Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование высокопервеансного электронного потока в ЭОС мощных ЛБВ 18
1.1. Анализ возможностей повышения первеанса электронных пушек со сходящимся потоком 18
1.2. Выбор оптимальной конфигурации сеточных структур 29
1.3. Методика и рекомендации по проектированию электронных пушек с высоким первеансом 32
1.4. .Высокопервеансная электронная пушка со сферическими катодом, теневой, управляющей и анодной сетками 34
1.5. Высокопервеансная электронная пушка с тороидальными катодом, теневой, управляющей сетками и сферической анодной сеткой 40
1.6 Экспериментальные исследования высокопервеансных электронных пушек для приборов сантиметрового диапазона 45
1.7. Высокопервеансная электронная пушка с катодом, теневой и анодной сетками 51
1.8. Эволюция структуры электронного потока за анодом высокопер-.веансныхЭОС , 55
1.9. Вольтамперные характеристики высокопервеансных ЭОС 60
1.10. Выводы ; 67
Глава 2. Исследование магнитной фокусировки высокопервеансного электронного потока в ЛБВ 71
2.1. Провисание потенциала в поперечном сечении пролётного канала ЭОС с высокопервеансным потоком 71
2.2. Фокусировка высокопервеансного аксиально-симметричного сплошного цилиндрического потока магнитным полем .МПФС 81
2.3. МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля 90
2.4. Повышение токопрохождения в мощных ЛБВ с МПФС 99
2.5. Структура высокопервеансного электронного потока в МПФС 103
2.6. Выводы 109
Глава. 3. Исследование возможности создания мощных сантиметровых высокопервеансных ЛБВ и перспективы увеличения первеанса СВЧ усилителей в коротковолновом диапазоне длин волн 112
3.1. Анализ связи первеанса с основными характеристиками и параметрами ЛБВ 112
3.2. Снижение модулирующих напряжений электронной пушки 116
3.3. Выбор типа ЗС для высокопервеансных ЛБВ 119
3.4. Высокопервеансные ЛБВ со спиральной ЗС 125
3.5. Высокопервеансные ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень» 135
3.6. .Исследование возможности повышения технического КПД мощ-ных ЛБВ с высокопервеансными ЭОС 138
3.7. Конструктивные особенности мощных импульсных высокопервеансных ЛБВ 144
3.8. Перспективы создания мощной высокопервеанснои ЛБВ в диапазоне 10 ГГц 148
3.9. Выводы 152
Заключение 155
Список использованной литературы
- Методика и рекомендации по проектированию электронных пушек с высоким первеансом
- Экспериментальные исследования высокопервеансных электронных пушек для приборов сантиметрового диапазона
- Фокусировка высокопервеансного аксиально-симметричного сплошного цилиндрического потока магнитным полем .МПФС
- Снижение модулирующих напряжений электронной пушки
Введение к работе
В настоящее время продолжается совершенствование различных радиотехнических устройств для радиолокации, связи и навигации, которое выдвигает ряд специальных требований к применяемым в них вакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ) приборам. В частности важнейшими становятся требования по миниатюризации, мобильности и многофункциональности, включающие в себя улучшение выходных параметров, снижение габаритов и массы СВЧ приборов.
Анализ параметров и конструкций электровакуумных приборов (ЭВП) СВЧ показывает, что одним из обязательных условий уменьшения их габаритов и массы является снижение рабочего напряжения. При сохранении выходных мощностных параметров это равносильно увеличению первеанса электронно-оптической системы (ЭОС) ЭВП. В случае сохранения рабочего напряжения увеличение первеанса равносильно увеличению мощности и усиления ЭВП.
Актуальность проблемы
Актуальность научных исследований, направленных на миниатюризацию СВЧ изделий была впервые отмечена в 70-х годах прошлого столетия в работах М.Б. Голанта, СИ. Реброва и других авторов [1-4]. В них указывалось, что основным условием решения поставленной задачи является поиск новых физических принципов и технических решений, обеспечивающих снижение рабочего напряжения и увеличение коэффициента полезного действия (КПД) СВЧ изделий при сохранении их выходных электрических параметров.
Многочисленные исследования по оптимизации выходных параметров СВЧ изделий с протяжёнными электронными потоками, миниатюризации изделий и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), показывают, что существенные успехи в этом направлении возможны при увеличении первеанса ЭОС СВЧ ЭВП.
Наиболее широкое применение в промышленном производстве мощных ламп бегущей волны О-типа (ЛБВ) непрерывного и импульсного действия на-
5 шли ЭОС, формирующие сплошные цилиндрические электронные потоки с умеренным значением первеанса(до 2-Ю"6 А/В3/2).
Поэтому для СВЧ приборов О-типа задача уменьшения массогабаритных характеристик сводится к разработке ЭОС, способных формировать электронные потоки с первеансом существенно выше, чем в наиболее распространённых электронных пушках Пирса со сферическим катодом [5].
Большой вклад в развитие теории и практики проектирования ЭОС, формирующих интенсивные электронные потоки внесли зарубежные и отечественные учёные и инженеры: Д. Пирс (J. Pierce), П. Кирштейн (P. Kirstein), Г. Кайно (G. Kino), Д. Петилло (J. Petillo), Е. Нельсон (Е. Nelson), М. Мюллер (М. Miiller), Д. Хехтель (J. Hechtel), Д. Эберс (J. Ebers), Р. Тру (R. True), Г. Брюер (G. Brewer), Д. Мендель (J. Mendel), Г. Мирам (G. Miram), И.В. Алямовский, Ю.А. Григорьев, Ю.А. Калинин, СИ. Молоковский, СП. Морев, П.В. Невский, В.Т. Овчаров, В.В. Пензяков, Б.С Правдин, А.Д. Сушков, В.Н. Усов, а также многие другие авторы [5-25].
