3-D МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНЕТРОНОВ С ХОЛОДНЫМ КАТОДОМ, РАБОТАЮЩИХ НА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГАРМОНИКЕ В РЕЖИМЕ ДРЕЙФОВО-ОРБИТАЛЬНОГО РЕЗОНАНСА

February 25, 2013 by admin Комментировать »

Еремка В. Д., Копоть М. А., Кулагин О. П.

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Академика Проскуры, 12, г. Харьков, 61085, Украина e-mail: yeryomka@ire.kharkov. ua Науменко В. Д.

Институт радиоастрономии НАН Украины ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина e-mail: naumenko@rian.kharkov. ua

I.                                       Введение

Двумерная математическая модель (2-D модель), рассматривающая в самосогласованной постановке физические процессы в магнетронах миллиметрового диапазона волн (МДВ) с холодным вторичноэмиссионным, работающих на пространственной гармонике колебаний не 7Г – вида, позволяет изучать как динамику установления автоколебаний, так и режимы стационарных колебаний [1]-Однако 2-D модель не учитывает конечность осевой длины пространства взаимодействия таких магнетронов. Осуществляется разработка трехмерной модели (3-D модели) многорезонаторных магнетронов [2-5].

Рис. 1. Схематическое изображение расположенияхолодного катода и бокового термоэлектронногокатода в магнетроне МДВ: 1 – боковой термокатод; 2 – анод; 3 – «холодны» вторичноэмиссионного катод; 4 – экран.

Fig. 1. Schematic view of Μ MW cold SEC magnetron operating on a drift-orbital resonance: 1 – side-cut thermionic cathode; 2 – anode; 3 – cold SEC; 4 – screen

Разработана трёхмерная математическая модель магнетронов с холодным ВЭК, которая учитывает конечность осевой длины его пространства взаимодействия [4,5]. В программе численного эксперимента применен метод крупных частиц. При моделировании процессов вторичной электронной эмиссии с учетом угла падения первичных электронов во внимание приняты уравнения работы [6]

II.                               Основная часть

Входными данными для численного эксперимента являются параметры, которые могут быть измерены: геометрия пространства взаимодействия магнетрона, собственная частота и нагруженная добротность Q^ колебательного контура на рабочем виде

колебаний, постоянное магнитное поле и 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.

Рис. 2. Зависимость и^(Ь^ при р =15 для

«классических» магнетронов (прямая штриховая линия) и для дрейфово-орбитальных режимов (непрерывные кривые). (Штриховая кривая – Халловская парабола отсечки при σ =0.56).

Fig. 2. Dependence u^(b) at p =15 for conventional

magnetrons (dashed straight line) and for drift-orbital

modes (continuous curves). (Dashed curve is the Hull cutoff parabola witha =0.56)

С помощью 3-D математического моделирования протестированы характеристики импульсного 20- резонаторного магнетрона миллиметрового диапазона волн с боковым термоэлектронным катодом и холодным вторичноэмиссионным катодом (ВЭК), созданного в ИРЭ НАНУ и работающего в режиме первой гармоники низкоорбитного дрейфовоорбитального резонанса (треугольник на рис.2) [5], [7-9]. Основные узлы магнетрона схематически показаны на рис.1. Входными данными для численного эксперимента являются параметры пространства взаимодействия, приведенные в Таблице 1.

Таблица 1. Table 1.

Таблица 2. Table 2.

Параметры

Данные расчетов

Данные экспериментов

Рабочий ток, /д , А

23.0

26.0

Выходная мощность, kW

38.29

33.67

КПД, %

9.0

7.0

Рис. 3. Динамики электронов на стадии: а) эмиссии с бокового термоэлектронного катода; б) вторичноэмиссионного размножения; в) группировки; г) режима автоколебаний.

Fig. 3. Dynamics of electrons at a stage of: a) emission from a side thermionic cathode; b) second-emission

multiplication; c) bunching; d) auto oscillations mode

Электродинамические характеристики колебательной системы – рабочий вид колебаний

нагруженная добротность рабочего вида колебаний Q^~ 150. Рабочие длина волны; анодное напряжение; постоянное магнитное поле представлены в Таблице 1 [5,7]. Рабочая точка обозначена треугольником на рис.2.

