УДК 621.382

Оптимизация выходных параметров мощного многолучевого монотрона  с четырехзазорным  резонатором, возбуждаемым  на синфазном виде колебаний

Н. А. Акафьева, А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., кафедра «Электронные приборы и устройства»

Получена  26 января 2012 г. 
 

 Аннотация. В результате проведенных численных оптимизационных  расчетов  параметров многолучевого монотрона  с четырехзазорным  резонатором, возбуждаемым  на синфазном виде колебаний, показана возможность достижения в таком приборе на частоте 2450 МГц высоких значений электронного КПД (около 60%)   и   большой   выходной  мощности (порядка 50 кВт)  при  значении   коэффициента использования  напряжения на выходном зазоре  1.5.

Ключевые слова: многозазорный резонатор, микроволновый автогенератор, синфазный вид колебаний,  многолучевой монотрон, электронный КПД.  

Abstract. A multi- beam monotron oscillator that has four-gap cavity and which is excited in-phase oscillation was numerically investigated. As a result of numerical calculations and optimization the capability obtaining in such device on a frequency 2450 MHz high electron efficiency (60%) and output power (50 kW) at use voltage factor in output gap 1.5 was shown.

Keywords: multi-gap cavity, microwave oscillator, in-phase oscillation, multi-beam monotron, electron efficiency.

 

Введение

          В последнее время проявляется значительный интерес к разработке мощных многолучевых СВЧ приборов с уменьшенными габаритами и массой. Одним из таких приборов является монотрон. В работах [1,2] показано, что для получения сравнительно высоких, по сравнению с классическим однолучевым монотроном [3], КПД и уровня выходной мощности необходимо переходить к приборам с многолучевыми или полыми электронными потоками, а также использовать резонансные системы, работающие на основном или высших видах колебаний, и имеющие неоднородное распределение поля в пространстве взаимодействия.

Необходимость создания в монотроне с однозазорным  резонатором заданного (нарастающего) распределения высокочастотного (ВЧ) электрического поля в пространстве взаимодействия приводит к усложнению формы резонатора и уменьшению его резонансного сопротивления

,                                        (1)

где  - характеристическое сопротивление,  - нагруженная добротность резонатора.  При этом полученное в резонаторе распределение электрического поля все же остается неоптимальным (см. рис. 1), что не позволяет получить высокий электронный КПД  [4].

В многолучевом монотроне с двухзазорным резонатором возможно увеличение КПД энергоотбора за счет выбора лучшего соотношения амплитуд поля на модулирующем и выходном зазорах [5,6]. Однако степень фазовой компрессии и форма электронного сгустка в монотроне с двухзазорным резонатором также далеки от оптимального значения, что приводит к ограничению максимального КПД автогенератора. В работе [7], приведены результаты экспериментального исследования такого прибора. Сообщается, что  получены выходная импульсная мощность 200 кВт и КПД 30% при  величине коэффициента использования напряжения , где  - амплитуда высокочастотного напряжения в резонаторе,  – ускоряющее напряжение.

 Однако главная задача, которая стоит перед разработчиками таких приборов – обеспечение  конкурентоспособности монотрона по сравнению с многорезонаторным клистроном, т.е., получение КПД монотронов более 50%,   все же  остается нерешенной.

Это связано с тем, что   эффективность взаимодействия электронов с полем резко подает из-за роста влияния пространственного заряда при торможении и обратном движении электронов, а также из-за нелинейного характера энергообмена [8].

Очевидно, что переход к многокаскадной  группировке  в монотроне позволит сформировать в тормозящей фазе поля в выходном зазоре  резонатора более совершенный электронный сгусток при умеренных   значениях коэффициента использования напряжения ().

Это может быть реализовано, если в качестве резонансной системы в  монотронах использовать многозазорный  резонатор с числом зазоров больше двух, например, трехзазорный или четырехзазорный [9,10]. 

Физические процессы получения электронных сгустков в таких устройствах можно, в известной степени, уподобить процессам в многорезонаторном клистроне, в котором для получения хорошей группировки электронного потока  расстояния между центрами смежных зазоров в резонаторе должны быть не менее 0.1 от редуцированной плазменной длины волны  [11].  Следовательно, четырехзазорный резонатор должен возбуждаться на синфазном виде колебаний. При этом длины центральных втулок и зазоров должны быть выбраны из условия получения максимальной эффективности взаимодействия при отрицательных значениях относительной электронной проводимости.
          Проведенные расчеты электронных параметров, результаты которых показаны на рис. 2, показывают, что с увеличением числа зазоров максимальное  значение относительной электронной проводимости по модулю возрастает. Следовательно, облегчаются условия самовозбуждения генератора.

 

Рис.2. Зависимость относительной активной составляющей электронной проводимости от угла пролета  для разного числа зазоров N

в резонаторе: зеленый – N=2, красный – N=3, синий – N=4.

При исследовании возможности получения предельных значений  электронного КПД  многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым  на синфазном виде колебаний, необходимо решить следующие задачи.

В первую очередь необходимо обеспечить оптимальное распределение ВЧ поля в зазорах резонатора. Амплитуда электрического поля в начальной области взаимодействия резонатора (входной зазор) должна быть значительно меньше напряженности поля в области отбора энергии (выходной зазор) от электронного пучка,  а  значение параметра  в выходном зазоре не должно превышать 2. 

Во-вторых,  параметры резонатора  и электронного потока  должны быть выбраны из условий получения высокой эффективности передачи энергии от электронов к ВЧ полю резонатора  [11].

,                                       (3)

 

где  - сопротивление электронного потока,

- микропервеанс парциального электронного пучка.

 

Численное моделирование

Задача анализа электродинамических параметров исследуемой колебательной системы решалась с помощью программы 2D моделирования [12]. В результате проведенных расчетов были найдены оптимальные геометрические параметры четырехзазорного резонатора при возбуждении его на одном из высших Е-видов колебаний, соответствующем  резонансной частоте 2450 МГц. Для этого вида колебаний найдены соотношения размеров, обеспечивающие высокие значения характеристического сопротивления (83 Ом) и собственной  добротности.

На рис. 3 представлена картина распределения силовых линий напряженности  ВЧ электрического поля  в исследуемом  резонаторе.

 

Как видно из рис. 3, напряженность электрического поля в резонаторе увеличивается от зазора к зазору.  

На рис. 4 приведена зависимость относительной напряженности электрического поля  в пространстве взаимодействия четырехзазорного резонатора от относительной продольной координаты .

 

 

 

Для определения комплекса электронных и электродинамических параметров, обеспечивающего высокую эффективность  взаимодействия электронов с полем резонатора монотрона, использовался численный метод моделирования, основанный на использовании дисковой модели клистрона [13].

На рис. 5 представлены результаты расчета максимально достижимой относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока () от ускоряющего напряжения в монотроне с четырехзазорным резонатором для режима работы, соответствующего минимальным отрицательным значениям электронной проводимости. Для сравнения, на этом рисунке  показаны также  достижимые значения параметра группировки для случая одинаковой амплитуды напряженности  ВЧ электрического поля в зазорах.

 

Численные эксперименты показывают, что для однородного распределения поля максимум относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока  достигается при   кВ, . При  происходит перегруппировка электронного потока. Максимум относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока смещается в сторону    третьего   зазора,   и  наиболее эффективно  отбор  энергии происходит в третьем зазоре  (см. рис. 6), имеющем меньшее, чем для выходного зазора,  значение параметра . Для оптимально нарастающей функции распределения ВЧ поля в пространстве взаимодействия   максимум относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока  достигается при  кВ, . Закономерность поведения  зависимости максимума относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока от параметра   сохраняется (см. рис 7.), а  его максимальное значение не превышает 2.

 

 

 

 

Для получения полной картины о характере процессов взаимодействия электронов  с СВЧ полем в исследуемом приборе были также рассчитаны зависимости коэффициента взаимодействия , относительной электронной проводимости , и электронного КПД  от ускоряющего напряжения для однородного и оптимального распределения полей. Результаты расчета представлены на рис. 8.

 

 

В результате проведенных исследований, установлено, что  максимальное значение электронного КПД, которое может быть получено в исследуемом четырехзазорном резонаторе, возбуждаемом на синфазном виде колебаний, при одинаковых значениях напряженностей продольной составляющей ВЧ электрического поля в зазорах составляет 35%, а при оптимально подобранной  (нарастающей) функции распределения этого поля – около 60%.

Для оценки  уровня подводимой мощности исследуемого многолучевого монотрона  с помощью программы [14] были также проведены электронно-оптические расчеты. В результате этих исследований была определена  конструкция  электронной пушки (см. рис. 9), обеспечивающая формирование парциального пучка с микропервеансом 0,286 мкА/В^3/2 при ускоряющем напряжении 13,3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала .

 

Рассчитанные конструкции резонатора и пушки позволяют разместить в поперечной плоскости пространства взаимодействия 14 лучей, равномерно удаленных от оси прибора на расстояние 25 мм.  На частоте 2450 МГц электронный КПД исследуемой конструкции прибора может достигать 60% при выходной мощности  около 50 кВт. Такой уровень выходной  мощности и значение достижимое значение электронного  КПД вполне приемлемы для применения таких приборов в системах передачи энергии на расстояние, устройствах промышленного СВЧ нагрева, радиолокации и ускорительной технике.

 

Заключение

Применение оптимального распределения поля в четырехзазорном резонаторе многолучевого монотрона позволило получить электронный КПД около 60%, близкий по значению к КПД многорезонаторных клистронов, при меньших массогабаритных параметрах и более простой конструкции. Для режима работы    наиболее эффективным будет использование в монотроне трехзазорного резонатора, возбуждаемого  на синфазном виде колебаний. Однако величина предельно достижимых значений  электронного КПД и уровень выходной мощности в этом случае  будут меньше, соответственно,  50% и 40 кВт.

В связи с большими размерами пространства взаимодействия такие устройства представляют интерес для создания мощных источников микроволновой  энергии, работающих в миллиметровом диапазоне волн.

 

Литература

1.     Barroso J.J. Design facts in the axial monotron.  IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. Vol. 28. № 3. P. 652-656.

2.      Горлин О.А., Мишин В.Ю., Федяев В.К., Шишков А.А. Проектирование многолучевого автогенератора на двухзазорном резонаторе. Вестник РГРТУ. № 1. Вып. 31. Рязань, 2010. С. 69-72.

3.     Müller J.J., Rostas E. Un générateur à temps de transit utilisant un seul résonateur de volume / Helvetica Physica Acta. 1940. Vol. 13. № 3. P. 435-450.

4.     US patent №2269456. Electron beam oscillator. W.W. Hansen et al, Jan. 13, 1942.

5.     Федяев В.К., Горлин О.А. Автогенератор на двухзазорном резонаторе / Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 73-74.

6.     Федяев В.К., Горлин О.А., Пашков А.А. Исследование электронного КПД автогенератора на двухзазорном резонаторе с зазорами разной длины / Актуальные проблемы электронного приборостроения:  материалы  науч.-техн.  конф.  Саратов:  СГТУ, 2006. С. 36-42.

7.     Панов В.П. и др. О создании приборов с большими углами пролета. Вестник РГРТУ. № 2. Вып. 32. Рязань, 2010. С. 110-113.

8.     Гайдук В. И., Палатов К. И., Петров Д. М. Физические основы электроники сверхвысоких частот. М.: Советское радио, 1971.  600 с.

9.     Акафьева Н.А., Мирошниченко А.Ю., Царев В.А. Исследование трёхзазорного резонатора мощного многолучевого автогенератора монотронного типа / Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: «Издательский Центр «Наука», 2010.С. 181-184.

10.     Акафьева Н.А., Мирошниченко А.Ю., Царев В.А. Мощный СВЧ генератор с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Севастополь, Украина. 2011. С. 259-261.

11.    Хайков А.З. Клистронные усилители.  М.: Связь, 1974. 391 с.

12.    Гpигоpьев А.Д., Силаев С.А. Расчет электpомагнитного поля азимутально-неодноpодных типов колебаний аксиально-симметpичных pезонатоpов с пpоизвольной фоpмой обpазующей.  Электpонная  техника.  Сеp.   1.  Электpоника   СВЧ.   Вып.   2.   1981. С. 62-65.

13.    Teryaev V.E. DISKLY code for calculation and optimization of klystrons.  Proc. Int. Workshop  on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders  (RF-93). 1993. pp. 161-166.

14.    Кармазин В.Ю., Царев В.А. К вопросу моделирования и расчета электронно-оптических систем / Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: Труды четвертой Междунар. науч.-техн. конф./ УлГУ. Ульяновск, 2001. С. 47-48.