В результате многочисленных научных исследований были подробно изучены способы реализации высокопервеансных электронных потоков в многолучевых ЭОС, магнетронно-инжекторных пушках, пушках с продольной компрессией электронного пучка, а также в электронных пушках, формирующих ленточные и.трубчатые электронные потоки.
Рассмотрим более подробно основные преимущества и недостатки известных к настоящему времени конструкций высокопервеансных ЭОС с протяжённым электронным потоком и выясним причины затруднений их использования в ЛБВ с одним пролётным каналом, так как именно такие приборы наиболее просты и технологичны в промышленном производстве, надёжны и долговечны в эксплуатации, и поэтому получили широкое распространение.
Многолучевые ЭОС. Как известно в мощных клистронах и ЛБВ используются многолучевые ЭОС с суммарным микропервеансом электронного пото-ка 5..Л5 мкА/В . в сочетании с относительно узкополосными замедляющими
системами (ЗС) типа «цепочка связанных резонаторов» (ЦСР). При этом реализуется снижение рабочего напряжения, расширение рабочей полосы частот, снижение габаритов и массы ЭВП СВЧ и РЭА [26].
Методика расчёта многолучевых ЭОС основана на предположении об отсутствии взаимодействия между парциальными пучками и на идентичности взаимодействия парциальных пучков с высокочастотными (ВЧ) полями, так как каждый пучок имеет свой пролётный канал. Взаимодействие парциальных пучков становится заметным при микропервеансе каждого пучка более 0,7 мкА/В , поэтому его величина в многолучевых ЭОС обычно менее 0,1...0,6 мкА/В [27]. При одинаковых значениях суммарного тока и равных ускоряющих напряжениях, ЭОС с К пучками требует для формирования электронного потока магнитное поле в 4к раз меньше, чем однолучевая ЭОС. Масса магнитной фокусирующей системы (МФС) при этом снижается также в -ІК раз. Наилучшее токопрохождение может быть получено при полном погружении всей ЭОС в сильное однородное продольное магнитное поле. Дальнейшее снижение массы МФС удаётся достичь при использовании реверсной фокусировки и применения радиально-намагниченных самариево-кобальтовых магнитов.
Ток в многолучевых ЭОС с плоскими катодами ограничен плотностью токоотбора с каждого элементарного катода. При экранировке катодов от магнитного поля ток парциальных пучков можно увеличить путём применения сферических или эллиптических эмиттерных ячеек, либо осуществлением сходимости парциальных пучков управляющим электродом [27].
В ЛБВ необходимый для многолучевой ЭОС ВЧ пакет можно реализо-вать при использовании ЗС ЦСР. В дециметровом (ДМ) диапазоне размеры ЗС ЦСР настолько велики, что применение компактных МФС затруднительно. Использование магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС) с полюсными наконечниками, являющимися элементами ЗС, допускает реализацию многолучевой ЭОС в мощных ЛБВ сантиметрового (СМ) диапазона [28,29].
Работы, направленные на увеличение мощности спиральных широкополосных ЛБВ путём создания многолучевых приборов с ЗС, состоящей из двух и более спиралей, заключённых в одном пространстве взаимодействия, показали, что свойства таких систем обеспечивают необходимое взаимодействие СВЧ поля с пучком лишь при значительном удалении спиралей друг от друга. При этом увеличиваются поперечные размеры ЛБВ и масса МФС [30].
Таким образом, идея применения многолучевой электронной оптики хотя и является рациональным конструктивным решением, но не может быть реализована в целях увеличения выходной мощности, снижения рабочего напряжения, габаритов и массы ЛБВ с одним пролётным каналом.
ЭОС с трубчатым пучком. Известно, что в ЭОС с трубчатым цилиндрическим пучком также может быть реализован первеанс пучка, существенно превышающий первеанс ЭОС с электронной пушкой Пирса. Полый пучок имеет меньшее провисание потенциала в потоке и меньший уровень ионных шумов, чем сплошной пучок. Кроме того, он обладает преимуществами с точки зрения взаимодействия с ВЧ волной (обеспечивает максимальный переход энергии поля в ВЧ энергию на минимальной длине взаимодействия).
Для формирования полых пучков разработано множество конструкций электронных пушек и методик их расчёта. Основные типы электронных пушек для формирования полых потоков: электростатическая пушка Пирса, свернутая в кольцо; магнетронно-инжекторная пушка; тороидальная пушка Гарриса; сферическая пушка Тренёвой и магнитоограниченная пушка с плоским кольцевым катодом. На практике чаще всего используются первые два типа пушек [31].
Общим недостатком электростатических электронных пушек, принципиально сдерживающим повышение их первеанса, является ограниченность пространства, занимаемого катодом. Дальнейшее увеличение микропервеанса вплоть до нескольких десятков единиц связано с использованием магнетронно-инжекторных пушек с развитой поверхностью катода, находящегося в продольном магнитном поле. Благодаря этому обеспечивается большая компрессия
8 потока и высокие значения первеанса. Однако их применение ограничивается значительными шумовыми свойствами потока, создаваемого пушкой, трудностью формирования пучка с большой степенью сходимости и сложностью конструкции. Поэтому ЛБВ с такими пушками, как правило, имеют ограниченное применение и используются в стационарной аппаратуре [31].
При сопровождении протяжённого полого потока в магнитном поле может наблюдаться неустойчивость его пространственной структуры [17]. Для получения устойчивого потока требуется, чтобы в области катода величина магнитного поля была не менее 80% от его уровня в пролётном канале [32, 33]. Практически это реализуется при использовании соленоида или постоянного магнита. Однако МФС имеет большую массу и потребляет много энергии.
