МАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ ГИРОПРИБОРОВ С МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ

February 2, 2013 by admin Комментировать »

Глявин м. Ю., Морозкин М. В., Петелин М. И. Институт прикладной физики РАН Ул. Ульянова, д. 46, ГСП-120, г. Нижний Новгород, 603950, Россия Тел.: +7(8312) 164628; e-mail: morozkin@appl. sci-nnov. ru

Аннотация – Проанализированы энергетические спектры электронов в коллекторной области современных технологических гиротронов на гармониках гирочастоты и найдены оптимальные по итоговому КПД длина резонатора и ток пучка. Для разделения энергетических фракций электронного потока предлагается ввести в коллекторную область гироприбора соосное соленоиду ферромагнитное кольцо, что может повысить эффективность рекуперации при осаждении электронов на секционированный коллектор.

I.                                       Введение

Использование мощного излучения миллиметрового диапазона длин волн вызывает все большее внимание для широкого круга задач создания материалов с новыми свойствами [1]. Созданные в ИПФ РАН гиротронные комплексы [2] микроволновой обработки материалов не имеют мировых аналогов по своим техническим параметрам и функциональным возможностям, но уступают системам дециметрового диапазона по эффективности. Одним из методов повышения КПД может быть осаждение отработанного электронного потока на коллектор с потенциалом меньшим, чем потенциал резонатора [3].

II.             Метод и результаты расчетов

Глубокое торможение электронов без их отражения возможно, если минимальная энергия электронов в отработанном пучке достаточно велика; для этого высокочастотное поле в пространстве взаимодействия должно обладать благоприятной «адиабатической» продольной структурой. Методы численного расчета энергетических спектров проверялись экспериментальными измерениями с использованием анализатора, основанного на действии тормозящего электрического поля [4]. Расчеты показывают, что эффективная одноступенчатая рекуперация требует перехода к более длинному резонатору, при этом выходной КПД увеличивается примерно в 1.25 раза. Дополнительные возможности для рекуперации появляются, если энергетические фракции электронного пучка разделить пространственно и каждую из них посадить на участок коллектора с соответствующим потенциалом. Для разделения фракций предлагалось, в частности, пропускать электронный пучок в коллекторной области гиротрона через неоднородность магнитного поля, созданную соленоидом, включенным противоположно по отношению к основному магниту [5]; но, как показали расчеты, в этом случае неоднородность поля влечет за собой наличие отраженных электронов. Меньшая и, можно надеяться, «безотра- жательная» неоднородность может быть реализована при использовании ферромагнитного кольца, которое в рассматриваемой здесь плоской модели заменено цилиндрическим стержнем с большой магнитной проницаемостью.

В гиротронах, как правило, разброс ведущих центров электронных орбит мал по сравнению с лармо- ровским радиусом и, соответственно, можно считать, что на входе в сепаратор (область невозмущенного магнитного поля, где образующая коллектора параллельна силовым линиям) оси всех электронных траекторий находятся на одинаковом расстоянии от коллектора. Для эффективного торможения практически вся энергия электронов вблизи коллектора должна быть сосредоточена в продельной составляющей, т. е необходимо выполнение условия g=(Ut/U,)~(H/Hresf’"=(Rres/R) « 1

Рис. 1. Общий вид сепаратора и траектории электронов.

Fig. 1. The separator general view and trajectory of electrons

В магнитном поле сепаратора электроны, имеющие малую энергию, движутся адиабатически и, следуя силовым линиям, высаживаются на коллектор, а для быстрых электронов размер неоднородности мал, и они пролетают область сепаратора. Непосредственное интегрирование уравнений движения (использовался метод Рунге-Кутта) позволяет построить траектории движения электронов и рассчитать долю прошедших сепаратор частиц в зависимости от начальных условий.

При ненулевой поперечной скорости прохождение электрона через сепаратор зависит от фазы циклотронного вращения, поскольку в область коллектора электроны, имеющие одинаковую скорость, входят с разными начальными координатами определяемыми их фазой. Коэффициент прохождения Т, равный отношению числа прошедших сепаратор электронов к числу электронов на входе в сепаратор, при этом может изменяться от О до 1. Наличие интервала энергий, в котором возможно высаживание электронов на коллектор, имеет два негативных следствия. Во-первых, снижается значение тормозящего электростатического потенциала коллектора, определяемое минимальной остаточной энергией электронов (отражение электронов от коллектора приводит к развитию различного рода неустойчивостей электронного потока, сопровождающихся снижением эффективности энергообмена электронов с ВЧ полем). Во-вторых, снижение числа прошедших через сепаратор электронов уменьшает эффективность последующей рекуперации.

На плоскости (utr: Uz) – Utr поперечная, продольная скорости – все электроны сосредоточены ниже линии максимально возможного питч-фактора. Проекция точки ее пересечения с изолинией Т=0 на ось продольных скоростей позволяет найти значение тормозящего потенциала следующей ступени коллектора U=Uz'(m/2e) Все прошедшие сепаратор электроны будут иметь энергию большую, чем тормозящий потенциал и могут быть перехвачены без опасности отражения электростатическим полем.

