МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ МАГНЕТРОНЫ С ХОЛОДНЫМ ВТОРИЧНОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ: В ПРОШЛОМ, НАСТОЯЩЕМ, БУДУЩЕМ – ЧАСТЬ 7

January 11, 2013 by admin Комментировать »

В схеме (рис.20) конструкции холодного ВЭК между элементамиЗ ПЭ и слоем 4 ВЭЭ имеется небольшая по сравнению с анодным напряжением разность потенциалов (150-300В). В такой схеме каждый первичный электрон, туннелированный из элементов

3  ПЭ, двигаясь в скрещенных статических электрическом и магнитном полях, бомбардирует рабочую поверхность ВЭЭ 4 с энергией достаточной для запуска процесса ВЭР. Таким образом, для успешного запуска процесса ВЭР, электроны должны получить некоторую «добавку» кинетической энергии. Эту «добавку» энергии можно обеспечить за счет дополнительного источника или при движении частиц в нестационарном электрическом поле. Магнетроны с холодными ВЭК, выполненными по схемам, представленным на рис. 4 и рис. 29, имеют перспективу для развития и применения.

5.          Теоретические исследования магнетронов с холодным ВЭК.

Теория традиционных многорезонаторных магнетронов импульсного действия строится, как правило, на ряде предположений об электронно-волновом взаимодействии и свойствах электромагнитного поля, возбуждаемого в резонаторной системе магнетрона. Основными являются следующие предположения:

1)          распределение плотности электронов по угловой координате периодично;

2)          взаимодействие электронов осуществляется только с одной из пространственных гармоник анодной периодической структуры;

3)          пространственное распределение возбуждаемого электромагнитного поля можно аппроксимировать распределением поля одного из собственных колебаний холодной резонаторной системы.

Такая теория позволяет, по крайней мере, качественно описать физику традиционных магнетронов и проанализировать их стационарные и динамические характеристики.

Теория МПВ, работающих в режиме взаимодействия электронного потока с полем поверхностной волны пространственной гармоники, в том числе магнетронов с холодным ВЭК гораздо сложнее, поскольку ни одно из вышеуказанных предположений не может быть принято даже на стадии качественного описания работы таких магнетронов [54-57]. Невозможность полного описания динамики МПВ на пространственной гармонике с холодным катодом в рамках одномодового приближения следует уже из того, что все виды собственных колебаний симметричных анодных резонаторных систем магнетронов (кроме я–вида) являются двукратно вырожденными. Взаимодействие потока электронов с двукратно вырожденным видом колебаний может быть описано как возбуждение одной моды, представляющей собой бегущую волну. Однако в реальных магнетронах из-за наличия в резонаторах анодной системы неоднородностей, из которых основной является щель связи волноводного вывода энергии с внешней нагрузкой, вырождение снимается, что приводит к образованию пары мод (дублетов) с близкими значениями собственной частоты и существенно различающимися величинами нагруженной добротности. Применение режима работы на колебаниях не Л"-вида дало возможность увеличить геометрические размеры резонаторной ЗС, в частности.

ее период. Импульсные МПВ с равнорезонаторными ЗС, созданные и исследованные в ИРЭ НАНУ, работают на первой отрицательной пространственной гармонике видов колебаний с номерами 0<п<7. являющихся дублетами. Дублетный характер колебаний не Л"-вида и наличие щели связи вывода энергии в нагрузку, искажающей выходной резонатор и азимутальную симметрию резонаторной системы анодного блока, является одной из существенных причин, уменьшающих КПД МПВ, работающих на пространственных гармониках. Физика процессов в МПВ МДВ в условиях одночастотной генерации на вырожденны видах колебаний изучались теоретическими и экспериментальными методами [63, 64].

Показано, что изменение реактивности выходного резонатора ЗС анодного блока МПВ влияет на величину электронного КПД. Максимальный электронный КПД в МПВ МДВ, работающих на пространственной гармонике, может быть реализован при минимально возможном значении скачка фазы на выходном резонаторе.

Следовательно, для корректного анализа физики процессов в МПВ МДВ, работающих на колебаниях не я–вида, необходим учет взаимодействия электронов как минимум с двумя модами. В действительности, как показано в [55-57], для описания процесса возбуждения и установления колебаний в МПВ МДВ необходимо учитывать взаимодействие электронного потока с полями практически всех мод. Поэтому применение разложения по модам для представления электромагнитного поля в пространстве взаимодействия ведет к усложнению теории и соответствующих численных экспериментов.

