ВЛИЯНИЕ ПОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ГИРОТОНЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

April 11, 2012 by admin Комментировать »

Колосов С. В., Лавренов А. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники ул. П. Бровки, 6, Минск – 220027, Беларусь Тел.: (375-17) 239-89-95, е- mail: kolosov@gw.bsuir.unibel.by

Аннотация – Проведено исследование влияния полей пространственного заряда на процессы в гиротоне с двухмодовым и двухвидовым режимом работы.

I.  Введение

В гиротронах [1] осуществляется взаимодействие слирализованного электронного потока с не замедленными волнами Н типа. В таких приборах происходит поперечная фазовая группировка электронов с учетом релятивистской зависимости массы электронов от их скорости и отбор поперечной энергии у сгруппированного электронного потока. Это происходит в режиме гирорезонанса, когда частота вращения электронов на ларморовской орбите почти совпадает с частотой рабочей волны в волноводе.

В гиротонах [2, 3] на входе имеется прямолинейный релятивистский электронный поток, направляемый по оси прибора. В дальнейшем он отклоняется от оси поперечной магнитной составляющей ВЧ волны Е-11 и продольная электрическая составляющая этой волны отбирает продольную энергию от электронного потока. Здесь не происходит группирование электронного потока, а синхронизм достигается благодаря наличию замедленной волны Ец в гофрированном волноводе при невысоком значении магнитостатического поля.

В работе рассматривается вопрос проектирования комбинированных ЛБВ, в которых электронных поток соответствует высокоорбитным гиротронам, а все остальное – гиротонам. В таком приборе ожидается одновременный отбор как поперечной, так и продольной энергии от электронного потока.

II.  Результаты расчетов

Уравнения возбуждения нерегулярного круглого волновода электронным потоком и уравнения движения электронов в произвольных электромагнитных полях были получены ранее и приведены в [4, 5]. Профиль волновода определялся следующей формулой:

Здесь к0=2лJX, z=k0Z, l=koL, L – общая длина рабочей области, Z – текущая продольная координата, g-i – параметр нижнего уровня профиля волновода, д2 – начальная глубина гофра, д3 – начальное число зубцов гофра, gvi – параметры изменения глубины гофра, gpj – параметры изменения шага гофра.

Параметры электронного потока были следующими. Полная скорость электронного потока Po=v/c=0.767, пинч фактор q=Vt/Vz=0.54, ток 10=193 А. Электронный поток на входе в рабочую область задавался в виде вращающегося вокруг оси цилиндрического потока электронов с разбиением по начальной фазе влета (Ne=16) и начальному времени (Nt=8). Всего в расчетах учитывалось 128 электронных траекторий. Это позволило учесть как гиротрон- ный (поперечный), так и гиротонный (продольный) механизм взаимодействия электронного потока с вращающимися Ец и Нц типами волн в гофрированном волноводе.

Оптимизация профиля регулярного гофрированного волновода, входной мощности и значения магнитостатического поля позволила достичь электронного КПД -38 % (обычная гиро-ЛБВ имела бы КПД только 28%). Оптимальные параметры приняли следующие значения: параметры волновода – g-i=4.29, g2=1.14, g3=50, значение нормированного магнитостатического поля – F=H/Hsynch=0.3, нормированная входная мощность волны Е-11 – К|п|п/1Уо=0.005, длина ЛБВ в радианах – 1=63. Интегральные характеристики такой ЛБВ приведены на рис. 1.