Формирование полого пучка электронными пушками частично или полностью экранированными от магнитного поля - сложная задача, связанная с формированием устойчивой внутренней границы электронного потока. В этом случае необходимо предварительное закручивание пучка, либо помещение на оси системы дополнительного электрода (штыря) [17,32].
В длинноволновой чарти ДМ диапазона длин волн создание мошной спиральной ЛБВО с трубчатым пучком с электронной пушкой с плоским кольцевым катодом, полностью погружённом в однородное магнитное поле соленоида не представляет сложностей. Однако создание высокопервеансной ЭОС труб-чатым потоком для ЛБВ СМ и более коротковолнового диапазона длин волн затруднительно из-за малых поперечных размеров электродов электронной пушки, ограничений по удельной эмиссионной способности катода и сложности замены соленоида на малогабаритную МПФС. Поэтому применение полых пучков обосновано в приборах с большим радиусом пролётного канала.
Спиральная ЗС и её модификации не допускают размещения внутри пролётного канала металлических электродов для стабилизации внутренней границы потока, а указанные способы ввода пучка в магнитное поле трудновыпол-
9 нимы, поэтому ЭОС с полым пучком не нашли широкого применения в усилительных ЛБВ с одним пролётным каналом.
ЭОС с продольной компрессией электронного потока. В электронных пушках Пирса действие анодной линзы приводит к ослаблению поля и уменьшению плотности тока в центральной части катода. Это действие можно уменьшить, располагая перед анодом дополнительный электрод с более высоким потенциалом. Один из способов реализации высокопервеансного сплошного аксиально-симметричного потока - это применение в традиционной пушке со сходящимся сплошным аксиально-симметричным пучком двух анодов. Такая пушка позволяет сформировать с помощью первого анода электронный пу-чок с микропервеансом до 2 мкА/В и затем путём его торможения между первым и вторым анодом (продольная компрессия) повысить в несколько раз пер-веанс пучка в пролётном канале [34]. При этом необходимо, чтобы потенциал первого анода был существенно выше, чем потенциал ЗС. Такой путь действительно позволяет улучшить массогабаритные параметры ЛБВ. Однако объём и масса СВЧ аппаратуры при этом не уменьшается, так как требуется дополнительный источник питания высоковольтного первого анода. Кроме того, конструктивно сложно обеспечить изоляцию высоковольтного анода. Поэтому этот метод на практике обычно не используется.
ЭОС с пушкой Пирса с увеличенной компрессией. Известны попытки увеличения первеанса пушки Пирса за счёт существенного увеличения сходимости (компрессии) пучка путём изменения формы фокусирующих электродов с целью улучшения распределения потенциала в прикатодной области. Для этого катоду необходимо придать форму одной из эквипотенциальных поверхностей, что усложняет форму эмиссионной поверхности катода [8].
М. Muller, G. Brewer, J. Ebers, R. Hechtel исследовали возможности повы-шения микропервеанса пушки Пирса с увеличенной компрессией до 4 мкА/В путём компенсации влияния анодного отверстия дополнительным анодом, концентрирующим электродом с отрицательным потенциалом или изменением
10 формы катода [5, 6, 8, 10, 12, 17]. Однако исследования не привели к положительным результатам. Из-за эффектов неламинарности реальный контур пучка существенно отличается от расчётного. Возникающие при этом аберрации и трудности согласования потока с магнитным полем не способствовали широкому практическому применению таких решений.
Итак, магнетронно-инжекторные пушки формируют пучок с повышенной шумностью, пушкам с продольной компрессией необходим высоковольтный источник для питания первого анода, полые пучки требуют для сопровождения постоянное магнитное поле и центральный проводник, а многолучевые пучки в одном канале не сохраняют своей структуры на большой длине. Ленточный пучок прямоугольного сечения может быть применён в ЭВП лишь с очень малой толщиной из-за значительного смещения друг относительно друга его слоев [6].
Таким образом, анализ известных конструкций высокопервеансных ЭОС показывает, что они не могут быть взяты за основу при проектировании мощных коротковолновых ЛБВ с ЗС типа спирали, «кольцо-стержень» и их модификаций с одним пролётным каналом.
В настоящее время неуклонно расширяется сфера применения мощных ЛБВ с низковольтной модуляцией [35, 36]. Поэтому разработка и исследование свойств новых конструкций высокопервеансных ЭОС для ЛБВ сантиметрового диапазона, отличающихся высоким уровнем выходной СВЧ мощности, низкими рабочими напряжениями и малыми габаритами и массой, является актуальной задачей современной вакуумной СВЧ электроники.
Цель и основные задачи диссертационного исследования
Целью работы является исследование свойств высокопервеансных ЭОС для мощных широкополосных ЛБВ импульсного и непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн; анализ влияния увеличения первеанса на электрические и массогабаритные характеристики приборов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
исследование возможностей формирования высокопервеансного пучка в ЭОС электродами, расположенными внутри области, занятой электронным, потоком;
анализ фокусировки высокопервеансного потока магнитным полем в пролётном канале с учётом значительной величины пространственного заряда;
теоретический анализ и экспериментальные исследования электрических и массогабаритных характеристик мощных широкополосных ЛБВ с вы-сокопервеансными ЭОС и определение перспективности их применения в сантиметровом диапазоне длин волн.
