На правах рукописи

ЕВДОКИМОВ Юрий Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ЛБВ НА

ЦЕПОЧКЕ СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРОВ С РАСШИРЕННОЙ

ПОЛОСОЙ УСИЛЕНИЯ

Специальность: 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2008 1

Работа выполнена на кафедре лазерных и микроволновых информационных систем факультета информатики и телекоммуникаций Московского государственного института электроники и математики.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор Ю.Д. Мозговой

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор В.А. Солнцев, Кандидат физико-математических наук, доцент МГУ В.М. Пикунов

Ведущая организация: ОАО “ПЛУТОН”

Защита диссертации состоится “ 2008 г. в часов на ” заседании Специализированного Ученого Совета в Московском государственном институте электроники и математики по адресу: Москва, 109028, Б. Трехсвятительский пер., д. 3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.

Автореферат разослан “ 2008 г.

”

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 212.133.06, Профессор Н.Н. Грачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время мощные источники микроволнового излучения являются неотъемлемой частью арсенала средств современной науки и техники. Они находят применение в различных областях науки и техники: радиолокации, радиоастрономии, системах дальней связи [1*а также интенсивно используются в ряде физических направлений:

управляемом термоядерном синтезе, возбуждении химических и газовых лазеров, взаимодействии электронных потоков с газом и плазмой.

Получение когерентного электромагнитного излучения большой мощности открывает широкие перспективы для дальнейшего его применения, так как сильноточные потоки позволяют повысить мощность за счет увеличения используемых токов пучков, а также продвинуться в область более коротких длин волн, вплоть до оптического диапазона. Возможность получения микроволнового излучения с помощью электронных потоков во многом зависит от качества формирования и эффективности их взаимодействия с электромагнитными полями.

Основными проблемами электроники больших мощностей являются:

повышение уровня выходной мощности, укорочение рабочей длины волны, увеличение длительности импульса, а также повышение уровня эффективности и широкополосности приборов[5*-7*]. Для получения высоких уровней мощности СВЧ излучения наибольшее распространение получили электронные приборы, основанные на длительном продольном взаимодействии потока с полем резонансной замедляющей структуры. Примерами таких устройств являются многорезонаторные пролетные клистроны и ЛБВ на цепочках связанных резонаторов.

Значительные успехи, достигнутые в области микроволновой электроники средней и большой мощности, являются следствием многих теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на протяжении многих лет.

Этим достижениям, в частности, способствовали использование метода крупных частиц, методов электродинамического описания взаимодействия, методов анализа явлений в устройствах при больших электронных нагрузках, работающих внутри и вне полосы прозрачности электродинамической системы.

Разработаны узлы и системы, позволяющие получать комплекс требуемых выходных параметров приборов при различных дестабилизирующих факторах.

Экспериментальные успехи в создании приборов во многом определяется тщательностью их теоретической проработки. Физические процессы, протекающие при работе некоторых типов мощных приборов, и принципы их работы недостаточно изучены. Поэтому актуальной является разработка и развитие теории таких процессов, и применение ее к конкретным приборам.

Проведение экспериментальных исследований с целью создания устройств с более высокими выходными характеристиками (расширенной полосой усиления, повышенными выходной мощностью и КПД), а также проведение тестовых испытаний в последнее время стало весьма дорогостоящим мероприятием, ввиду трудности поддержания на необходимом уровне производственной и экспериментальной базы.

Поэтому, для микроволновой электроники остаются актуальными задачи развития теоретических методов проведения разработки приборов, методов анализа электроннооптических и электродинамических систем. Остаются актуальными практические задачи развития конструкторско-технологического моделирования узлов и систем приборов, в частности, таких как электронная пушка, электродинамическая система, коллектор электронов, магнитная система, вакуумная система, система охлаждения прибора.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов с расширенной областью усиления сигнала на основе анализа механизмов взаимодействия электронного потока с полями резонансных замедляющих систем. На основе теоретических и экспериментальных исследований процессов взаимодействия необходимо разработать мощные ЛБВ с расширенной полосой усиления и уменьшенной изрезанностью амплитудно-частотных характеристик.

В диссертации рассматриваются вопросы развития методов анализа усиления колебаний при взаимодействии двух электронных потоков с полями в мощных ЛБВ, а также вопросы проектирования и разработки конструкции и технологии изготовления замедляющих систем на цепочке связанных резонаторов, электронных пушек с одним и двумя лучами, многоступенчатых коллекторов с различными видами охлаждения.

Специфика исследования заключается в развитии методов анализа усиления колебаний в рамках линейной теории, описывающих процессы взаимодействия однолучевых и двулучевых потоков с электромагнитными полями в мощных электронных приборах вблизи границ полосы пропускания резонансных замедляющих систем.

Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи:

- развитие метода расчета взаимодействия электронных потоков с полями резонансных замедляющих систем в мощных двулучевых электронных приборах в рамках линейной теории с учетом распределенных потерь;

- разработка алгоритмов и программ расчета взаимодействия и усиления в мощных однолучевых и двулучевых электронных приборах с учетом распределенных потерь и оконечных нагрузок;

- теоретическое и экспериментальное исследование процессов взаимодействия электронных потоков и электромагнитных полей в мощных ЛБВ на цепочке связанных резонаторов с одним и двумя пучками;

- исследование волновых и колебательных процессов взаимодействия потока и поля в мощных ЛБВ, усиливающих или генерирующих колебания вблизи границ полосы прозрачности, исследование способов расширения рабочей полосы частот мощной ЛБВ на цепочке связанных резонаторов;

электродинамических структур и узлов электроннооптических систем для мощных импульсных ЛБВ с одним и двумя электронными пучками;

- разработка технологии вакуумной высоковольтной тренировки мощной ЛБВ металлокерамической конструкции и системы эффективного охлаждения теплонагруженных узлов коллектора.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- впервые в приближении слабого сигнала развит метод расчета взаимодействия электронного потока с полями замедляющей системы вблизи границ полосы прозрачности с учетом однолучевого и двулучевого разноскоростных электронных потоков.

- разработаны алгоритмы и программы исследования усиления мощной секционированной ЛБВ на связанных резонаторах в полосе пропускания и вблизи границ полосы для однолучевого и двулучевого разноскоростных электронных потоков при изменении параметров пучков и замедляющей системы.

- проведенные теоретические и экспериментальные исследования усиления секционированной мощной однолучевой и двулучевой ЛБВ позволили расширить рабочую область усиливаемых частот и уменьшить изрезанность аплитудно-частотных характеристик за счет использования двулучевого разноскоростного потока.

- впервые разработаны конструкции и технология изготовления электронных пушек и узлов электроннооптических систем для мощных двулучевых ЛБВ с разноскоростными электронными потоками.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- развиты математические модели и методы теоретического исследования процессов усиления колебаний в мощных двулучевых ЛБВ на цепочках связанных резонаторов в приближении слабого сигнала;

- разработаны алгоритмы и программы анализа процессов взаимодействия, позволяющие исследовать структуру полей, процессы усиления в мощных двулучевых ЛБВ на резонансных замедляющих структурах в одномодовом приближении;

- выработаны практические рекомендации по выбору параметров резонансной замедляющей структуры мощных электронных приборов с продольным взаимодействием, обеспечивающей наиболее эффективное взаимодействие потока с полями замедляющих структур;

- разработана трехсекционная замедляющая система на связанных резонаторах для мощной ЛБВ сантиметрового диапазона, обеспечивающая расширенную полосу усиления 10% по уровню 1,5 дБ при усилении 45дБ без перестройки электрических режимов;

- разработана конструкция мощной импульсной ЛБВ, обеспечивающая расширенную мгновенную полосу усиления 10% по уровню 1,5 дБ при усилении 45дБ без перестройки электрических режимов, полный КПД не менее 32% в усиливаемой полосе частот.

- разработана электронная пушка для мощной импульсной односекционной ЛБВ сантиметрового диапазона, с расширенной мгновенной полосой усиления 25% по уровню 1,5дБ при усилении 15 дБ. Разработаны конструкции рекуператоров с эффективной системой теплоотвода от секций многоступенчатого коллектора.

- разработаны технологические приемы, специальная сборочная оснастка и измерительные устройства, позволяющие изготавливать инжекторы электронов для широкополосных ЛБВ, обеспечивая повторяемость выходных параметров и требуемый срок службы.

- разработаны конструкции электронной пушки, позволяющие формировать разноскоростные пучки электронов в ЛБВ на связанных резонаторах для расширения полосы усиления.

Достоверность полученных результатов.

Проведено сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными для нескольких вариантов мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов. Показано, что реализованные теоретические модели и методы и полученные экспериментальные результаты с достаточной степенью достоверности описывают процессы усиления колебаний в мощных электронных приборах на резонансных замедляющих системах. Разработаны и реализованы конструкции двух вариантов однолучевых и двулучевых мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов с расширенной полосой усиления и уменьшенной изрезанностью амплитудно-частотных характеристик.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Метод расчета процессов взаимодействия в мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов вблизи границ полосы прозрачности, основанный на шестиволновом взаимодействии электронных потоков с прямой и обратной волнами резонансных замедляющих систем.

- Исследование особенностей влияния двулучевого взаимодействия разноскоростных электронных потоков с полями замедляющей системы вблизи границ полосы прозрачности позволило расширить рабочую область усиливаемых частот и уменьшить перепад зависимостей усиления сигнала в односекционной и секционированной ЛБВ импульсного действия сантиметрового диапазона.

- Разработка инжектора электронов для мощной широкополосной ЛБВ импульсного действия и конструкция двулучевой электронной пушки для ЛБВ на цепочке связанных резонаторов позволили расширить область усиления в полтора-два раза для различных вариантов секционированных ЛБВ с расширенной полосой усиления.

Реализация результатов диссертационной работы:

Научные и практические результаты диссертационной работ внедрены и использовались в пяти опытно-конструкторских работах, выполненных в ФГУП "НПП ТОРИЙ", внедрены и используются в трех НИОКР, выполненных в МРТИ, внедрены и используются в научном и учебном процессах в МГИЭМ при подготовке инженеров по специальности "Электронные приборы и устройства".

Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 2004-2007);

на международной межвузовской конференции "Электроника и радиофизика СВЧ" (Санкт-Петербург, 1999г.);

- на научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства нового поколения. Задачи и перспективы" (Саратов, ФГУП "НПП "Контакт", 2002г.);

- на VII-VIII межвузовских научных школах "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" (Москва, МГУ, 2006-2007);

- на XI Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн", МГУ (г. Звенигород, 2007 г.);

Публикации. По теме диссертации сделано 6 научных докладов на Всероссийских научных конференциях, школах и семинарах и опубликовано статей, включая 1 статью в журнале ВАК, получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, библиографии и приложений. Работа содержит 142 страниц основного машинописного текста, 45 рисунков. Список литературы состоит из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения.

Первая глава содержит обзор литературы, в котором приводятся конструкции и технические характеристики электронных приборов большой мощности. Выделяются микроволновые приборы с линейным электронным пучком и рассматриваются их применения, обусловленные основными особенностями.

Приведены достигнутые уровни параметров современных мощных ЛБВ, определяемые особенностями конструкции и принципа действия этих приборов - максимальные значения уровней выходной мощности для импульсных и непрерывных приборов, эффективности взаимодействия и полосовые характеристики для разных классов ЛБВ.

Рассматриваются основные механизмы взаимодействия электронного потока с полем электродинамической структуры микроволновых приборов, основанных на нерелятивистских принципах взаимодействия [1*-5*].

Обсуждаются некоторые теоретические подходы к анализу взаимодействия потока и поля в устройствах мощной микроволновой электроники на резонансных замедляющих системах.

На основе обзора литературы и Интернет сайтов ведущих фирм производителей ЛБВ рассмотрены основные технические характеристики мощных ЛБВ импульсного действия, результаты основных теоретических и экспериментальных исследований, приведены краткий обзор программ для разработки ЛБВ. Обсуждаются методы расширения полосы рабочих частот мощных ЛБВ на связанных резонаторах. Наряду с электродинамическими методами, рассмотрены способы расширения полосы за счет электронной компоненты, используемой в многолучевых приборах, а также разноскоростных электронных потоков.

Во второй главе излагаются методы исследования усиления в мощных однолучевых и двулучевых ЛБВ на цепочках связанных резонаторов.

Обсуждаются общая постановка задачи, основные приближения, используемые при ее решении, математические модели электродинамической системы и электронных пучков. Проводится исследование влияния параметров элементов системы взаимодействия на свойства связанной системы в целом.

Анализируется усиление в односекционной и многосекционной ЛБВ с одним и двумя разнопотенциальными пучками.

Вихревые поля в резонансных замедляющих системах вблизи границ полосы прозрачности проявляют колебательные или волновые свойства. В общем случае структура полей не фиксирована и для ее определения замедляющая структура разбивается на отдельные области (ячейки), в пределах которых структура полей остается неизменной.

Электродинамическая система представляется в виде последовательности волноводных трансформаторов, которая переходит к цепочке связанных многополюсников. В одномодовом приближении при учете шести волн замедляющая система с электронным потоком представляются цепочкой связанных 12-полюсников.

В линейном приближении развиты матричный и волновой методы анализа с учетом граничных условий и распределенных потерь, позволяющие определять амплитуды волн в пучке и структуре, напряжения и токи в ячейках, коэффициент усиления и выходную мощность прибора. Учет граничных нагрузок на концах системы при волновом анализе сводится к записи граничных условий с учетом разложения поля структуры по собственным волнам нагруженной системы. Это позволяет определить амплитуды волн и найти структуру поля в терминах нормальных волн связанной системы.

Рис. 1. Эквивалентная схема связанной системы из двух попутных электронных потоков и резонансной замедляющей системы, представленная в виде последовательности связанных 12–полюсников В малосигнальном приближении на основе волнового подхода записываются уравнения теории в удобном для численного счета матричном виде. Решение дисперсионного уравнения для нахождения постоянных распространения рассматриваемых волн сводится к решению задачи на собственные вектора и собственные значения матрицы передачи отдельной ячейки структуры.

Значения комплексных амплитуд напряжений и токов эквивалентных схем, описывающих резонансные замедляющие системы, и нормальных волн электронных потоков, представленных в виде цепочек связанных 12полюсников (рис.1), записываются с помощью матричного уравнения:

Комплексный вектор Xs в матричном уравнении (1) имеет следующий вид:

где U, I – комплексные амплитуды напряжения и тока в s-й ячейке резонансной замедляющей системе, ai - комплексные амплитуды медленных и быстрых волн пространственного заряда попутных электронных потоков.

Знание матрицы передачи отдельной s-й ячейки связанной системы Gs позволяет определить комплексные постоянные распространения волн системы Гi=i + ji, где i=1,...,6 из следующего дисперсионного уравнения:

где E - единичная матрица, i - параметр нарастания или затухания, i фазовый сдвиг i-й волны на ячейку, определяющий постоянные распространения волн связанной системы i = i / z.

