ПЕНИОТРОН С ФОКУСИРУЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

December 8, 2014 by admin Комментировать »

А П. Сухоруков, А В. Шелудченков Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

В отличие от приборов гиротронного типа, где группировка электронов обусловлена релятивистским эффектом, в пениотроне [1,2] эффект стимулированного излучения электронов обусловлен тем, что ВЧ-поле большой азимутальной неоднородности смещает ведущий центр электронной орбиты в тормозящую фазу. Этот эффект был обнаружен теоретически в 1962 г. [1], и тогда же был описан СВЧ-генератор на 2-й гармонике циклотронной частоты с конфигурацией, обеспечивающей реализацию пениотронного механизма: азимутальнонеоднородное ВЧ-поле формировалось двумя парами продольных ламелей в прямоугольном волноводе [2] (заметим, однако, что адекватное теоретическое объяснение работы пениотрона в публикации [2] отсутствует).

В дальнейшем на основе нелинейной теории [3] была доказана высокая эффективность пениотронного механизма при использовании электродинамических систем "магнетронного" сечения [1]. Экспериментально в импульсном режиме получены на частоте 95 ГГц генерация на 10-й гармонике с электронным КПД 40% и выходной мощностью 10 кВт [4] и усиление 20 дБ на частоте 35 ГГц с эффективностью 25-30% на 2-й гармонике гирочастоты [5].

Существенным недостатком, сдерживающим широкое применение пениотронов, является использование соленоида для создания однородного магнитного поля в области электронноволнового взаимодействия. Применение магнитной фокусирующей системы (МФС) на постоянных магнитах позволило бы существенно улучшить массогабаритные показатели приборов этого класса. Однако это влечет за собой применение принципиально новой электроннооптической (ЭОС) и электродинамической системы, так как движение ВЭП в области компрессии и коллектора носит неадиабатический характер из-за реверса магнитного поля на полюсных наконечниках.

Электронно-оптическая и магнитная фокусирующая системы пениотрона

Как показали численные и экспериментальные исследования [6], параметры ВЭП, в частности разброс поперечных скоростей электронов Av_l/v_l и разброс ведущих центров электронных орбит Arcyci/rcycb для моновинтовых потоков существенным образом зависят от двух факторов – способа первоначальной накачки осцилляторной энергии электронов и крутизны переходной области магнитного поля (участок реверса и компрессии). При выборе конструкции ЭОС и МФС учитывались такие требования, как возможность регулирования тока катода от нуля до максимального, возможность изменения (±3-5%) магнитного поля в рабочем зазоре для подстройки синхронизма взаимодействия, регулировка (±20-30%) величины магнитного поля на катоде для изменения диаметра моноВЭП и уровня осцилляторной энергии электронов.

Схема пениотрона представлена на рис. 1. Электронный поток эмитируется обращенным магнетронным диодом, первоначальная закрутка осуществляется при переходе электрона через реверс магнитного поля, накачка осцилляторной скорости происходит в неадиабатически нарастающем магнитном поле. В результате численной оптимизации были получены следующие параметры ВЭП: ток пучка /0 = 0,65 А при ускоряющем напряжении С/0 = 20 кВ, потенциал промежуточного анода Ua = 4 кВ, диаметр электронного потока Db = 2,8 мм, диаметр пролетного канала D = 3,2 мм, средняя плотность тока с катода j = 10 А/см2, питч-фактор g= 1,8, магнитное поле в рабочем зазоре В0= 0,325 Т, магнитное поле на катоде Вс = = – 0,0225 Т, разброс поперечных скоростей электронов Av_l/v_l= 3,6%, разброс ведущих центров электронных орбит Агсус\/гсус\ = 6,8%.

Рис. 1. Схема пениотрона: 1 – катод, 2 – промежуточный анод, 3 – анод, 4 – электронный поток, 5 – магнетроноподобный волновод, 6 – преобразователь типов волн, 7 – коллектор, 8 – МФС, 9 – корректирующий электромагнит, 10 – катодный магнит.

Так как при пениотронном механизме взаимодействия фазовая группировка электронов происходит за счет поперечного сдвига ведущего центра электронной орбиты, то такой вид взаимодействия очень критичен именно к разбросу ведущих центров электронных орбит. Расчет эффективности взаимодействия показывает, что при разбросе Агсус\/гсус\= \5% выходная мощность пениотрона снижается вдвое. Поэтому при оптимизации ЭОС основное внимание уделялось именно этому параметру.

Наличие реверса и спад магнитного поля в коллекторной области приводят к быстрой расфокусировке электронного потока и оседанию последнего на коллектор в виде тонкого кольца, способного вызвать локальный перегрев и выход прибора из строя, поэтому при использовании МФС на постоянных магнитах необходимо принимать специальные меры для увеличения площади оседания электронного потока. В отличие от приборов гиротронного типа, работающих в криомагнитных или резистивных соленоидах, зона оседания электронного потока в коллекторе находится в непосредственной близости от согласующего перехода между областью взаимодействия и коллектором. Из-за этих ограничений на геометрические размеры в данном приборе адиабатический конусный переход был заменен более коротким ступенчатым согласующим переходом.