Методы и средства исследования . В работе использованы методы математического моделирования высокопервеансных ЭОС на ЭВМ по двумерной и трёхмерной моделям электронного потока, анализа взаимодействия сгруппированного электронного потока с СВЧ полем бегущей волны по одномерной и двумерной нелинейной моделям, методы масштабного моделирования ЭОС, экспериментальные методы исследования и оптимизации основных параметров высокопервеансных электронных пушек и ЭОС на макетах и приборах, а также методы физического эксперимента (диафрагмы с малым отверстием) для изучения структуры и прямого измерения распределения плотности тока в электронных потоках при наличии и в отсутствии-внешних фокусирующих магнитных полей.
Научная новизна:
Предложены и исследованы высокопервеансные ЭОС для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн, обеспечивающие микропервеанс более 4,5 мкА/В3/2, которые позволяют существенно снизить рабочие напряжения, повысить электронный КПД, расширить полосу усиливаемых частот и уменьшить габариты и массу приборов и радиоаппаратуры в целом.
Теоретически и экспериментально исследованы свойства высокопервеансного электронного потока в электронных пушках со сферическими ка-
12 тодом, теневой и анодной сетками и с тороидальными катодом, теневой сеткой и сферической анодной сеткой. Установлено, что оптимальной является вторая конструкция пушки, в которой при микропервеансе до 4,5 мкА/В3/2 число ячеек анодной сетки следует выбирать равным 6 или 8, а при микропервеансе до 10 мкА/В3/2-12или16.
, 3. . Экспериментально на макете пушки с двумя сетками получены зна-чения микропервеанса от 10 до 23 мкА/В при диаметре пучка в кроссовере от 2 до 6 мм. Исследованы распределения плотности тока в поперечном сечении на различных расстояниях за анодной сеткой. Электронный поток трансформируется из многоструйного в сплошной аксиально-симметричный на расстоянии 1,5...2 диаметра пролётного канала.
Показано, что в высокопервеансной электронной пушке с управляющей сеткой наблюдается низкая чувствительность траекторий электронов к изменению напряжения на управляющей сетке, что снижает токооседание на электроды ЭОС. Это объясняется более слабой зависимостью распределения потенциала между катодом и анодом от тока пучка в пушках с анодной сеткой по сравнению с пушкой Пирса. В результате становится возможным использование таких пушек в условиях многорежимной работы ЛБВ.
Установлено, что увеличение первеанса вызывает необходимость увеличения амплитуды магнитного поля и уменьшения периода МПФС для сохранения величины параметра магнитного поля, что приводит к уменьшению амплитуды и периода пульсаций границы пучка.
Получены выражения для вычисления продольной и поперечной компонент магнитного поля МІЇФС с полюсными наконечниками и кольцевой вставкой для обеспечения несинусоидального распределения магнитного поля.
Экспериментально исследованы зависимости магнитного поля в макетах МПФС с синусоидальным и несинусоидальным распределением при малых диаметрах пролётного канала. Получено выражение для вычисления погрешности измерения магнитного поля с помощью датчика Холла.
Экспериментально исследована структура электронных потоков с микропервеансом свыше 4,5 мкА/В3/2 в МПФС в поперечном и продольном направлениях для ряда диаметров пролётного канала.
В результате проведённого анализа связи микропервеанса с основными параметрами ЛБВ установлено, что при его увеличении в 4 раза (с 1,5 мкА/В до 6 мкА/В ) возможно снижение ускоряющего напряжения ЛБВ на 39%, массы на 42%, длины на 50%, увеличение электронного КПД с 14...17% до 25...30% и, соответственно, выходной мощности.
. 10.- Экспериментально показано, что применение дополнительных радиальных и кольцевых перемычек в теневой и управляющей сетках, а также оптимизация межэлектродных расстояний в высокопервеанснои электронной пушке позволяют снизить запирающее напряжение на 40%, а напряжение превышения более чем на 50%.
11. Экспериментально подтверждена возможность расширения рабочей полосы частот ЛБВ со спиральной ЗС без использования специальных мер управления дисперсией до 1,5 октавы, а ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень» с 15% до 50...60% в результате применения ЭОС с микропервеансом 5 мкА/В3/2.
Практическая значимость Результаты проведённых исследований высокопервеансных ЭОС и предложенные научно-технические решения позволяют обеспечить создание высокоэффективных мощных импульсных и непрерывных ЛБВ в сантиметровом диапазоне длин волн для наземных и бортовых радиолокационных станций (РЛС) нового поколения и других применений.
Обоснована возможность разработки мощных низковольтных однолуче-вых ЛБВ с термокатодами в коротковолновом диапазоне длин волн с магнитной фокусировкой и низковольтным управлением, превосходящих по совокупности параметров современные ЛБВ. Эффективность таких ЛБВ может быть охарактеризована отношением произведения выходной импульсной или непрерывной мощности на рабочую полосу к произведению рабочего напряжения на
14 среднюю частоту и на массу ЛБВ величиной РВых.'(/в.~/н.)^а'/ср.'^ = (0,02...0,06) Вт/(В-кг) вместо типичной для ЛБВ с пушкой Пирса величины (0,003.. .0,007) Вт1(В кг), то есть в 6...9 раз большей.
Достоверность полученных результатов
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается корректностью применяемых теоретических методов исследований и подтверждается полученными экспериментальными результатами исследований высо-копервеансных ЭОС и макетов мощных ЛБВ на их основе.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Электронные пушки со сходящимся электронным потоком, прика-тодной теневой сеткой и расположенной в её тени анодной сеткой, позволяют получить цилиндрический сплошной поток за анодной сеткой на расстоянии 1,5.. .2 диаметра пролётного канала с микропервеансом 4.. .20 мкА/В для приборов сантиметрового диапазона длин волн.
Оптимальной конструкцией высокопервеансной электронной пушки является пушка с тороидальными катодом и теневой сеткой, сферической анодной сеткой. При микропервеансе до 4,5 мкА/В оптимальное количество ячеек анодной сетки - 6, 8, а при микропервеансе до 10 мкА/В - 12,16.