В линейном приближении решение матричного уравнения ищется в виде:

где i=1,...,6. Подставляя это решение в исходное матричное уравнение и приравнивая к нулю детерминант получающейся системы, получаем характеристическое уравнение связанной системы в виде общего уравнения:

где коэффициенты Gij - коэффициенты матрицы передачи Gs отдельной ячейки резонансной замедляющей системы с двумя электронными потоками.

Уравнение (4а) можно переписать в более компактном виде При равенстве нулю коэффициентов связи решение дисперсионного уравнения позволяет получить дисперсионные характеристики для несвязанной системы. Постоянные распространения волн m и коэффициент замедления c/Vфm для волны гармоники номера m находятся по значениям сдвига фаз m:

Полученное дисперсионное уравнение (4) для нахождения постоянной распространения Г = + справедливо в широких пределах изменения параметров связанной системы на произвольных частотах, включая области частот вблизи границ полосы прозрачности и за ее пределами. Оно описывает взаимодействие электронного потока с полями периодических замедляющих систем с положительной или отрицательной дисперсией при синхронизме волн пучка с различными пространственными гармониками номера n.

Комплексный вектор Xs в общем матричном уравнении (1) для различных вариантов цепочек связанных многополюсников имеет различный вид.

Соответственно и элементы матрицы передачи Gs также имеют различные коэффициенты. При описании связи амплитуд волн пучка, напряжений и токов системы в s-й ячейке, комплексный вектор имеет следующий вид: Xs = (U, I, a1б, a1м, а2б, а2м)s, где U и I - соответственно напряжение и ток в s-й ячейке, aiб, aiм - амплитуды быстрой и медленной нормальных волн пространственного заряда i-го пучка, зависящие от отношения редуцированной плазменной частоты к частоте сигнала q /.

Матрица передачи всей секции прибора определяется соотношением где s- общее число ячеек, s=1,2,..,S. Учитывая его, запишем матричное уравнение связи между векторами входа и выхода системы Уравнение (6) дополняется граничными условиями на концах связанной системы, наличием внешних источников модулирующего сигнала и начальной модуляции электронного пучка:

где iб и iм - амплитуды быстрой и медленной волн i-го пучка на входе в систему, E0 и Eн - амплитуды входного сигнала, позволяющие рассмотреть режим ЛБВ (E0 0, Eн = 0) ; Z0 и Zн - эквивалентные сопротивления нагрузок (рис.1).

Решение системы уравнений (6) и (7) позволяет определить амплитуды волн в пучке, напряжения и токи в ячейках структуры, “горячее” входное сопротивление системы и коэффициент усиления в связанной системе где Pвх = Re(U1I1*)/2 - входная, Pвых = Re(US+1IS+1*)/2 - выходная мощности прибора.

Подробная информация о волнах замедляющей системы и электронных потоков получена из решения дисперсионного уравнения дискретной связанной системы. Рассмотрено влияние некоторых основных параметров, характеризующих поток и замедляющую систему, на решение дисперсионного уравнения, соответствующие взаимодействию на частотах в полосе и на границах полосы прозрачности замедляющей системы с отрицательной дисперсией.

Установлено, что при увеличении параметров электронного взаимодействия, плазменной частоты, угла пролета и тока пучка, происходит расширение области комплексных корней дисперсионного уравнения. Границы областей с параметром нарастания >0 смещаются за пределы низкочастотной границы полосы пропускания - возникает внеполосное усиление ЛБВ. При наличии существенных потерь и большой электронной нагрузки смещение положительных значений параметра нарастания происходит и за пределы высокочастотной границы полосы пропускания.

В работе исследуется усиление односекционной широкополосной ЛБВ см диапазона. Прототип обладал 14 связанными резонаторами с периодом 1, см. Связь между резонаторами осуществлялась через две щели связи, развернутых на 180 на стенке резонатора и под углом 90 на соседних стенках резонатора. Емкостные зазоры образовали пролетный канал радиусом 0,3 см.

Результаты исследований сравниваются с экспериментальными результатами.

Погрешность моделирования холодной полосы прозрачности составила 4,7%, а величины фазового сдвига до 2,5%. На рис. 2 представлены расчетная и экспериментальная частотные характеристики ЛБВ для ускоряющего напряжения пучка U0 равном 15 кВ. При моделировании усиления ЛБВ учитывались распределенные потери в системе 0,1 дБ на резонатор и рассогласование со стороны выхода энергии, соответствующее реальному КСВ в конкретном диапазоне: от 1,7 на низкочастотном краю полосы прозрачности системы до 2 – 2,5 в середине и более 4 на высокочастотном краю.

Сравнение полученных результатов в середине полосы пропускания показывает удовлетворительное совпадение результатов. Полосы усиления совпадают с точностью до 2%. Значительная погрешность (до 20%) возникает при вычислении величины коэффициента усиления.

Рис.2. Сравнение расчетной (2) и экспериментальной (1) частотных секционированной 3-см ЛБВ. Возбуждение промежуточной и выходной секции осуществлялось пучком, модулированным по току и скорости во входной секции. Общее усиление ЛБВ определялось решением самосогласованной задачи взаимодействия полей пучка и электродинамической системы в приближении слабого сигнала, с учетом распределенного по секциям затухания, локальных поглотителей и КСВ секций.