Рис. I.Fig. 1

В рассматриваемом приборе на вход рабочей области поступает тонкий, вращающийся вокруг оси рав- ноперемешанный по начальной фазе электронный поток. В дальнейшем при взаимодействии с бегущими волнами Н-11 и Е-11 он группируется по фазе и отдает как поперечную, так и продольную энергию. Поэтому здесь нельзя применить теорию полей пространственного заряда, где была бы учтена какая-либо симметрия, например, при расчете полей пространственного заряда в обычных гиротронах [5]. Приходится весь электронный поток разбивать на крупные частицы и впрямую применять трехмерную теорию полей пространственного заряда в круглом волноводе. Для расчета полей пространственного заряда использовалась функция Грина для электрона в круглом волноводе. С ее помощью строились три четырехмерные таблицы нормированных напряженностей электрических полей по трем координатам. Уравнения движения электронов в электромагнитных полях (см. [4]) записаны с независимой переменной Z. Для расчета же влияния полей пространственного заряда необходимо, что бы все электроны, влияющие на данный, имели бы текущее время равное времени, которое имеет электрон точки наблюдения. Поэтому для каждого электрона необходимо пересчитывать место положение всех остальных с учетом разницы по времени между временем электрона точки наблюдения и временем электрона точки источника. Этот пересчет выполнялся по упрощенным уравнениям, учитывающим только влияние магнитостатического поля. Кроме того, для каждого электрона точки наблюдения учитывалось влияние электронов, которые опережали его по времени на период ВЧ поля и отставали тоже на этот же период. В результате учитывалось влияние пространственного заряда на каждый электрон со стороны 2(N-1) электронов, где N полное число электронных траекторий. Электронный поток в данной задаче разбивался на Ne электронов в одном кольце по фазе с одним временим и Nt электронных колец с разным временем от 0 до 2к. В расчетах полагалось N= Ne* Nt=16*16=256.

Результаты расчета предыдущего варианта ЛБВ с учетом влияния полей пространственного заряда приведены на рис. 2.

Рис. 2. Fig. 2

Как и следовало ожидать, исходя из влияния полей пространственного заряда в обычных гиротронах, поля пространственного заряда и для данной конструкции ЛБВ приводят к ускорению процессов группировки электронов в фазовые сгустки (сравним кривую F1 – функцию группировки на рис. 1 и 2) и одновременно несколько увеличивается динамический скоростной разброс электронов (стм), который ограничивает рост КПД прибора. Оптимизация профиля гофра волновода и распределения магнитостатического поля привело к повышению КПД до 78%.

III.  Заключение

Предложенный в статье новый механизм двухмодового и двухвидового взаимодействия спирализо- ванного электронного потока с волнами Нц в Ец в гофрированном волноводе позволяет получить существенно более высокий КПД по сравнению с традиционным гирорезонансным механизмом.

Оптимальные варианты ЛБВ на таком механизме могут обеспечивать КПБ более 70%.

Хотя на выходе прибора присутствуют одновременно две волны можно всегда рассчитать трансформатор типов волн так, что на его выходе будет бежать только одна волна.

Влияние полей пространственного заряда качественно соответствует его влиянию в обычных гироре- зонансных приборах, т.е. ускоряется группировка электронов или повышается коэффициент усиления и увеличивается скоростной динамический разброс электронов, что ограничивает рост КПД.

VI.  Список литературы

[1]   Flyagin V. A., Gaponov А. V., Petelin М. /., Yulpatov V. К.

The Gyrotron // IEEE, Trans. MTT, 1977, pp. 2868-2877.

[2]   Колосов С. В., Кураев А. А // Радиотехника и электроника, 1973, XVII, № 12, С. 2558-2566.

[3]   Kuraev A. A., Sinitsyn А. К., Slepyan A. Ya. Gyroton //

Int.J.Electronics. 1996, v. 80, № 4, pp. 603-610.

[4]   Кураев А. А. Теория и оптимизация электронных приборов СВЧ // Минск, Наука и техника, 1979.

[5]   Колосов С. В, Кураев А. А. // ЭВиЭС, 1998, т. 3,

№ 2, С. 35-44.

INFLUENCE OF THE SPACE CHARGE FIELDS IN TRAVELLING WAVE GYROTONS

Kolosov S. V., Kurayev A. A., LavrenovA. A.

