МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭВП СВЧ С УПРАВЛЯЮЩИМИ СЕТКАМИ

April 6, 2012 by admin Комментировать »

Голеницкий И. И., Духина Н. Г., Кущевская Т. П., Сапрынская Л. А. Федеральное государственное унитарное предприятие НПП «Исток» 141190, Московская область, г. Фрязино, Вокзальная 2а, Россия Fax: (095) 46 58686; e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Аннотация – Обсуждается методика моделирования ЭОС с асимметричными сеточными и коллекторными электродами и локальными нарушениями поля МПФС в местах ввода-вывода энергии ВЧ-поля. Методика основана на использовании моделей разного уровня. Предварительный расчет основных параметров ЭОС проводится с помощью упрощенных и оперативных двумерных моделей. Влияние азимутальных неоднородностей электрических и магнитных полей учитывается на заключительном этапе разработки проекта на основе трехмерных моделей ЭОС и МПФС. Приведены результаты моделирования ЭОС для формирования высокопервеансного электронного потока (1.3 мкА/В3/2) в пролетном канале диаметром 2.5 мм с последующей рекуперацией остаточной энергии электронов в двухступенчатом коллекторе. Потенциалы анода и ступеней коллектора -12.5, 8 и 4 кВ. Амплитуда и период поля МПФС – 2800 Гс и 11.4 мм. Напряжения запирания и положительного смещения на управляющей сетке – 250 и 180 В.

I.  Введение

Электронно-оптические системы (ЭОС) с низковольтным сеточным управлением, компактными магнитными периодическими фокусирующими системами (МПФС) и многоступенчатыми коллекторами- рекуператорами остаточной энергии электронов широко применяются во многих ЭВП импульсного действия, в частности, в мощных импульсных ЛБВ для бортовых РЛС. Для проектирования таких систем требуются методы решения более сложных трехмерных задач электронной оптики, позволяющие учитывать совокупность действующих на электронный поток факторов – пространственной неоднородности электрического поля сеточных электродов в прикатодной области пушки и асимметричных электродов многоступенчатого коллектора, локальных неоднородностей поля МПФС в местах ввода и вывода ВЧ-энергии и др. В связи с известными трудностями прямого решения этих задач в практике проектирования пушек с сетками использовался упрощенный метод, основанный на замене реальной трехмерной сеточной структуры эквивалентной по геометрической прозрачности двумерной кольцевой моделью [1]. При таком подходе определялись лишь предварительные данные относительно параметров пушки (размеров и потенциалов электродов, перве- анса и диаметра потока, величины управляющего напряжения) и переходной области МПФС без учета азиму-тальных неоднородностей электрических и маг-нитных полей, существенно влияющих на качество формирования электронного потока в пролетном канале и токопрохождение на коллектор.

На основе метода комплексного расчета трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем [2] появилась возможность уже в процессе проектирования учитывать асимметрию полей и связанную с ней эволюцию формирования электронного потока.

В настоящей работе описаны результаты моделирования ЭОС мощной импульсной ЛБВ с низковольтным сеточным управлением, МПФС и двухступенчатым коллектором-рекуператором на основе поэтапного использования приближенных и строгих трехмерных моделей.

II.  Основная часть

Система формирования электронного потока мощной импульсной ЛБВ состоит из электронной пушки с теневой и управляющей сетками, системы фокусировки потока полем МПФС с нерегулярными областями вблизи пушки и коллектора для ввода и вывода ВЧ-энергии и двухступенчатого коллектора (Рис.1).

Рис. 1. Электронная пушка и коллектор с переходными областями МПФС.

Fig. 1. Electron gun, collector and magnetic system

Теневая и управляющая сетки выполнены в виде колец (п= 3), соединенных радиальными перемычками (п= 6). Второй магнит со стороны пушки имеет большую толщину по сравнению с регулярной областью МПФС и асимметричный вырез для ввода энергии ВЧ-поля. Аналогичную форму имеет последний магнит со стороны коллектора для вывода ВЧ- энергии. Коллектор выполнен со скосом между ступенями для формирования асимметричного электростатического поля, затрудняющего выход из коллектора вторично-эмиссионых электронов.

Результаты расчета в двумерном приближении [2] основных параметров пушки, электронного потока, а также регулярной и переходной областей МПФС приведены на Рис. 2. Пушка формирует поток с током (первеансом) 1.79 А (1.28 мкА/В3/2) в канале диаметром 2.5 мм. Потенциал анода 12.5 кВ, напряжение запирания 280 В, положительное напряжение на сетке 180В. Необходимые для фокусировки потока амплитуда и период поля в регулярной области МПФС – 2700 Гс и 11.4 мм. В указанном приближении выполняется условие полного прохождения потока на коллектор.

