Введение к работе
Актуальность работы. Математическое описание процессов взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной в приборах магнетронного типа, работающих в условиях скрещенных электрических и магнитных полей, оказывается достаточно сложным. Невозможность строго аналитического решения основных уравнений приводит к необходимости использования численных методов решения и проведения исследований физических эффектов методами компьютерных экспериментов. Несмотря на достаточно длительный процесс развития и совершенствования компьютерных моделей (следует отметить как зарубежных авторов: Yu S.P., Kooyers G.P., Buneman O., McGregor D.M., так и отечественных: Романов П.В., Рошаль А.С., Галимулин В.Н., Шеин А.Г., Байбурин В.Б., Ширшин С.И., Ильин Е.Н., Терентьев А.А., Чурюмов Г.И. и др.), их нельзя считать завершенными. Даже в самых строгих численных моделях используются значительное число приближений и допущений: пренебрежение разрезной структурой анода, одноволновое приближение, приближение «бегущей волны» и т.д.
Положение дел усложнилось при переходе к миллиметровому (мм) диапазону длин волн. Магнетроны мм-диапазона имеют свои особенности по сравнению с классическими магнетронами сантиметрового (см) диапазона: работа на высшей пространственной гармонике вида колебаний, возможность возбуждения разных видов колебаний при одном и том же анодном напряжении, близко расположенная к аноду электронная втулка.
Для учета указанных выше особенностей требуется разработка соответствующей математической модели, учитывающей специфические особенности магнетронов мм-диапазона.
Цель работы: разработка численной математической модели магнетронного генератора, учитывающей разрезную структуру анодного блока, наличие пространственных гармоник высокочастотных (ВЧ) колебаний и конкуренцию между разными видами ВЧ колебаний, и ее применение для исследования физических эффектов в магнетронах см- и мм-диапазона.
Для достижения цели работы были решены следующие задачи:
-
Создание многопериодной многоволновой модели магнетрона.
-
Создание на основе разработанной модели программного обеспечения.
-
Исследование магнетронов см-диапазона, работающих на основной гармонике рабочего вида колебаний.
-
Исследование магнетронов мм-диапазона, работающих на «минус первой» гармонике рабочего вида колебаний, поиск путей увеличения КПД и обеспечения стабильной работы.
-
Анализ преимуществ и недостатков магнетронов мм-диапазона, работающих на других гармониках, в частности на «плюс первой» гармонике p-вида колебаний.
Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены путем компьютерных исследований с помощью разработанной модели и натурных экспериментов. Численное решение основных уравнений модели проводилось с помощью метода конечных разностей, метода «сеток», метода последовательных приближений (при решении уравнения Пуассона), метода крупных частиц и метода однородного поля (при решении уравнения движения), Фурье-анализа (при расчете ВЧ полей). Решение проводится пошагово от задания начального состояния до достижения самосогласованного решения.
Достоверность. Достоверность полученных результатов основана на достаточно строгих и точных методах моделирования, апробированных на протяжении многих лет в численном моделировании магнетронных приборов. Кроме того, основные результаты хорошо согласуются с экспериментальными характеристиками.
Научная и практическая значимость. Научная ценность работы заключается в том, что с помощью разработанной модели оказалось возможным анализировать физические эффекты не только в «классических» магнетронах, работающих на основной гармонике, но и в магнетронах, работающих на высших гармониках, в частности в магнетронах мм-диапазона. Научная ценность представляют также результаты исследований процессов в скрещенных полях в зависимости от эмиссии катода, от параметров разрезной структуры (в частности от ширины щели) и с учетом конкуренции разных видов колебаний.
Практическая значимость работы заключается в следующем. Разработанные на основе математической модели программы расчетов успешно внедрены в практику проектирования магнетронных генераторов мм- и см-диапазона (о чем имеются 5 актов внедрения). Численные расчеты позволили сократить количество промежуточных экспериментальных макетов и стоимость разработки.
Научная новизна работы.
Предложена математическая модель магнетрона, отличающаяся от ранее известных учетом следующих факторов: влияния разрезной структуры анодного блока, наличия стоячих волн, наличия пространственных гармоник, конкуренции видов колебаний.
На основе предложенной математической модели разработано программное обеспечение, позволяющее проводить расчет и оптимизацию магнетронов см- и мм-диапазона длин волн с учетом большего числа конструктивных параметров, чем существующие аналоги.
Методами компьютерных экспериментов выявлены принципиальные отличия различных модификаций магнетронов см-диапазона и мм-диапазона, заключающиеся, в частности, в различном влиянии на выходные характеристики ширины щели резонаторов, эмиссии катода, конкуренции паразитных видов.
Показано, что в случае моделирования процессов в магнетронах мм-диапазона учет разрезной структуры анодного блока позволяет существенно повысить точность расчета выходных параметров (мощности, КПД и др.). Установлено также, что в случае моделирования магнетронов см-диапазона учет разрезной структуры анода не столь существенен.
Показано, что увеличение эмиссии в приборах мм-диапазона позволяет увеличить КПД за счет уменьшения паразитного «нулевого» тока, а в приборах см-диапазона практически не влияет на выходные характеристики.
Показано, что в магнетронах мм-диапазона высоковольтный побочный вид практически не влияет на ток срыва рабочего вида колебаний, в то время как наличие низковольтного побочного вида определяет нижнюю границу по току генерации рабочего вида.
Методами компьютерных экспериментов проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков модификаций магнетронов мм-диапазона, работающих на «минус первой» гармонике произвольного вида колебаний и на «плюс первой» гармонике p-вида.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель магнетронного генератора, основанная на численных методах решения основных уравнений, отличающаяся учетом разрезной структуры анодного блока, наличием пространственных гармоник и конкуренции видов колебаний.
-
Комплекс программ, позволяющий проводить расчет выходных характеристик и анализ процессов электронно-волнового взаимодействия с целью оптимизации конструктивных параметров магнетронов не только см-диапазона, но и мм-диапазона, работающих на высших пространственных гармониках рабочего вида колебаний.
-
Увеличение эмиссии (вторичной или термоэмиссии) в магнетронах мм-диапазона приводит к разрушению электронных сгустков, не связанных с ВЧ полями, уменьшению паразитного «нулевого» тока и повышению КПД, а в магнетронах см-диапазона практически не влияет на КПД.
-
Увеличение ширины щели резонатора магнетрона приводит к уменьшению КПД прибора вследствие понижения эффективного значения потенциала на уровне анода и залета электронов в щели резонатора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2000), Четвертой международной конференции по вакуумным источникам электронов (Саратов, 2002), Научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, 2003), научно-технической конференции «Электронная и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2007), а также на научных семинарах кафедры «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» Саратовского государственного технического университета и научно-технических советах в ОАО «НИИ Тантал», ЗАО «Тантал-Наука», ООО «ОКБ Приборостроения».
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 20 печатных работах (статьях, текстах докладов), в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