Результаты моделирования представлены на рис.3 – дисперсионные характеристики, на рис.4 – частотные характеристики. Была поставлена и выполнена задача моделирования секционированной ЛБВ с усилением 42дБ в полосе частот до 10%. Расчетные и экспериментальные характеристики имеют хорошее совпадение в линейном режиме (кривые 1, 2, 4) не хуже 2% в части частот пиков и провалов. Расчетная кривая 3 частично повторяет экспериментальную кривую 5, снятую в нелинейном режиме, демонстрируя ограничения выбранной модели.

Рис. 3. Решение дисперсионного уравнения для 3-х секционной ЛБВ. Параметры нарастания при М>0 для: 1-входной, 2-промежуточной, 3-выходной секций Рис.4. Расчетные и экспериментальные амплитудно-частотные характеристики трехсекционной ЛБВ 3-см диапазона. Расчетные: 1 – М=0.1; 2 – М=0.4; 3 – М=0.6. Экспериментальные: 4 – Рвх =10 мВт; 5 – Рвх =100 мВт.

На основании удовлетворительного совпадения теоретических и экспериментальных результатов исследований взаимодействия пучка в односекционной и секционированной ЛБВ, проведены и представлены результаты теоретических исследований взаимодействия связанных систем для случая двух разнопотенциальными пучков, с целью увеличения полосы усиления. На рисунке 5 представлена дисперсионная характеристика связной односекционной системы с двумя пучками напряжением U1=18кВ, U2=14 кВ.

Наличие 2-х частотных областей с положительными значениями параметра нарастания || около границ полосы прозрачности соответствует двум разнесенным частотным областям усиления с полосами усиления 6% на низкочастотном и 3,5% на высокочастотном краю полосы прозрачности.

Частотный интервал между полосами усиления составил 21% от несущей частоты.

Рис. 5. Решение дисперсионного уравнения для связанной с двумя разнопотенциальными пучками односекционной замедляющей системы:

q/1=0.02; q/2=0.02; М=0,5; ge=be= Сближение потенциалов пучков приводит к сближению областей положительных решений параметра нарастания || (рис.6а, кривые 1) и образованию единой полосы усиления (рис. 6б, кривая 1' ).

Рис. 6. а) Сравнение решений дисперсионного уравнения для параметров нарастаний двулучевой ЛБВ при равных токах в пучках I1=I2=0,5А: 1 – U2=15, кВ, U1=18,0 кВ; 2 - U1=15,3 кВ, U2=15,3 кВ. б) Сравнение полос усиления для случая (а): 1’ – U2=15,3 кВ, U1=18,0 кВ; 2’ - U1=15,3 кВ, U2=15,3 кВ.

Совпадение потенциалов пучков соответствует однолучевому случаю со скалярно сложенными амплитудами тока, одной широкой областью нарастания параметра || (рис.6а, кривая 2), одной суженной областью усиления с нескомпенсированным пиком возбуждения (рис. 6б, кривые 2' ). Таким образом, в рассматриваемой линейной системе при двух разнопотенциальных пучках образуются 2 несвязные области нарастания параметра. Получаемое усиление ЛБВ является результатом наложения нарастающих волн в замедляющей системе от каждого пучка и представляет из себя единую область. При разведении потенциалов пучков, наблюдается снижение уровня усиления при росте полосы усиления до 80 – 85% от холодной полосы прозрачности, повышении равномерности характеристики. При этом устойчивость ЛБВ к самовозбуждению существенно возрастает.

электродинамических систем ЛБВ. Обсуждается выбор и принципы построения замедляющей системы на связанных резонаторах. Решаются задачи широкополосного согласования секций, устройств ввода и вывода энергии, оконечных нагрузок. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик замедляющих систем и результаты конструирования.

Для ЛБВ с уровнем средней выходной мощности 2-3 кВт использована замедляющая система на связанных резонаторах, имеющая достаточный теплоотвод в сочетании с принудительным жидкостным охлаждением 0,8 – 1, л/мин. Электронный поток взаимодействует с первой пространственной гармоникой волны, имеющей замедление фазовой скорости с/Vф=3,2 – 5,6, в основной полосе пропускания.

Для получения усиления ЛБВ более 40 дБ использована секционированная замедляющая система, работающая на крутых участках дисперсионных характеристик в области -вида отсечек секций. Расчетные дисперсионные характеристики и характеристики сопротивления связи 3-х секций прибора, представлены на рис. 7. В процессе экспериментальной отработки 3-х секционной замедляющей системы также было установлено, что при неизменности параметров режима питания ЛБВ, наибольшую рабочую полосу имеют лампы, у которых низкочастотные отсечки секций имеют одинаковый коэффициент замедления. Введение «размытия» диаметра последних резонаторов выходной секции привело к «размытию» частоты отсечки -вида, что позволило увеличить устойчивость прибора на частотах в области -вида колебаний и уположить частотную характеристику в районе низкочастотной границы рабочей полосы.