Формирование пятнадцати электронных спиц в режиме генерации (рис.З,б,г) свидетельствует о рабочем колебаниивида и эффек

тивном 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.2.). Кроме этого, представлены результаты

3-       D моделирования динамики процесса вторичноэлектронного размножения при запуске магнетрона током первичных электронов с маломощного термоэлектронного катода, расположенного на месте торцевого экрана анодного блока (рис.2, а). Показано, что существенный вкпад в динамику процесса вто- рично-элекгронного размножения вносят концевые области ВЭК с эмиттером из платины (рис.З а, г ).

III.                                   Заключение

Разработана численная трехмерная цилиндрическая многопериодная модель магнетронного генератора на основе метода крупных частиц, учитывающая реальную трехмерную конфигурацию пространства взаимодействия, наличие распределенной и инжектированной эмиссии, неоднородности электрических и магнитных полей.

Проанализирован механизм нарастания заряда в пространстве взаимодействия и запуск магнетронно- го генератора с помощью инжекции электронов с электронной пушки, расположенной в области торцевого экрана. Показано, что процессы развиваются следующим образом: образование устойчивого электронного облака с небольшим зарядом, определяемым током пушки; увеличение радиуса циклоиды под действием сил пространственного заряда и начало процесса вторичной эмиссии; быстрое нарастание заряда до стационарного уровня и запуск прибора.

Проведенные расчеты процессов запуска магнетрона с различными значениями тока инжекции показали, что генерация в магнетроне наступает при любом токе инжекции, однако время запуска прибора существенно зависит от значения тока инжекции. При небольшом значении тока с бокового катода время запуска оказывается сравнимо с длительностью импульса, что может приводить к неустойчивой работе прибора.

IV.                            Список литературы

[1]  S. N. Sosnitskiy and D. М. Vavriv, «Theory of spatial- Harmonic Magnetron: An equivalent Network Approach», IEEE Trans. On Plasma Science, vol. 30, № 3, p.984-991, 2002.

[2]  Галаган A. В. Цилиндрическая трехмерная модель генератора со скрещенными полями. //Радиотехника. Изд. «Выща школа». Харьков. – 1989. – Вып. 88. – С. 130 -135.

[3]  Байбурин В. Б., Терентьев А. А., Гаврилов М. В., Поваров А. Б. Трехмерные цилиндрические уравнения движения электронов в неоднородных скрещенных полях //Радиотехника и электроника. Т.45. № 4. – С.492-498, 2000.

[4]  М. А. КороГ, V. D. Yeryomka, V. Р. Dzyuba, «3-D simulation of magnetrons with secondary-emission cathode stimulated by electrons from a field emitter», 15-th Int. Conf., »Micro- wave & Telecommunication Technology» (CriMiKo’2005). Conf. Proc., 12-16 September, 2005. – Sevastopol: Weber Publishing Co., vol.1, pp.225-228, 2005.

[5]  V. D. Yeryomka,, M. A. Kopot’, O. P. Kulagin,,

V. D. Naumenko, «3-D Simulation of Millimeter-wave Cold Secondary-Emission Drift-Orbital Resonance Magnetron», 2006 IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. 2006 IEEE Int. Vacuum Electron Sources (IVEC/IVESC-2006). Conf. Proc. Monterey, CA, USA. -P. 189-190, 2006.

[6]  J. Rodney M. Vaughan. «Secondary Emission Formulas», IEEE Trans, on Electron Devices, vol. ED-40, № 4, p. 830,

1993.

[7]  Ерёмка В. Д., Кулагин О. П., Науменко В. Д. «Разработка и исследование магнетронов в Институте радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова и Радиоастрономическом институте НАН Украины // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. Том. 9. Спец. вып. рр.42-67, 2000

[8]  О. Р. Kulagin, V. D. Yeryomka. Optimal Conditions for Drift- Orbital Resonance in M-type Devices// IEEE Trans. Plasma Science, vol.32, 3, pp.1181-1186, June, 2004.