Применение высокопервеансных ЭОС в однолучевых ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн позволяет снизить ускоряющее напряжение, увеличить параметр усиления Пирса до значений 0,15...0,25, и, соответственно, электронный КПД до 25...30%, усиление на единицу электрической длины пространства взаимодействия в 2...5 раз, и расширить рабочую полосу частот спиральных ЛБВ до полутора октав без применения специальных мер управления дисперсией и ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень» до 50...60%.
Результаты исследования особенностей фокусировки высокопервеансных электронных потоков в МПФС с учётом снижения продольной скорости электронов под действием пространственного заряда и перехода части энергии пучка во вращательное движение в фокусирующем магнитном поле.
, Реализация результатов
Результаты работы используются в НИР и ОКР, проводимых в НПЦ
«Электронные системы» ФГУП «НИН «Алмаз» (г. Саратов). Конструкции вы-
^ сокопервеансных ЭОС применяются при разработке новых мощных ЛБВ сан-
тиметрового диапазона длин волн.
Апробация работы
Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на
следующих конференциях: Международной научно-технической конференции
} «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2004)» (г. Са-
ратов, СГТУ, "2004 г.), 5-ой Международной конференции IVESC-2004 (г. Пе
кин, Китай, 2004 г.), Всероссийском конкурсе среди учащейся молодежи выс-
ших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по
естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным
проектам в сфере приоритетных направлений науки и техники (г. Саратов,
СГТУ, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Радиотех
ника и связь» (г. Саратов, СГТУ, 2005 г.), Седьмом Всероссийском семинаре
«Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (г.
Москва, ФГУП «НПО «Орион», 2005 г.), XIII Зимней школе-семинаре по СВЧ
л электронике и радиофизике (г. Саратов, 2006 г.), а также на научных семинарах
кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объём диссертации
Диссертация общим объёмом 168 страниц состоит из введения, трёх глав
с выводами, заключения и содержит 75 рисунков, 7 таблиц, список использо
ванной литературы из 103 наименований.
% Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цель, за-
дачи, методы и средства исследования, отмечается достоверность результатов
работы, сформулированы положения и результаты, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость выполненных исследований, приведены сведения о реализации результатов и апробации работы, публикациях и структуре диссертации.
В первой главе теоретически и экспериментально обоснована возможность создания электронных пушек с прикатодной теневой и анодной сетками, формирующих высокопервеансные сплошные цилиндрические электронные потоки в пролётном канале СВЧ ЭВП. Исследованы процессы формирования пучков в ЭОС с тремя и двумя сеточными структурами. Рассмотрены три вида конструкций высокопервеансных электронных пушек и обоснован выбор конфигурации сеточных структур. Приведены результаты исследований структуры ускоряющих электрических полей в электронных пушках и формы электронных траекторий полученных методом математического моделирования. Проведённые расчёты на ЭВМ по программам трёхмерного анализа и синтеза подтверждены экспериментальными результатами. Структура высокопервеансного пучка в переходной области и за анодом ЭОС исследована методом подвижного зонда на вакуумных макетах с помощью специальной установки. Исследована структура пучка в различных сечениях и подтверждено, что за анодом рассматриваемых ЭОС электронный пучок преобразуется из полого в цилиндрический сплошной аксиально-симметричный поток. Приведены вольтамперные характеристики высокопервеансных ЭОС.
Во второй главе исследованы процессы магнитной фокусировки высокопервеансного электронного пучка. Проведён анализ провисания потенциала в поперечном сечении пролётного канала с пучком в приборах сантиметрового диапазона и указана необходимость учёта его при расчёте ЭОС и пространства взаимодействия ЛБВ. Показана необходимость учёта изменения магнитного поля в МПФС в поперечном сечении, которая подтверждена соответствующими расчётами и экспериментальными результатами. Рассмотрены вопросы, связанные с ВЧ расфокусировкой высокопервеансного пучка, приведены расчёты,
17 показывающие преимущества использования комбинированных МПФС с постоянным магнитом перед коллектором и МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля. Исследована структура высокопервеансного электронного потока в МПФС с различными уровнями магнитного поля.
В третьей главе проанализированы зависимости выходных характеристик, габаритов и массы мощных однолучевых ЛБВ от величины первеанса электронного потока. Рассмотрен вопрос снижения модулирующих напряжений на управляющей сетке высокопервеансных электронных пушек. Выработаны рекомендации по выбору типа ЗС для мощных высокопервеансных приборов. Теоретически и экспериментально подтверждено увеличение ширины рабочей полосы усиливаемых частот и электронного КПД ЛБВ при увеличении первеанса ЭОС. Приведены расчётные и экспериментальные характеристики ЛБВ со спиральной ЗС и ЗС «кольцо-стержень» с высокопервеансными ЭОС.
Исследовано распределение скоростей высокопервеансного электронного пучка после его взаимодействия с СВЧ полем на входе в коллектор и рассмотрена возможность увеличения технического КПД ЛБВ введением рекуперации в многоступенчатом коллекторе. Рассмотрены конструктивные особенности мощных импульсных ЛБВ. Исследована возможность создания мощного уси-лителя на ЛБВ в диапазоне 10 ГГц. На основе анализа расчётных данных сделан вывод о перспективности выбранного пути уменьшения массогабаритных характеристик и улучшения выходных параметров мощных импульсных ЛБВ.
В заключении формулируются основные выводы и результаты диссертации. Проведённые исследования подтверждают возможность создания высокопервеансных ЭОС со сплошным потоком в пролётном канале и перспективность их применения для улучшения выходных параметров и характеристик мощных широкополосных ЛБВ, а также снижения массы и габаритов приборов.