Рис. 7. Сопротивления связи и дисперсионные характеристики секций трех сантиметровой ЛБВ: I – входная секция, II – промежуточная секция, III – На рис. 8 приведены экспериментальные зависимости КСВн трех секций замедляющей системы. Для обеспечения устойчивой работы ЛБВ в рабочей полосе частот с перепадом усиления не более ±1 дБ, экспериментально установлено, что уровень согласования входной и выходной секций не должен превышать величину 1,45 – 1,55 в полосе, превышающей не менее, чем на 30%, рабочую полосу частот прибора, при этом перепад затухания поглотителей в полосе согласования секций не должен превышать величины 0,5 дБ, обеспечивающая достаточное уменьшение изрезанности КСВ в полосе согласования секций. Дальнейшее уменьшение этой величины не дает ощутимого выигрыша. Перепад величины затухания поглотителя во всей «холодной» полосе секции не должен превышать установленную оптимальную величину 1,5-2 дБ.

Рис. 8. Экспериментальные зависимости КСВн трех секций замедляющей В четвертой главе рассматривается процесс разработки электроннооптических систем ЛБВ. Рассматриваются результаты расчетов электронных пушек с одним и двумя катодами. Обсуждается выбор катодно-подогревательных узлов, сборочных приспособлений и измерительных устройств. Приводятся результаты исследований магнитных фокусирующих полей и коллекторных систем.

Приводятся результаты разработки однокатодной пушки для мощной широкополосной ЛБВ с напряжениями на катоде 17 – 20 кВ, запирания тока пучка 5-6 кВ, управляющих электродах в рабочем режиме 10 – 190 В;

микропервеансом 0,8 – 0,9 мкА/В3/2; током пучка 1,8 - 2,6 А. Ход электронных траекторий и эквипотенциалей поля показывает, что электронный пучок длиннофокусный, близкий к ламинарному, траектории трубок тока не пересекаются.

Оценка погрешностей расчетных и измеренных параметров на электродах электронного инжектора показала, что при изменениях высокого напряжения катод-анод в пределах 1,5%, изменения микропервеанса пучка не более 1%, а размеров пучка – 0,5%, нестабильность рабочего напряжения управляющих электродов ± 5% изменяет микропервеанс менее чем на 0,5 %, и размеры пучка менее, чем на 0,2 %. Такие погрешности находятся в пределах точностей измерений и расчетов.

Приведены результаты расчета (рис. 9) двухкатодной пушки с суммарным микропервеансом рµ= 0,8мкА/В3/2, запирающим напряжением 8-10 кВ.

Потенциалы катодов выбраны так, чтобы имелась возможность подстройки их величин в пределах 2-3 кВ относительно номинала: Uкат1=18кВ, Uкат2=14кВ.

В аксиально-симметричном приближении проведена оценка влияния разбросов размеров деталей и узлов инжектора на параметры электронного пучка. Из проведенных расчетов следует, что допуски на диаметры и продольные размеры деталей, погрешность продольной установки электродов и узлов должны составлять не более 0,03 мм, а радиальные биения при установке деталей и узлов относительно друг друга не должны превышать 0, мм. Подробно рассмотрены особенности технологических приемов и приспособлений для сборки пушки и контроля основных размеров, вытекающие из требований к конструкции.

Рис. 9. Ход траекторий электронов и эквипотенциалей в двухкатодной пушке с микропервеансом рµ= 0,8мкА/В3/2: 1 – катод-1; 2- экранирующий электрод; 3 – катод-2; 4 – экран; 5 - фокусирующий электрод; 6 – траектории пучка-2; 7 – траектории пучка-1; 8 – анод; 9 – эквипотенциали.

фокусировки пучка со средней мощностью до 52 кВт при коэффициенте заполнения пролетного канала 0,45. Показано, что выбранная система фокусировки обеспечивает статическое токопрохождение на уровне 96 – 98%, а динамическое 85 – 92% в рабочем диапазоне частот. Разброс амплитудных значений магнитной индукции в регулярной области составил 0,25-0,26 Тл.

Определение гармонического состава, с помощью разложения в ряд Фурье показало, что поле имеет сложный гармонический состав: амплитуда 3-ей гармоники составляет 12%, 5-й гармоники – 3-5% от амплитуды первой.

Величина эффективного поля равна 0,198 Тл. Величина магнитной индукции в стальных диафрагмах достигала 1,9 Тл, что стало одним из ограничений по уровню выходной мощности.

Для моделирования хода электронных траекторий в области коллектора использовался входной пучок, рассчитанный в области дрейфа в поле МПФС.

На рис. 10 представлены результаты расчета коллектора со следующими параметрами пучка: напряжение 17 кВ, мощность 34,4 кВт, микропервеанс 0, мкА/В3/2. При расчетах учитывались функции распределения вероятностей вторичных электронов по энергиям, включая истинно вторичные электроны, упруго отраженные электроны и не упруго отраженные. Коэффициенты ВЭЭ определялись для соответствующих углов падения первичного электронного пучка. В статическом режиме при КПД устройства 73% выделяемая тепловая мощность составила около 9 кВт. Окончательный вариант конструкции коллектора оказался компромиссным, где решена задача формирования электронного потока магнитным полем в предколлекторе, выбраны оптимальные формы ступеней, их расположение и потенциалы. Конструкция обладает КПД 70 – 75% в зависимости от режима усиления ЛБВ при 97- Вт/см2 тепловых нагрузках на отдельные электроды.

Рис. 10. Структура продольного магнитного поля и электронного потока в случае разноскоростного пучка на входе в коллектор технологии изготовления мощных ЛБВ и ее узлов, основных технологических процессов. Рассмотрены вакуумная система прибора и система охлаждения.

Исходя из металлокерамической конструкции мощных широкополосных ЛБВ на цепочке связанных резонаторов и физико-механических свойств вакуумных материалов, в качестве основных конструкционных материалов выбраны медь Моб, стали 10864ВД, 12Х18Н10Т, молибден МЧ, ковар 29НК, никель НП2. Для высоковольтных и вакуумных развязок использована алюмооксидная керамика ВК 94-1, керамика борнилит (нитрид бора) и керамика на основе оксида бериллия БТ-30. Для создания вакуумно-плотных швов и механически прочных узлов применены специальные технологические процессы: высокотемпературная пайка медно-серебреными припоями в вакууме и восстановительных средах водорода, электродуговая, лазерная или контактно-искровая сварка в защитных средах аргона или азота.

На основании анализа известных причин газовыделений при обезгаживании приборов, связанных с диффузией газа из объема материала, выделениями хемосорбированного газа или газа, образующегося при поверхностной термической диссоциации, выбранное время вакуумнотермической обработки составило 8 часов при температуре 500-520С.

Представлены экспериментальные характеристики сопротивления высоковольтного керамического изолятора между управляющим электродом и анодом, снятые в ходе обезгаживания и активировки катода. В результате эксперимента была показана принципиальная возможность защиты поверхностей изоляторов от напыления пленок в процессе обработки катода при вакуумно-термической обработке путем наложения высоковольтного напряжения от 1500 до 2500 В на электроды, разделяемые этим изолятором. Это позволило разработать методику воздействия на керамические изоляторы ЛБВ в процессе вакуумно-термической обработки предотвращающей появление утечек, на основании которой разработаны технологические приемы активировки катода пушки в присутствии высоковольтных электрических полей между электродами инжектора, позволяющие снизить вероятность потери сопротивления керамических деталей в процессе вакуумно-термической обработки ЭВП.

Из рассмотренных вариантов систем принудительного охлаждения мощных ЛБВ с многоступенчатым коллектором с помощью воздуха, антифриза и диэлектрической жидкости, был выбран вариант антифриза, несмотря на то, что в конструкции коллектора, охлаждаемой диэлектрической жидкостью удалось увеличить площадь омываемой поверхности в 3,2 раза и увеличить коэффициент теплопередачи примерно в 8 раз, что было связано с трудностями в эксплуатации подобных жидкостей.

В заключении изложены основные выводы диссертации 1. Разработанные модели, методы, алгоритмы и программы позволили теоретически и экспериментально разработать мощные секционированные ЛБВ на цепочках связанных резонаторов с расширенной областью усиливаемых частот, усиливающие сигнал в середине и вблизи границ полосы прозрачности с учетом граничных нагрузок и распределенных потерь.

2. На основе рассмотрения шестиволнового взаимодействия в связанной системе одного и двух электронных пучков с полями резонансной замедляющей системы развит метод дисперсионного уравнения и матричный метод исследования усиления в мощных двулучевых ЛБВ.

3. На основании удовлетворительного совпадения полученной расчетной и экспериментальной дисперсионных характеристик проведены исследования усиления в полосе и вблизи границ полосы прозрачности при разных значениях электронной нагрузки, потерь в замедляющей системе и параметрах пучка.

4. Исследовано усиление мощных широкополосных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов 3-х и 10-и сантиметрового диапазона. Сравнение результатов расчета и эксперимента показало удовлетворительное совпадение.

5. Проведено исследование усиления в двулучевой односекционной ЛБВ.

Показано, что при изменении потенциалов и токов пучков, в результате взаимодействия с полем замедляющей системой может осуществляться равномерное устойчивое усиление в диапазоне до 85% от холодной полосы пропускания секции или две полосы усиления, с суммарной шириной до 10%, разнесенные друг от друга до 20% по частоте.

6. На основании определенных в работе принципов построения замедляющих систем для мощных широкополосных ЛБВ сантиметрового диапазона, проведена разработка секционированной замедляющей системы для мощной импульсной ЛБВ с усилением 42 – 44 дБ, полосой усиления по уровню ±1дБ 9,5%.

7. Для обеспечения устойчивой работы ЛБВ в рабочей полосе частот с перепадом усиления не более ±1 дБ, экспериментально установлено, что уровень согласования входной и выходной секций не должен превышать величину 1,45 – 1,55 в полосе, превышающей не менее, чем на 30%, рабочую полосу частот прибора, при этом перепад затухания поглотителей в полосе согласования секций не должен превышать величины 0,5 дБ, а перепад величины затухания поглотителя во всей «холодной» полосе секции не должен превышать величину 1,5-2 дБ.

8. Разработана электронная пушка для мощной широкополосной ЛБВ сантиметрового диапазона с напряжениями на катоде 17 – 20 кВ, запирания тока пучка 5-6 кВ, управляющих электродах в рабочем режиме 10 – 190 В;

микропервеансом 0,8 – 0,9 мкА/В3/2, и током пучка 1,8 - 2,6 А.

Проведенный комплекс конструкторских, технологических и метрологических мероприятий, позволяет воспроизводить инжекторы электронов для мощных ЛБВ, обеспечивая повторяемость выходных параметров и требуемый срок службы.

10. Проведенные расчеты электроники и тепловыделения многоступенчатых коллекторных систем, обеспечивающих КПД до 75 %, позволило получить общий КПД широкополосных ЛБВ 30-35% в рабочей полосе частот.

11. Рассчитанные и спроектированные двух катодные пушки для ЛБВ 10 см диапазона с микропервеансом 0,03 и 0,8 мкА/В3/2, обладают запасом электрической прочности 30 кВ и возможностью перестройки напряжений на катодах до 5 кВ, что позволяет провести комплекс экспериментальных исследований ЛБВ с двумя разнопотенциальными пучками.

12. Разработанная методика воздействия на керамические изоляторы ЛБВ в процессе вакуумно-термической обработки, предотвращающая появление утечек, дала возможность внедрить технологические приемы активировки катода в присутствии высоковольтных электрических полей между электродами инжектора, позволяющих снизить вероятность потери сопротивления керамических деталей в процессе вакуумно-термической обработки.

Основные результаты диссертации опубликованы в научных работах:

1. Yevdokimov Yu.V., Malykhin A.V. Modeling of electrodynamical characteristics of coupled-cavities non-regular delay line sections. Proc. Int. Univ/ Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-high Frequencies", St. Petersburg, May 24-28,1999, p.419Евдокимов Ю.В., Мозговой Ю.Д., Тисов И.Н., Хриткин С.А. Исследование усиления в мощных ЛБВ на резонансных замедляющих системах. М., МГУНИИЯФ, труды VII межвуз. науч. школы "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине", 20-21 нояб. 2006, с.111-114.

3. Евдокимов Ю.В., Тисов И.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование усиления в мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов. М., МИЭМ, труды науч.-техн. конференции аспирантов и молодых специалистов с.341-342.

4. Канавец В.И., Мозговой Ю.Д., Хриткин С.А., Евдокимов Ю.В., Тисов И.Н.

Особенности непрерывного и дискретного взаимодействия электронных потоков в электродинамических системах. М., МГУ-НИИЯФ, труды VII межвуз. науч.

школы "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине", 20-21 нояб. 2006, с. 134-139.

5. Канавец В.И., Мозговой Ю.Д., Хриткин С.А., Евдокимов Ю.В., Тисов И.Н. О взаимодействии электронных и позитронных потоков в круглом волноводе. М., МГУ-НИИЯФ, труды VIII межвуз. науч. школы "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине", 19-20 нояб.

2007, с. 36-41.

6. Евдокимов Ю.В., Муравьева Т.В., Колесникова Н.А., Курдышов А.И.

Разработка инжектора электронов для мощной широкополосной ЛБВ непрерывного действия. - МРТИ РАН, М.2007. - Препринт №2007-01.

7. Евдокимов Ю.В., Корешков Е.Н., Агафонова О.Н., Ковылова Н.Б., двухрежимные ЛБВ для бортовых РЛС Х-диапазона. Доклад на н-т конф.

"Электронные приборы и устройства нового поколения", Саратов, 2002.

8. Канавец В.И., Мозговой Ю.Д., Хриткин С.А., Евдокимов Ю.В., Тисов И.Н.

Исследование двулучевого дискретного взаимодействия в мощных ЛБВ на резонаторных замедляющих системах. Труды XI Всероссийской школы семинара "Физика и применение микроволн", М., МГУ, 2007.

9. Евдокимов Ю.В. Муравьева Т.В., Колесникова НА Курдышов А.И.

Разработка инжектора электронов для мощной широкополосной ЛБВ непрерывного действия. Препринт 2007-1 М., МРТИ РАН, 2007.

10. Евдокимов Ю.В. Особенности построения сборочных и измерительных устройств для инжекторов электронов широкополосных ЛБВ. Измерительная техника, 2007, №12, с. 45-48.

11. Евдокимов Ю.В. Муравьева Т.В. Электронная пушка. Заявка на полезную модель №2006135143 от 05.10.2006. Решение о выдаче патента от 23.01.2008.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1*. Вайнштейн Л.А., Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М., 1973.

2*. Роу Дж. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ. М.: Сов. Радио, 1971.

3*. Рошаль А.С. Моделирование заряженных пучков. М.: Атомиздат, 1979.

4*. Диденко А.Н. и др. Мощные электронные пучки и их применение. М., Атомиздат, 1977.

5*. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков, т I, М., изд. ФИЗМАТЛИТ, 2003 г.

6*. Бугаев С.П., Канавец В.И., Кошелев В.И., Черепенин В.А. Релятивистские многоволновые СВЧ - генераторы. Новосибирск, 1991.

7*. Канавец В.И., Мозговой Ю.Д., Слепков А.И. Излучение мощных электронных потоков в резонансных замедляющих системах. М.: Изд. МГУ,