[9]  O. P. Kulagin, V. D. Yeryomka. «The Flow Forming Potential in Unconventional Magnetrons» if Proc. Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC’2004), Monterey, USA, pp. 224 – 225, April 2004.

3-D SIMULATION OF COLD CATHODE MAGNETRONS OPERATING ON A SPACE HARMONIC IN A DRIFT-ORBITAL RESONANCE MODE

V.                         D. Yeryomka, M. A. Kopot’,

O.                        P. Kulagin, V. D. Naumenko^

Usikov Institute for Radlophyslcs and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine 12, Ac. Proscura St., Kharkiv, 61085, Ukraine e-mail: yeryomka@lre. kharkov. ua ^Institute of Radio Astronomy of National Academy of Sciences of Ukraine

4,       Krasnoznamennaya St., Kharkiv, 61002, Ukraine e-mail: naumenko@rlan.kharkov.ua

I.                                       Introduction

The mathematical 2-D model describing in a self-consistent fashion the physical processes in millimeter-wave (MMW) cold second-emission cathode (SEC) magnetrons (Fig.1) operating on a space harmonics of non- Я – mode oscillation can be used to study both the dynamics of establishing self-induced oscillations and the stationary oscillations regimes [1]. However the 2- D model does not take into account the finiteness of its space interaction axial length in these magnetrons.

A 3-D mathematical model for the cold SEC magnetrons has been worked out allowing for the finiteness of the axial length of its space interaction [2-5]. The numerical experiment involves the use of the PIC code. The equations presented in [6] have been taken into consideration in simulating the secondary electron emission processes with regard to the angle at incidence of primary electrons.

II.                                        Main Part

The input data for the numerical experiment are the parameters that can be measured: geometry of magnetron’s space interaction, natural frequency and the loaded Q of the oscillatory circuit on an operating mode, a permanent magnetic field and an anode voltage. The device output performances such as anode current, output power and efficiency are the results from calculations and do not require that their rough value are known. Simulations are made of dynamic processes of secondary electron multiplication and the device output in stationary mode Using the 3-D mathematical simulation the characteristics of a MMW pulse 20-cavity side thermionic cathode and a cold SEC magnetron have been benchmarked. This magnetron has been designed and developed at the Usikov IRE of NAS of Ukraine and is operated in a mode of the first negative space

harmonic of a low-orbit drift-orbital resonance fl — \ (triangle. Fig.2) [5] [7]- [9]. The input data for the numerical experiment are the space interaction parameters listed in Table 1 fellow:

The length of the magnetron’s electrodynamics system: anode length = Amm ■ Electrodynamics characteristics: operatloaded Q-factor of the operating

modeg^~150: operating wavelength X = A.\mm\ anode

voltage= 18.5A:K , permanent magnetic field _β=0.81Γ

[5, 7]. The generation of 15 electron spokes in a generating mode (Fig 3, c, d) gives evidence of the operating oscillation of

mode and its effective separation with adjacent

modes using the magnetic field. The data from calculating the operating current, output power (with the circuit efficiency;;^ -0.8) and efficiency have a good agreement with

measurement date (see Table2). In addition, the results are presented of the 3-D simulation of the dynamics of the secon- dary-electron multiplication process in triggering the magnetron by the current of the primary electrons from a low-power thermionic cathode located where the second end screen of the anode block (Fig.3, a). Should be positioned it is shown that a substantial contribution to the dynamics of the secondary- electron multiplication is made by the end regions of the SEC having a platinum emitter (see Fig 3, b-d)

III.                                       Conclusion

The 3-B model of the secondary-electron multiplication dynamics in cold cathode magnetrons having a SEE, which is bombarded by the primary electrons from the side thermionic emitter. The carried out calculations of start magnetron processes with various values of a injection current shown, that generation in magnetron comes at any injection current, however start time of the device essentially depends on injection current value. At small value of a current с the lateral cathode time of start appears is comparable to duration of a pulse that can result in unstable work of the device.

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