5.1.         2-D моделирование МПВ МДВ с холодным ВЭК.

Рис. 21. Динамика электронов на стадии: а) – эмиссии с бокового термоэлектронного катода; б) – вторичноэмиссионного размножения; в) – группировки; г) – режима автоколебании Fig. 21. Dynamics ofeiectrons at a stage of: a) emission from a side thermionic cathode; 6) second-emission

muitipiication; в) bunching; г) auto osciiiations mode.

На основе метода крупных частиц впервые разработана математическая модель, рассматривающая в самосогласованной постановке физические процессы в магнетроне магнетронах миллиметрового диапазона волн с холодным ВЭК, работающем на пространственной гармонике колебаний не Л"-вида [54-57]. Модель позволяет изучать как переходные процессы, так и режимы установившихся колебаний. Разработана модель инжекции электронов из бокового катода в пространство взаимодействия магнетрона магнетронах миллиметрового диапазона волн с холодным ВЭК, которая может быть применена для оптимизации геометрии термоэлектронного эмиттера и концевых экранов катода [57]. Отмечены особенности механизма формирования электронного облака при стимуляции вторичноэмиссионного катода первичными электронами с торцового термоэлектронного катода [54-57]. Электронное облако в пространстве взаимодействия МБК, работающем на пространственной гармонике, как показывает 2-D модель, нельзя считать строго периодичным как это имеет место в кпассическом магнетроне.

Разработана трёхмерная математическая модель магнетрона с холодным ВЭК, которая учитывает конечность осевой длины его пространства взаимодействия [27]. В программе численного эксперимента применен метод крупных частиц. При моделировании процессов вторичной электронной эмиссии с учетом угла падения на ВЭК первичных электронов использованы уравнения работы [63]

В связи с этим при моделировании неклассических магнетронов необходимо принимать во внимание процессы в пространстве взаимодействия в целом, а не на одном периоде ЗС анодного блока, как это делается при моделировании классических магнетронов.

В магнетронах, работающих на пространственной гармонике, обнаружено влияние несинхронной гармоники ВЧ поля на движение электронов, приводящее к зависимости характеристик прибора от соотношения между амплитудами нулевой и минус первой пространственных гармоник [57].

5.2.          3-D моделирование магнетронов миллиметрового и сантиметрового диапазонов с холодным ВЭК.

Входными данными для численного эксперимента являются измеряемые параметры: геометрия пространства взаимодействия магнетрона; собственная частота; нагруженная добротность рабочего вида колебаний; постоянное магнитное поле; анодное напряжение. Выходные характеристики прибора – анодный ток, выходная мощность и КПД являются результатами вычисления и не требуют знания их ориентировочного значения. Моделируются динамические процессы размножения вторичных электронов и выход прибора в стационарный режим.

С помощью 3-D математического моделирования протестированы характеристики импульсного 16- резонаторного МБК миллиметрового диапазона волн с холодным ВЭК, разработанного в ИРЭ НАНУ в 1971-1975 гг. Входными данными для численного эксперимента являются следующие параметры. Геометрия электродинамической системы МБК: диаметр анода =4,5 мм; диаметр катода

=2,6 мм; длина анода / =6 мм;                                     =0,577

число резонаторов N =16; её электродинамические характеристики: рабочий вид колебаний jV/4-Ι; нагруженная добротность рабочего вида колебаний Q^~ 150; рабочая длина волны Л =8,25 мм; анодное

напряжение t/^ =15,5 кВ; постоянное магнитное поле 5=0,7Тл [6].

Формирование тринадцати электронных спиц в режиме генерации (рис.21,б,г) свидетельствует о

рабочем колебании (Л"/2 — 1 )-вида и эффективном его разделении с соседними видами с помощью магнитного поля. Данные расчетов рабочего тока, выходной мощности (при контурном КПД 77^-0,8) и КПД

имеют хорошее соответствие данным измерений (табл. 10). Кроме этого, представлены результаты 3-D моделирования динамики процесса вторичноэлектронного размножения при запуске магнетрона током первичных электронов с маломощного бокового термоэлектронного катода (рис.21,а). Показано, что существенный вклад в динамику процесса вторичноэлектронного размножения вносят концевые области ВЭК с эмиттером из платины (рис.21, а-г).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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