Электродинамическая система пениотрона

В качестве рабочей моды пениотронного генератора, работающего на 10-й гармонике циклотронной частоты, выбран 2я-вид колебаний 11-ламельного магнетронного волновода. Такой выбор был продиктован двумя причинами. Во-первых, 2я-виду колебаний магнетронного волновода соответствует волна ΤΕ0.ι круглого волновода, что облегчает расчет и настройку преобразователя типов волн (согласующего перехода). Во-вторых, 11-ламельный волновод по сравнению с 22-ламельным, поддерживающим π-вид колебаний, технологичнее в изготовлении и выдерживает большие тепловые нагрузки в случае плохого токопрохождия. При этом некоторое снижение сопротивления связи в генераторе можно компенсировать увеличением дифракционной добротности резонатора [7]. Также для увеличения сопротивления связи и некоторого смещения максимума распределения ВЧ-поля от стенок магнетронного волновода к центру прямоугольные резонаторы были заменены на трапециевидные. При этом частота отсечки магнетронного волновода в области взаимодействия составила 90,3 ГГц.

Для согласования области взаимодействия с коллектором и преобразования 2я-вида колебаний в волну TEo.i круглого волновода использовался классический метод синтеза ступенчатых переходов. Для согласования оказалось достаточно одной четвертьволновой 1амельной секции. Угол раскрыва согласующего перехода составил 6=10° при угле расхождения электронного потока после реверса магнитного поля = 7°. Это обеспечило беспрепятственное прохождение электронного потока из области взаимодействия в коллектор.Результаты экспериментального исследования пениотронного генератора

Пениотронный генератор показан на рис. 2. При расчетных параметрах электронного потока удалось достичь выходной мощности Р = 80 Вт и максимального КПД взаимодействия 7,5% при токопрохождении 78,5%. При увеличении тока катода выходная мощность увеличилась до Р = 115 Вт при КПД 6,8%, токопрохождение при этом ухудшалось до 71%. Также наблюдалось токооседание (3-4%) на первом аноде. Максимальный КПД = 8% удалось достичь при более высоком ускоряющем напряжении U0 = 22,5 кВ и токе катода /о =0,5 А. Частота выходного сигнала при перестройке магнитным полем менялась в пределах от 91,0 до 91,3 ГГц. В процессе проведения эксперимента заданные значения магнитного поля на катоде и в области взаимодействия поддерживались с помощью корректирующих соленоидов.

Как и ожидалось, проблема формирования высокоэффективного моновинтого электронного потока прежде всего связана с уменьшением разброса ведущих центров электронных орбит относительно геометрической оси прибора. Зазор между ВЭП и электродинамической системой составляет всего 0,2 мм и, как показывают численные расчеты и экспериментальные исследования, не может быть увеличен без значительного снижения КПД взаимодействия. Испытанный вариант электроннооптической системы оказался очень критичным к отклонению электрического и магнитного полей от оптимального в области катода и компрессии. Поэтому повышение устойчивости электронно-оптической системы к дестабилизирующим факторам прежде всего связано с подбором такого распределения электрического и магнитного полей в области катода, при котором эмиссия электронов происходила бы параллельно магнитному полю, а преобразование продольной энергии в поперечную определялось бы только параметрами области реверса и компрессии магнитного поля.

Литература

1.        Гапонов А. В., Юлпатов В. К. Взаимодействие замкнутых электронных пучков с электромагнитным полем в полых резонаторах // Радиотехника и электроника. 1962. Т. 7, № 4. С. 631-642.

2.        Опо S., Kazuhiko К, Yukio F. Cyclotron fast-wave tube using spatial harmonic interaction // The Travellings of the 4th Int. Congress on Microwave tubes. Schweiningen. 1962. P. 355-363.

3.        Кузнецов С. П., Трубецков Д. К, Четвериков А. П. Нелинейная аналитическая теория пениотрона // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6, № 519. С.1164-1168.

4.        Dohler G., Gallagher D., Richards J., Scaffuri F. Harmonic high power 95 GHz peniotron // Tech. Dig. IEEE Int. Electron Devices Mtg. (IEDM). 1993. P. 363-366.

5.        Park G. S., Hirshfield J. L., Kyser R. H., Armstrong С. M., Gangly A. K. 35 GHz giro-peniotron amplifier experiment // Dig. Int. Conf. Infrared and Millimetr Waves. 1992. P. 500-501.

6.        Евтушенко О. В., Голеницкий И. И., Еремка В. Д., Огалева Р. М., Шелудченков А. В. Адиабатическая пушка "0"-типа, формирующая моновинтовой трубчатый электронный поток. Ч. 2//Электронная техника. Сер.1, СВЧ-техника. 1992. Вып. 6 (450). С. 3-7.

Королев А. Ф., Моносов Г. F, Сухоруков А. П., Чепурных И. П., Шелудченков А. В. Электродинамическая система пениотрона 3-мм диапазона // Электромагнитные волны & электронные системы. № 5. С. 62-67.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

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