Методика и рекомендации по проектированию электронных пушек с высоким первеансом
Форма электродов пушки может быть разработана с помощью программы расчёта ЭОС на ЭВМ, в которой учитывается эффект пространственного заряда [37-40]. Разработка пушки с сеточным управлением проводится в два этапа. На первом этапе разрабатывается конструкция диодной пушки Пирса. На втором этапе в неё вводятся дополнительные электроды — теневая и управляющая сетки и проводится корректировка формы электродов для уменьшения вносимых сетками искажений исходного электростатического поля. Специфика геометрии электродов выскопервеансных пушек показывает, что наиболее достоверные данные могут быть получены на основе трёхмерной модели с помощью чис-ленных методов расчёта на ЭВМ [38, 50] с привлечением физического эксперимента на макетах и зондовых вакуумных анализаторов электронных пучков, позволяющих рассматривать объёмные модели, с последующей проверкой на ЭОС для СВЧ приборов [25,46,47, 51].
Исходя из этого, проектирование высокопервеансных ЭОС необходимо проводить в следующей последовательности: приближённый расчёт пушки на основе модели сферического диода; рассмотрение процесса формирования и расчёт магнитной фокусировки высокопервеансного потока; корректировка формы электродов пушки на основе приближённого анализа численными методами; экспериментальное исследование структуры высокопервеансного потока в переходной области и в периодическом магнитном поле на вакуумном анализаторе методом диафрагмы с малым отверстием; экспериментальное исследование вольтамперных характеристик (ВАХ) на специальных вакуумных макетах; анализ характеристик макетов ЛБВ с высокопервеансными ЭОС. Можно сформулировать следующие рекомендации для построения ЭОС с высоким первеансом для однолучевых ЛБВ с магнитной фокусировкой:
1. Необходимые исходные данные: требуемая величина первеанса потока, максимальная допустимая плотность токоотбора с катода и диаметр пролётного канала или равновесный радиус пучка.
2. Величина компрессии электронного потока в пушке 4...10 единиц для обеспечения его оптимального согласования с магнитным полем.
3. Теневая сеточная структура с перемычками для разделения эмитирующей поверхности катода на отдельные ячейки создаёт электронную тень, в которой расположены перемычки управляющей и анодной сеточных структур.
4. Теневая сеточная структура обладает нулевым или отрицательным по тенциалом относительно катода для создания в прикатодной области электро статической линзы, фокусирующей каждый парциальный пучок к центрам яче ек управляющей и анодной сеток, обеспечивая отсутствие токоперехвата ими. і 5. Все элементы анодной сетки должны иметь потенциал анода.
6. Управляющая сетка позволяет осуществлять как непрерывный, так и импульсный режим работы ЛБВ, для чего в рабочем режиме её потенциал равен потенциалу той эквипотенциальной поверхности, на которой она установлена, а в паузе имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал запирания.
7. Число ячеек матричного катода должно обеспечивать суммарный требуемый микропервеанс сформированного потока при микропервеансе каждого парциального пучка не более 0,7... 1,5 мкА/В .
8. Необходимый первеанс сформированного потока обеспечивается выбором расстояния между катодом и анодной сеточной структурой и выбором телесного угла 0Я, обеспечивающих компрессию 4...10 единиц.
9. Расстояние между катодом и анодной сеткой рассчитывается по соотношениям для сферического диода (закон степени «трёх вторых») с последующей экспериментальной проверкой.
10. Конфигурация фокусирующего электрода и анода определяются по методике расчёта электронных пушек Пирса.
11. Технологичность изготовления электронных пушек обеспечивается выбором чётного числа ячеек (для прошивки сеток в едином пушечном блоке).
12. При расчёте фокусировки и взаимодействия высокопервеансного пучка с полем бегущей волны в ЛБВ используются известные методики расчёта на основе модели аксиально-симметричного потока [17, 23,39, 52, 53].
Экспериментальные исследования высокопервеансных электронных пушек для приборов сантиметрового диапазона
Экспериментальные исследования электронных пушек с микропервеан in сом 3,5...6 мкА/В с катодом, теневой и управляющей сетками тороидальной формы проводились на макетах ЭОС с диаметрами пролётного канала 20, 10, 6 и 3 мм [46, 47].
Для проведения экспериментов были спроектированы и изготовлены: вакуумная установка, внутри которой размещались исследуемые элек-тронные пушки; зондовое измерительное устройство, позволяющее определять структуру электронного пучка на выходе из анодного отверстия электронных пушек; делитель напряжения, позволяющий задавать на управляющей сетке электронных пушек напряжения в процентах от анодного в диапазоне 0...15% с точностью до 0,25%; измерительная схема, позволяющая исследовать ВАХ электронных пушек и определять распределения плотности тока в поперечных сечениях электронного пучка на различных расстояниях от анода электронной пушки.
Целью проводимых исследований является поиск возможных изменений геометрии электронных пушек, которые позволили бы сохранить диаметр электронного пучка на выходе из анодного отверстия при увеличении первеанса.
Экспериментальные исследования проводились на установке 103-4Э, 726 00. Измерения проводились при непрерывной откачке на разборном вакуумном макете. Откачка осуществлялась форвакуумным насосом и двумя высоковакуумными насосами НОРД-600 и НОРД-250. Вакуум в процессе измерений поддерживался на уровне 2-Ю"7 мм. рт. ст. Напряжение на аноде электронной пушки составляло Ua = 4 кВ. Напряжение на управляющей сетке относительно анода задавалось делителем напряжения. Частота следования модулирующих импульсов составляла ти = 15 мксек. Распределение плотности электронного потока за анодным отверстием пушек измерялось с помощью зондового измерительного устройства.