Рис. 2. Конфигурация электродов, траектории электронов и распределение поля МПФС, рассчитанные в двумерном приближении [2].

Fig. 2. Electrode configuration, electron trajectories and field distribution calculated in a 2D approximation

Последующее решение полевой магнитостатической задачи в трехмерной постановке [2] показало, что в двух ячейках МПФС с асимметричными магнитами появляется поперечная составляющая магнитного поля (Рис.З) Максимальная ее величина (100 Гс) имеет место в предколлекторной области.

Рис. 3. Распределение поперечной составляющей

индукции магнитного поля вдоль оси системы.

Fig. 3. Transverse magnetic flux density distribution along the system axis

Траекторный анализ в трехмерных электрическом и магнитном полях во всей области формирования электронного потока от катода до коллектора (Рис.4) с учетом всей совокупности возмущающих поток факторов (радиальных перемычек теневой и управляющей сеток, асимметрии магнитов МПФС и электродов коллектора) дал возможность получить дополнительную информацию относительно величины тока, структуры потока и токопрохождения на коллектор.

С учетом затенения катода радиальными перемычками теневой и управляющей сеток расчетная величина катодного тока снизилась с 1.79 до 1.57 А, а напряжение запирания – с 280 до 250 В. Вследствие возмущающего действия радиальных перемычек сеток изменилась структура потока (Рис. 5). Это в свою очередь привело к необходимости изменения величины амплитуды первых согласующих магнитов МПФС – с 1200 до 1000 Гс (первый пик), с 2000 до 2130 Гс (второй пик) и с 2700 до 2600 Гс (третий пик). Однако даже при оптимальном согласовании пушки с входной и регулярной областями МПФС токопрохождение на коллектор составило 93 %. Порядка 1-2 % потерь обусловлены появлением слабого ореола над радиальными перемычками, но основные потери тока оказались связанными с возмущающим действием большой поперечной составляющей магнитного поля в области последнего магнита МПФС (Рис.7).

Путем моделирования МПФС было показано, что с помощью известного способа наращивания массы последней ступицы МПФС [3] можно существенно (на порядок) уменьшить величину поперечной составляющей поля МПФС и обеспечить полное прохождение потока на коллектор (Рис. 6).

I.     Заключение

Предложенная методика представляется полезной для проектировании широкого класса ЭОС с асимметричными сеточными электродами.

II.   Литература

1. Программа для моделирования осесимметричных и плоских электронно-оптических систем./ И. И. Голеницкий,

Т. П. Кущевская, С. А. Румянцев // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. 2001. Вып.2. (478). С.65—70.

2. /. I. Golenitskij, N. G. Dukhina, Е. I. Kanevsky. A comprehensive computation of 3D optoelectronic and magnetic focusing syst. Electron. Techn., ser.1, no.2. pp.40-46, 2003, Elec- tronica SVCH.

3. Carol L. Kory. Effects of Geometric Azimuthal Asymmetries of the PPM Stack on Electron Btam Characteristics. IVEC 2000 (Abstracts). Monterey, California, pp.11.3

Puc. 4. Комплексный расчет всех узлов ЭОС (пушки, МПФС, коллектора) и электронного потока в трехмерной постановке.

Fig. 4. Comprehensive calculation of electronic and magnetic systems in a 3D problem definition

Puc. 7. Проекции траекторий на плоскость yOz (а) и распределение плотности тока по сечению потока

(Ь) на выходном участке канала ЭОС.

Puc. 6 Электронный поток в коллекторной области. Fig. 6. Electron stream in a collector area

Рис. 5. Траектории электронов в пространстве около пушки (а) и в координатах rz (b). Распределение плотности тока по сечению потока (с).

Fig. 5. Electron trajectories in a near-gun space (a), and their graph in the rz coordinates (b). Current density distributions across a transverse stream section (c)

Fig. 7. An yOz plane projection of electron trajectories (a) and current density distributions across a transverse stream section (b) at the transit channel output

SIMULATING 3D ELECTRON-OPTICAL SYSTEMS OF MICROWAVE VACUUM DEVICES WITH SHADOW GRIDS

Golenitskiy I. I., Dukhina N. G., Kushchevskaya T. P., Saprynskaya L. A.

‘RPC Istok’ Federal State-Owned Unitary Enterprise 2a Vokzalnaya St., Fryazino,

Moscow Region, Russia, 141190 Fax: (095) 4658686; e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Abstract – A technique for simulating electron-optical systems comprising grids, collectors and magnetic systems is discussed. An operative 2D code was initially used to calculate basic parameters, following which the effects of asymmetries were investigated using 3D codes. The results of simulating electron-optical systems to shape the high-perveance (Рм~1 .ЗцА/У3/2) electron stream in a channel and a two-stage collector are presented.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты