МОДЕЛЬ высокочастотной электронной пушки

May 1, 2012 by admin Комментировать »

Глумова М. В., Терещенко В. Ю.

Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского пр. Вернадского, 4, Симферополь – 95007, Украина Тел.: (80652)230360; e-mail: gmv@tnu.crimea.ua Митроченко В. В.

Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина Тел.: (80572)356286; e-mail: mitvic@kipt.kharkov.ua

Аннотация – Разработана численная модель высокочастотной электронной пушки. Приведены система уравнений модели, ее численная реализация, примеры расчетов отдельных режимов работы исследуемого устройства.

I.  Введение

Одно из современных направлений развития генераторов электромагнитных колебаний основано на использовании релятивистских электронных пучков. Базовым элементом таких устройств является ускоритель электронов, в качестве которого часто используют резонансный линейный ускоритель. Наиболее качественные пучки позволяют получить инжекторные системы на основе высокочастотных (ВЧ) пушек.

II.   Основная часть

ВЧ – пушка цилиндрический сверхвысокочастотный (СВЧ) резонатор, в котором возбуждается вид колебаний, имеющий продольную компоненту электрического поля на оси (например, Еою), настроенный на частоту ускорителя. На одной из торцевых крышек резонатора помещают катод, эмитирующая поверхность которого находится в высокочастотном поле с напряженностью в сотни киловольт на сантиметр. Пучок на выходе ВЧ – пушки представляет собой последовательность электронных сгустков с энергией частиц 105 – 106эВ и малыми радиальными и угловыми размерами. Для пушек с термоэмиссионным катодом [1, 3] типичная длительность импульса тока составляет 1.5 – 10 мкс, а их амплитуда – 0.5 –

1.    5 А. При применении Ва – Ni катода диаметром 5 мм двухрезонаторная универсальная ВЧ – пушка [2] обеспечивает инжекцию в ускоряющую секцию пучка с характеристиками: энергия частиц 700 – 900 кэВ, импульсный ток 1.5 А, длительность сгустка около 50 пс, длительность импульса тока – 0.7-1.5 мкс.

В связи с этим, представлялось целесообразным разработать численную модель высокочастотной электронной пушки с использованием метода макрочастиц для изучения различных режимов работы и уточнения эмиссионных характеристик прибора. Это предполагало решение системы уравнений, движения макрочастиц, находящихся под действием создаваемых ими полей пространственного заряда, электростатического и СВЧ – полей, создаваемого в системе резонаторов внешним источником [7,8].

Геометрия расчетной области представлена на рис.1. На рисунке введены следующие обозначения: К – катод,, Rk = 0,6 см – радиус катодного узла, Ra =

0,    8 см – радиус выходного канала, L1 = 7,9 см – длина пролетной области, L2 = 1,5 см – длина первого резонатора, L3 = 2,5 см – длина второго резонатора.

Численное моделирование высокочастотной электронной пушки включало решение системы уравнений Максвелла для определения высокочас-

Рис. 1. Гэометрия исследуемого устройства Fig. 1. The geometry of device under consideration

тотных полей в исследуемой области, решение уравнения Пуассона для определения электростатических полей и полей пространственного заряда [8], решение системы релятивистских уравнений движения [8], воспроизведение процессов эмиссии с использованием методов статистического моделирования. Число эмитируемых частиц имело как равновероятное распределение, так и определялось с помощью распределения Пуассона со средним значением тока, вычисляемым с использованием закона Ричардсона – Дешмана для термоэмиссионных катодов с учетом эффекта Шоттки.

При вычислительной реализации модели использовался метод макрочастиц [8]. При решении уравнений использовались численные методы: для решения уравнения Пуассона – метод быстрого преобразования Фурье с решением системы уравнений методом прогонки; для решения системы уравнений движения – сочетание экстраполяционных формул Адамса для скорости и степенных рядов для координат; для расчета СВЧ поля применялась программа Superfish. Для численной реализации использовался язык программирования C++. Для написания графического интерфейса использовалась визуальная среда разработки Borland C++ Builder.

Результаты работы разработанной модели при исследовании режимов работы ВЧ – пушки, проиллюстрированы на рис. 2-4.

При неизменном уровне подводимой мощности амплитуда пространственной гармоники с номером у зависит от номера вида колебаний и конфигурации резонатора (практически – от количества резонаторов).

При фиксированном значении индукции магнитного поля в гипотетической ситуации, предполагающей автономное возбуждение рабочего и конкурирующего видов колебаний, амплитуда рабочей гармоники на радиусе анода превосходит амплитуду конкурирующей. При удалении от анода к катоду амплитуда рабочей гармоники убывает с большей скоростью. В не тт-видном магнетроне при увеличении индукции магнитного поля соотношение между рабочей и конкурирующей гармониками в модулирующем слое изменяется в пользу последней. В таком магнетроне удаление рабочей точки от критического режима значительно меньше, чем в ж-видном магнетроне, что приводит к изменению вида колебаний[5]. Верхняя граница области существования рабочего вида описывается уравнением:

г, – радиус катода ; (О„ – циклотронная частота.

к                                                              с

В тт-видном магнетроне значительное удаление рабочей точки от параболы критического режима достигается благодаря превосходству рабочей гармоники над конкурирующей, существующему изначально за счет совпадения значений ^для m = О и

Ш — —\. В не тт-видном магнетроне единственной возможностью повышения конкурентоспособности рабочего вида является увеличение потерь на виде- конкуренте. Очевидны два пути: уменьшение доли конкурирующей гармоники в суммарном поле вида- конкурента путем введения в резонаторную систему управляющих неоднородностей или применение колебательной системы с селективным увеличением диссипативных потерь и (или) потерь излучения для вида-конкурента.