Исследовалось 4 варианта геометрии электронной пушки: 1) первоначальный вариант (рис. 1.15); 2) анод приближен на 0,4 мм; 3) анод приближен на 0,4 мм, в анодной сетке оставлено 6 радиальных перемычек вместо 12 в первоначальном варианте; 4) анод приближен на 0,8 мм, в анодной сетке 6 радиальных перемычек, удалена конусная часть управляющей сетки.
В первоначальном варианте электронной пушки: диаметр цилиндрической части термокатода равен 7 мм; радиусы тороидальных частей катода, управляющей и теневой сеток равны 4,5; 4,3 и 3,9 мм соответственно; радиус сферы анодной сетки 15 мм; толщина теневой и управляющей сетки из гафния 0,15 мм; толщина анодной сетки из сплава вольфрам-рений 0,5 мм; расстояние катод-теневая сетка 0,05 мм; расстояние между теневой и управляющей сетками 0,25 мм; расстояние между управляющей сеткой и анодом 1,25 мм; диаметр цилиндрической части анодной сетки 5,5 мм; ширина перемычек теневой сетки 0,19 мм, управляющей 0,15 мм, анодной 0,1 мм.
. Результаты измерений представлены на рис. 1.18 — 1.20. На рис. 1.18 приведены зависимости микропервеанса и коэффициента токооседания на анодную сетку от величины напряжения на управляющей сетке (в процентах от Ua).
Как видно из рис. 1.18, варианты геометрии пушек №1, 3 и 4 близки по достигнутому микропервеансу (Рм = 4...5 мкА/В ). В то же время, геометрия пуїики №2 позволяет при тех же напряжениях на управляющей сетке достигать микропервеанс Ри = 5...6 мкА/В . Коэффициент токооседания в рабочем режиме на анодную сетку около 2% от общего тока пучка [46].
На рис. 1.19 показаны огибающие электронного пучка на различных рас-стояниях от центра анодной сетки. Как видно из рисунка, диаметр электронного пучка в кроссовере, расположенном на расстоянии 5...6 мм вдоль продольной оси за центром анодной сетки, меняется от 2,2 мм до 3,0 мм для пушки №1 и от 3,2 мм до 4,0 мм для пушки №4 при различных напряжениях на управляющей сетке. Распределения плотностей тока на различных расстояниях от центра анодной сетки для пушек №1 и №4 показаны на рис. 1.20.
Как видно из рис. 1.20, на выходе из анодного отверстия электронный поток имеет полую структуру, что обусловлено наличием сплошных чашек в теневой, и управляющей сетках. В пушке №4 наблюдается более ламинарный электронный поток, о чём свидетельствует вид распределений плотностей тока в кроссовере при различных напряжениях на управляющей сетке, а также более плавное расплывание электронного пучка за кроссовером (рис. 1.19).
Увеличение первеанса пушек при одновременном уменьшении диаметра электронного пучка в кроссовере возможно при изменении радиусов кривизны катода, а также теневой, управляющей и анодной сеток, и уменьшении диаметра сплошных чашек теневой и управляющей сеток.
Фокусировка высокопервеансного аксиально-симметричного сплошного цилиндрического потока магнитным полем .МПФС
Форма сеток в электронных пушках лишь приближённо совпадает с формой эквипотенциали. Это вызывает искажение поля и приводит к образованию электрических линз у каждого отверстия сетки и поток, проходящий через сетку, неизбежно разбивается на большое число отдельных пучков. Силы пространственного заряда заставляют электроны заполнять промежутки между пучками после выхода их из сетки и электронам сообщаются радиальные скорости. Пушки с сеткой всегда имеют неламинарные пучки, фокусировка которых в МПФС отличается от ламинарных. В результате этого ЛБВ с МПФС, использующие электронные пушки с сеткой, имеют КТП 85...95% (в зависимости от первеанса) по сравнению с 93...98% у их бессеточных аналогов [44,48].
Основными способами борьбы с радиальными скоростями для уменьшения оседания пучка на пролётный канал является: 1) увеличение амплитуды магнитного поля (но это уменьшает радиус пучка и приводит к сильным пульсациям); 2) создание небольшого магнитного поля на катоде.
При прохождении пучка с радиальным магнитным полем электроны, как это следует из уравнений Лоренца, подвергаются воздействию азимутальной силы (в осесимметричной системе вращающего момента), под влиянием которой .все электроны пучка начинают вращаться относительно оси симметрии. Электрон, находящийся в потоке на любом радиусе, при своем движении должен пересечь все силовые линии радиального магнитного поля. Все электроны вращаются относительно оси с ларморовой частотой [6].
Жесткость формирования количественно характеризует способность системы компенсировать влияние отклонения начальных условий от оптимальных и удерживать диаметр пучка в заданных пределах. Магнитное поле на катоде приводит к увеличению жесткости, но при этом увеличивается и радиус пучка. Рост пространственного заряда приводит к уменьшению жесткости и частоты пульсаций потока и уменьшению относительной амплитуды пульсаций, обусловленной ошибкой в начальных условиях. Жесткость формирования увеличивается при увеличении тока (первеанса) и в однородной системе медленно растёт с увеличением угла наклона траектории электронов.
Длинноволновая пульсация внутренних электронов отличается от соответствующей пульсации на границе пучка. Поэтому после прохождения некоторого расстояния вдоль периодической системы пучок оказывается неламинарным. С увеличением пространственного заряда при неизменном магнитном
поле отношение Ъ 1а увеличивается и, следовательно, величина амплитуды пульсаций уменьшается [6].
