплавами AINiCo или феррита бария, редкоземельных материалов, вызывают необходимость в оптимизации конструкции этих магнитных систем.
Задача получения необходимого распределения магнитного поля в рабочих областях электродинамических систем ЭВП с использованием постоянных магнитов на основе РЗМ сопряжена с рядом проблем, связанных с особенностями материалов самих магнитов и магнитомягких материалов, входящих в конструкцию прибора, включая специальные покрытия для поглощения паразитных СВЧ-колебаний, а так же особенностями конструкции самой магнитной фокусирующей системы (МФС).
Для получения в рабочих каналах ЭВП требуемого продольного (вдоль оси канала) магнитного поля с высокой однородностью, стабильного по времени и не меняющегося под воздействием внешних факторов, необходимо, основываясь на знании структуры и свойств постоянных магнитов из редкоземельных материалов, использовать обоснованные методы и принципы сборки и настройки магнитных систем ЭВП.
На практике при проектировании, сборке и настройке МФС возникают трудности в связи с отсутствием четко сформулированных методов реализации этих процессов при построении МФС ЭВП. Это особенно заметно при использовании в магнитных системах магнитов на основе сплава NdFeB. В силу того, что этот сплав является относительно новым материалом при изготовлении магнитов (широкое применение данный сплав получил с 1985 года), возникла необходимость более строгого рассмотрения существующих подходов, моделей и методов проектирования и настройки МС на их основе.
Цель диссертационной работы:
Исследование и совершенствование существующих и разработка новых моделей и методов настройки параметров фокусирующей магнитной системы,
обеспечивающих более эффективное использование магнитного материала, уменьшение негативного влияния поглощающих покрытий на магнитное поле, снижение времени технологических операций настройки МС ЭВП, а также повышение однородности, стабильности параметров магнитного поля МФС, улучшение характеристик приборов.
Исходя из поставленной цели, в диссертационной работе были рассмотрены и решены следующие основные задачи:
1. Разработаны рекомендации по нанесению поглощающего покрытия на
внутренние стенки резонаторов, позволяющие уменьшить влияние этого
покрытия на магнитное поле вблизи пролетных каналов, и препятствующих
оседанию электронного потока.
2. Выработаны рекомендации по настройке магнитных систем с
использованием дополнительных внешних магнитопроводов, позволяющих
добиться распределения фокусирующего магнитного поля, способствующего
наилучшему прохождению электронного потока.
3. Выработаны рекомендации по конструированию МС ЭВП и настройке
параметров поля магнитных систем.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием обоснованных алгоритмов расчетов МФС ЭВП и подтверждена соответствием результатов расчетов, полученных в ходе использования различных программных средств, результатам экспериментальных измерений, а так же результатами внедрения в производство ряда образцов МФС ЭВП. Научная новизна работы:
1. Впервые проведено комплексное исследование с использованием экспериментальных и численных методов влияния альсиферового поглощающего покрытия на магнитное поле и, как следствие, на прохождение электронного потока через пролетные каналы прибора. Предложены методы уменьшения этого влияния и методы
использования поглощающего покрытия для оптимизации распределения индукции фокусирующего пучок магнитного поля.
Исследовано влияние дополнительных внешних магнитопроводов на продольную и поперечные компоненты индукции магнитного ПОЛЯ многолучевых клистронов. Разработана методика настройки продольной и радиальной составляющей магнитного поля в рабочих зазорах МФС ЭВП, позволяющая существенно сократить длительность этой операции на стадии производственной наладки прибора.
Предложены и реализованы в виде конструктивных решений магнитные системы для ЭВП, защищенные патентами и примененные в разработках ЭВП.
Практическая значимость диссертационной работы:
Предложена и апробирована методика нанесения альсиферового поглощающего покрытия, позволяющая уменьшить, оптимизировать или полностью исключить влияние покрытия на магнитное поле МС, улучшив, таким образом, прохождение электронного пучка.
Выработаны практические рекомендации по установке дополнительных внешних магнитопроводов на МС, позволяющие учитывать их влияние не только на промежуток, в котором они установлены, но и на остальные рабочие промежутки магнитного поля, предоставляя таким образом возможность оптимизации рабочего времени при производственной наладке ЭВП.
На основе обобщенной методики предложены и реализованы конструктивные МФС миниатюрных усилительных клистронов «Малыш», «Форма», спроектирована магнитная система сверхмощного магнетрона «Базис», проведена оптимизация магнитных систем для приборов «Арена», «Аид» и др., позволившая уменьшить объем РЗМ при изготовлении данных МФС.
Личный вклад автора связан с выполнением в полном объеме, либо активном участии во всех приведенных в работе расчетах и экспериментальных исследованиях, анализом полученных результатов. Кроме того ему принадлежит разработка методик проектирования и настройки МФС ЭВП, их практическая реализация. Автор принимал непосредственное участие в процессах сборки и настройки МФС.
Основные положения, выносимые на защиту:
Обобщенная методика численного проектирования магнитных систем ЭВП, включающая компьютерное моделирование МФС и траекторный анализ электронного пучка, сопоставленные с результатами экспериментальных исследований трехмерного магнитного поля, полностью описывает цикл разработки магнитных систем для ЭВП и позволяет унифицировать и приблизить к экспериментальным результатам процесс разработки различных типов МЛК.
Упрощенная методика настройки магнитных систем клистронов, основанная на использовании принципа суперпозиции полей магнитных колец, с учетом входящих в систему магнитомягких шунтов, используя предварительно определенные для конкретного типа ЭВП зависимости, позволяет ускорить процесс производственной наладки МС.
Предложенная методика нанесения альсиферового покрытия позволяет обеспечивать подавление паразитных видов колебаний при отсутствии негативного влияния на магнитное поле МС.
Конструктивные решения, реализованные при разработке магнитных систем многолучевых клистронов, подтвердили эффективность разработанных методик.
Апробация результатов работы
По теме диссертации опубликовано: 3 научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК; 6 тезисов докладов на международных конференциях и
семинарах; 2 патента на полезную модель; 1 патент на изобретение; 2 учебных пособия.
Общее число публикаций по теме диссертации - 19 Общее число докладов - 6.
Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. Двенадцатая Ежегодная международная научно-технической
конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика». ГОУВПО МЭИ (ТУ), Москва, 2006г.
Седьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». ФГУП «НПО Орион», Москва 2003г.
Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", ФГУП «НПО Орион», Москва 2007 г.
Девятый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», ФГУП «НПО Орион», г. Москва, 27 - 29 мая 2009 г.
Десятый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», ФГУП «НПО Орион», г. Москва, 2011г.
6. Шестнадцатая научно-техническая конференция с участием
зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Сочи, 2009 г
7. 8-th International Vacuum Electron Sources Conference and NANOcarbon,
Nanjing, China.
Структура и объем работы