В не тт-видных магнетронах с управляющей неоднородностью, которые работают на менее нагруженной составляющей дублета, при выборе величины и расположения управляющих неоднородностей в качестве критерия рассматривался только уровень связи конкурирующих структур высокочастотного поля с внешней нагрузкой. При этом имеет место возможность одновременного «разрушения» спектра пространственных гармоник высокочастотного поля менее нагруженной составляющей дублета. При работе на нагруженной составляющей дублета управляющие неоднородности – это основной способ подавления конкурентов и, в первую очередь, второй, не связанной с внешней нагрузкой составляющей рабочего дублета. Его реализация возможна лишь при выполнении условия

где : i – номер резонатора с неоднородностью; и – любое нечетное число.

Единственный критерий правильного выбора величины и местоположения управляющих неоднородностей – степень «разрушения» спектра пространственных гармоник конкурирующих структур высокочастотного поля в пространстве взаимодействия. В настоящее время задача решена для двух случаев: 1)одной неоднородности; 2) нескольких неоднородностей, равномерно распределенных по периметру ре- зонаторной системы. Экспериментальные результаты свидетельствуют в пользу системы с расположением двух (максимум трех) неоднородностей в пределах сектора с углом меньше 180°. Наибольшая свобода в выборе взаимного расположения неоднородностей, как следует из (7), имеет место при работе на колебаниях вида N/4 Но для вида колебаний N/4 имеет преимущество переход к разнорезонаторной системе, состоящей из длинноволновых лопаточных и коротковолновых щелевых резонаторов [6]. Для такой системы практически отсутствует ограничение в выборе верхней границы области существования рабочего вида, обусловленное межвидовой конкуренцией и сдерживающее рост электронного КПД.

I.     Список литературы

[1] Z. Frankel. IRE Trans, on Electron Devices. Vol. ED-4, № 1. P.271. 1957

[2]  Т. E. Ruden, G. E. Dombrovski,, D. Hobbs, G. Boles. Low- field Magnetrons Study. // Proceedings of the First- International Workshop on Crossed-Field Devices. – 1995. Ann Arbor, Michigan, USA. – p. 66-77.

[3] Крупаткин И. Г. Определение границ областей существования видов колебаний в магнетронах, работающих на минус первой пространственной гармонике. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1974, № 2, с.11-16.

[4] Шифер Э. Д. Расчет многорезонаторных магнетронов.

М.: МЭИ. 1966.

[5] Гурко А. А. Расчет области существования дублетных видов колебаний». «Радиофизика и электроника», 1999, т. 4, № 3, с.42-44.

[6] Гурко А. А. Оценка возможности повышения КПД магнетронов миллиметрового диапазона с использованием не тт-видных колебаний. Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, № 1, с.80-83.

SELECTING AND CALCULATING OSCILLATING SYSTEM FORA NON-tt-MODE MAGNETRON

Gurko A. A.

‘Pluton’ Joint Stock Company 11 N. Syromyatnicheskaya St., Moscow, 105120, Russia

phone: +7 (095) 9168757, fax: +7 (095) 9161920

Abstract – An advanced technique for calculating oscillatory system parameters of mm-wave magnetrons utilizing поп-тт- mode oscillations is discussed.

I.  Introduction

At present no pulsed тт-mode magnetrons are available yet for wavelengths below 3mm. Since the late 1950s in the former USSR along with a scaled simulation technique a novel way of designing magnetrons has been applied and developed at ‘Pluton’ Design Office in manufacturing mm-wave magnetrons. This unconventional technique of designing mm-wave magnetrons was suggested and elaborated at the Kharkiv IRE, National Academy of Sciences of Ukraine. The mechanism of magnetron interaction was based on the way of synchronizing an electron stream with a lower spatial harmonic of one of degenerate oscillation modes at their anode equiresonator system (the so-called ‘Kharkiv’ operating mode of magnetrons). To confirm the validity of this approach, a parametric range of unique low-voltage con- tinuous-operation mm-wave magnetrons was mass-produced at ‘Pluton’ in the 1960s. In 1984 the industrial design of a unique pulsed 2mm-wave magnetron was developed, which still remains the only device of its kind in the world. Continuous magnetrons have found applications in pumping quantum paramagnetic and parametric amplifiers.

II.  Main part

It has been known from the experience accumulated during the design of non-TT-mode magnetrons that Q0 increases with smaller numbers n of oscillation modes. It has to do with the growing energy stored in the interaction space and end-face cavities made in the form of circular below-cutoff waveguides to decrease radiation losses.

Estimated magnitude of dissipative losses of a resonator system subject to equal amplitudes Eys(ra) of synchronous harmonics at the interaction space boundary shows it to increase with smaller n [5]. An increase in intrinsic losses of the resonator system at a constant input power input and constant exterior load results in a decreasing high-frequency field at the interaction space boundary. In actual practice, for non-TT-mode magnetrons a growing high-frequency voltage at the resonator input produces an increased electronic efficiency. The value r|e will be considered to be proportionate to the intensity of a high- frequency electric field of a synchronous harmonic [6].

In a non-TT-mode magnetron the only way to increase competitiveness for an operating harmonic is to increase losses in a competing harmonic. Two approaches are obvious: decreasing the portion of the competing harmonic in a composite field of the competitor mode by introducing driving inhomogeneities into the resonator system or implementing an oscillating system with a selective increase of dissipative losses and/or radiation losses in the competitor mode.

III.  Conclusion

In non-TT-mode driving-inhomogeneity magnetrons utilizing the less loaded component of a doublet, the choice of the values and arrangements of driving inhomogeneities was motivated only by the level of coupling between the competing structures of a high-frequency field and an external load.

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