При рассмотрении фокусировки высокопервеансных потоков в приближении потока Бриллюэна мы изучаем общую закономерность поведения пучка и физическую суть явлений и процессов в потоке. На самом деле необходимо учитывать неламинарность такого потока. Однако это сильно усложнит расчёт и не изменит общей картины поведения пучка с высоким первеансом.
Присутствие тепловых электронов приводит к неламинарности потока Бриллюэна. В высокопервеансных потоках более существенным оказывается не влияние тепловых скоростей, а влияние пространственного заряда.
При уменьшении диаметра пучка поперечные скорости электронов в нём возрастают, и пространственный заряд неизбежно ограничивает достижимый максимума плотности тока [6].
Увеличение первеанса сплошного цилиндрического потока требует увеличения уровня магнитного поля для его фокусировки в пролётном канале ЛБВ. В рамках модели бриллюэновского потока величина однородного магнитного поля определяется соотношением: 5 = 831. Г =Ю1, 6 P W" . (2.32) Увеличение микропервеанса потока с РмХ до Рм2 при сохранении равновесного радиуса пучка постоянным приводит к увеличению магнитного поля, определяемого соотношением: Вг_ Гр \ \Pf\J 0,3 / \0,2 / \0, (иг \ I ТТ ТТ \ yU02/Ua2) (2.33) Длй примера рассмотрим случай увеличения первеанса при сохранении величины энергии потока, переносимой в осевом направлении. Для расчёта примем РмХ = 1,5 мкАУВ372 и Ыа = 0,6. Тогда провисание потенциала равно 0,95 (рис. 2.1), а увеличение магнитного поля определится соотношением:
Снижение модулирующих напряжений электронной пушки
Высокий первеанс и низковольтное сеточное управление электронным пучком приводят к возникновению и существенному влиянию поперечных скоростей электронов на качество формирования и сопровождения магнитным полем протяжённого потока электронов в ЛБВ с МПФС.
Определение возможности снижения динамической расфокусировки электронного пучка и токооседания электронов на ЗС ЛБВ в режиме усиления проводилось на экспериментальном макете ЛБВ СМ диапазона длин волн с внутренним диаметром спиральной ЗС 6 мм, так как проблемы токооседания и теплоотвода становятся существенно сложнее в коротковолновых диапазонах.
Для фокусировки пучка применена МПФС с амплитудой магнитного поля в регулярной части Вт = 1900 Гс и периодом 1 = 14 мм. При выбранных параметрах МПФС обеспечено устойчивое токопрохождение пучка на коллектор в статическом режиме работы (95% от тока катода).
Для определения влияния параметров ЭОС на работу прибора в динамическом режиме проведены расчёты транспортировки высокопервеансного многоскоростного пучка по двумерной модели электронного пучка, позволяющей помимо выходных характеристик прибора, получить информацию о поведении границы пучка в области пролётного канала при наличии входного сигнала и о величине тока на ЗС под действием динамической расфокусировки [39].
Проведённые по программе [39] расчёты показали, что токооседание, обусловленное динамической расфокусировкой может достигать весьма существенных величин. При выбранных параметрах МПФС, токооседание на пролётный канал равно 18...20% (рис. 2.14).
Были проведены исследования влияния периода магнитного поля на величину токооседания из-за динамической расфокусировки. Результаты расчётов для L = 12, 10 и 8 мм (а = 0,138, 0,096 и 0,061 соответственно) показали, что величина токооседания слабо зависит от периода МПФС (от параметра а ).
Поиск компромиссного варианта может быть осуществлён за счёт увеличения амплитуды магнитного поля в выходной части прибора. Однако, как следует из приведённых выше аргументов, ожидать существенного улучшения то-копрохождения не приходится, так как при увеличении амплитуды магнитного поля параметр магнитного поля а тоже увеличивается, и частицы скорее окажутся в зоне неустойчивой фокусировки пучка. Поиск закона нарастания амплитуд магнитного поля в ячейках МПФС, привёл к уменьшению токооседания до8..Л0%(рис.2.15).
Анализ результатов расчёта пучка в регулярном поле МПФС показывает, что оседание пучка на стенки пролётного канала носит сложный характер. Начало оседания приходится на максимум первой гармоники тока при относительно низком уровне электронного КПД. Дальнейшее оседание пучка происходит при уменьшении амплитуды первой гармоники тока и нарастании электронного КПД. При этом уменьшение продольной скорости отдельных частиц в сгустке столь велико, что фокусировка для этих частиц оказывается неустойчивой, и частицы интенсивно выбывают на стенки пролётного канала. Попытки увеличения устойчивости фокусировки для этих частиц за счёт уменьшения па-раметра магнитного поля а в приведённых пределах оказываются неудачными. Более того, если фокусировка частицы происходит в зоне неустойчивости, то наращивание числа полупериодов МПФС приведёт лишь к усилению оседания.
Причиной увеличения ВЧ расфокусировки является образование в пространстве взаимодействия ЛБВ большого количества замедленных электронов из-за высокого электронного КПД [74]. Это подтверждается расчётами по усовершенствованной программе расчёта взаимодействия, которая позволяет определить распределение электронов по энергиям в «отработанном» потоке за выводом энергии ЛБВ [62, 75]. .
Поскольку при фокусировке пучка с помощью однородного магнитного поля зоны неустойчивой фокусировки отсутствуют, то были предприняты попытки создать комбинированную магнитную систему, основная часть которой состояла из МПФС, а конечный участок магнитной системы состоял из однородного магнитного поля.
Проведённые исследования показали эффективность такого подхода. Величина падающего из-за динамической расфокусировки тока существенно зависит от места ввода участка однородного магнитного поля. Так при представленном на рис. 2.16 распределении магнитного поля удалось снизить уровень динамической расфокусировки до 1,5%.