Belarus State University of Informatics and Radioelectronics

6,     P. Brovki St., Minsk – 220027, Belarus E-mail: kolosov@gw.bsuir.unibel.by

Abstract – Study of a new combined “gyroresonance- gyrotons» type of interaction for large orbit helical electron beam with rotating wave modes Ец and Нц in circular corrugated waveguide is carried out. Results of the study have shown, that creation of the highly effective TWT with efficiency ~ 78 % is possible. The estimation of space charge fields influence on processes in such device is given.

I.  Introduction

The principle of work TWT with double modes and double kinds operations is given in [1]. In this article the research of frequency properties of such TWT, influence on processes of initial angular speeds of electrons and space charge fields is carried out.

II.     The account of influence of space charge field

In the considered TWT rotating around of an axis and mix on an initial phase the electronic beam is on an entrance of working area. Further, at interaction with traveling waves Нц and Ец, the electronic beam is bunched at a phase, it gives back both cross and longitudinal energy. Thus it completely scattered on a phase and along longitudinal coordinate. Therefore it is impossible to apply the theory of space charge fields (SCF) here, and any symmetry would be taken into account, for example, at account of space charge fields in usual gyrotrons

[2]   . In this case it is necessary to break all electronic beam into large particles and directly to apply the three-dimensional theory of SCF in round waveguide. At the application of this theory we receive 3 tables with 4 measurements everyone – on radius of a source and on three coordinates of an observation point for field intensities Ex, Eyand Ez. The equations of electron movement in electromagnetic fields [3] are written with independent of longitudinal Z coordinate. For account of influence of SCF it would be necessary that all electrons, influencing on given, would have the current time equal to time which has electron of an observation point. Therefore for everyone electrons it is necessary to recalculate a place of all others with account of a difference on time between electron time of an observation point and electron time of a source point. This recalculation was carried out on the simplified equations, which are taking into account only influence of a magnetostatic field. Furthermore, for each electron of observation point was considered the influence of the electrons, which anticipated it on the time for the period of HF field and lagged also for the same period. As a result, the influence of a SCF on everyone electron was taken into account from 2 (N-1) electrons, where N is complete number of electron trajectories. In accounts N was set N = Ne* Nt=16*16=256.

III.  Conclusion

The account with SCF has shown, that the efficiency decreases up to 2 % in comparison without SCF, but factor of amplification is simultaneously increased in 3 times. The same influence of a spatial charge was observed also in ordinary gyrotrons [3]. The process of electrons bunching was accelerated too, but the dynamic spread of electron velocities was increased. Optimization of TWT on the profile of waveguide and magnetostatic field made it possible to raise efficiency to 78%.

Аннотация – Проведено теоретическое исследование нелинейных режимов генерации в коаксиальной гиро-ЛОВ.

I.  Введение

Гиро-ЛОВ является ВЧ-генератором большой мощности в диапазоне см и мм длин волн, в котором используется взаимодействие электронного пучка с обратной волной, возбуждаемой в волноводе на нормальном эффекте Доплера. Исследования нелинейного режима генерации ВЧ-колебаний гиро-ЛОВ для круглого волновода представлены в [1, 2].

В работе рассмотрен коаксиальный гиро-ЛОВ генератор. Выбор коаксиального волновода связан с тем, что предельный ток выше по сравнению с другими типами волноводов. Кроме того, в последнее время появились численные и экспериментальные исследования для коаксиальных гиротронов [3], показывающие дополнительную возможность увеличения кпд.

II.  Основная часть

Рассмотрим коаксиальный волновод, образованный двумя соосными цилиндрами длины L и радиусами а и b (а>Ь). На вход z=0 инжектируется кольцевой электронный моноэнергетический пучок с начальной            функцией             распределения

Дополним уравнения (1)-(5) граничными и начальным условиями для пучка и амплитуды возбуждаемой волны

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