При прохождении сепаратора часть продольной энергии электронов перекачивается во вращательную составляющую и перед торможением требуется дополнительно размагнитить электронный пучок в плавно спадающем магнитном поле.

Предлагаемая система не искпючает возможности отражения части электронного потока от неоднородности магнитного поля. Однако при расчетах для большого числа электронов с различными энергиями и фазами случаев отражения зафиксировано не было. Это позволят предположить, что число отраженных от сепаратора электронов мало, и они не окажут значительного влияния на работу прибора.

III.                                  Заключение

Описанный магнитный сепаратор может быть использован для увеличения эффективности рекуперации в гиротронах на гармониках гирочастоты и гироусилителях, где минимальная энергия электронов на выходе из пространства взаимодействия настолько мала, что простейшая одноступенчатая рекуперация становится малоэффективной.

Предлагаемые подходы к решению задачи повышения эффективности гироприборов базируются на проведенных ранее исследованиях, расчетах и лабораторных тестах. Дальнейшее развитие апробированных методов и их применение к конкретным, используемым в составе квазипромышленных гиро- тронных комплексов устройствам, позволит качественно улучшить их энергетические показатели и расширить сферы применения специализированного оборудования для решения задач современного материаловедения.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант 04-02-17114.

IV.                           Список литературы

[1]  Novel Materials Processing by Advanced Electromagnetic Energy Sources, MAPEESO4, Elsevier Ltd, London, UK, ed. S. Miyake, (458 pages), 2005

[2]  Yu. Bykov, A. Eremeev, et al. 24-84 GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications, IEEE Transactions on Plasma Science, vol.32, no.1, pp.67-72, 2004

[3]  Гольденберг A. Л., Мануйлов В. Η., Бородачева Т. Б. О рекуперации в гиротроне. В книге «Гиротрон», Горький, 1989, с.161-180

[4]  Венедиктов Н. П., Глявин М. Ю. и др. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с вч полем в гиротроне. ЖТФ, т.70, вып.12, с. 63-66, 2000

[5]  /. Kulagin, V. Manuilov, М. Peteiin, Ν. Za/fsev/Separation of energetic fractions of electron beam by cusped magnetic field. Proceedings of the International Workshop Strong Microwaves in Plasmas, N. Novgorod, ed. A. Litvak, 1997, v.2, pp.723-729.

MAGNETIC SEPARATOR OF ELECTRONS FOR GYRODEVICES WITH MULTISTAGE DEPRESSED COLLECTOR

Glyavin M. Yu, Morozkin M. V., Peteiin M. I.

Institute of Applied Physics RAS 46, Uliyanov Str., Nizhniy Novgorod, 603950, Russia Ph.: (8312) 164628, E-mail: morozkin@appl.sci-nnov.ru

Abstract – The energy spectrums ofeiectrons at the collector region are calculated and analysis of optimal to output efficiency cavity length is presented for gyrotron with energy recovery system. The separation of the electron beam energy fractions in the collector region is organized by the installation ofthe ferromagnetic ring coaxial to the main solenoid. This may increase the efficiency of the energy recovery for gyrodevices with the multistage depressed collector.

I.                                         Introduction

The gyrodevice-based systems developed at lAP RAS are comparable well with the lower frequency microwave sources in terms of power, stability, reliability of their operation, but have lower efficiency. One of the most effective ways of output efficiency increasing is electron beam energy recovery in the collector region.

II.                   Calculation Method and Results

The numerical methods have been used for electron energy spectrum calculations. The methods correctness was tested by comparison with experimental measurements by decelerating electric field analyzers. The cavity length increasing is required for increasing of CPD recovery efficiency. The new type simple design separator of electron beam energy fractions is presented for multistage depressed collectors. The electrons separation is organized by the installation ofthe ferromagnetic ring coaxial to the main solenoid. The necessary condition for effective energy recovery is g = (Ut/U,)~(H/Hresf’^=(RreJR) « 1.

At the separator region, the low energy electrons settle on the collector surface follow the field line, but high energy electrons pass over collector due to small size of heterogeneity. For non-zero transverse velocity the electron going through separator also depends on oscillatory phase. The propagation coefficient T can be change from 0 up to 1 in a certain interval of energy. This fact has two negative consequences: decreasing of the minimal electron energy (which is equal to collector decelerating potential) and reduction number of electrons passing through the separator (which is equal to recovery efficiency reduction). The value of decelerating potential of the next recovery stage ofthe collector can be find from the point of intersection the line of maximal pitch-factor g and T=0 line using energy balance equation U=Uz-(m/2e)^’^.

Some part of the electrons longitudinal energy converts to oscillatory energy at the separator region, so additional demagnetization in slow fall field is required.

Generally speaking, electrons reflections from separator region can take place, but at numerical experiments such trajectory does not indicate. Hence, the number of reflected electrons will be negligibly small and won’t influence operation in a real system.

III.                                       Conclusion

The presented separator can be used for efficiency increasing at harmonic gyrotrons and gyro-amplifiers where minimal electron energy is too low and CPD system is not effective. The effective systems of energy recovery will promote expansion of gyrodevice-based systems to novel technology and industrial applications.

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