Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2018, № 4 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Динамика ленточного электронного потока в циклотронном преобразователе энергии

D.A. Mikheev1, V.L. Savvin1, R.V. Egorov1, K.T. Vu1

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991, ГСП-1, Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр.2, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2018.4.2 UDC 537.862 EDN XOXTXV

Abstract

The main attention of this paper is paid to the three-dimensional modeling of the dynamics of sheet electron beam in cyclotron wave converter (CWC) and to evaluation of its efficiency and power characteristics. Sheet electron beam propagation was analyzed in Cuccia - type resonator and in the region of reversal change of focusing magnetic field. The method of "particle in a cell" with beam current limitation by a spatial charge field was used during analysis of excitation of cyclotron rotation of the beam. The results of computer simulation were obtained taking into account Maxwell velocity distribution of emitted electrons, as well as the thermal losses of microwave power in the conducting walls of the resonator. The original design of the Cuccia - type resonator with transverse electric field was presented. It was found that the efficiency of power exchange with sheet electron beam in the resonator may exceed 90%. The longitudinal velocities of electrons can remain mono-energetically at the output of the resonator. Dynamics of sheet electron beam in the reversal change of the magnetic field was analyzed using the method of large particles and original multi-period 3D model of electron beam. It was found that the efficiency of rotational beam power conversion into longitudinal beam motion may exceed 80%, as well as the total efficiency of conversion of the microwave power into DC power can reach 75%. The value of the continuous-wave HF power been converted can reach 150 kW.

  • Cyclotron wave converter
  • electron gun
  • resonator
  • collector
Аннотация (на русском)

Динамика ленточного электронного потока в циклотронном преобразователе энергии

Изучается формирование и транспортировка ленточного электронного потока с потенциалом 20 кВ и током 2,5 А в циклотронном преобразователе энергии. Показано, что эффективность преобразования подводимой к преобразователю СВЧ мощности в мощность постоянного тока может превысить 75%. При этом величина преобразованной непрерывной мощности может превысить 150 кВт.

For citation

Mikheev D.A., Savvin V.L., Egorov R.V., Vu K.T. Динамика ленточного электронного потока в циклотронном преобразователе энергии // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.4.2

References

  1. Gamzina D., Barnett L. R., Ravani B., Luhmann N. C. Mechanical Design and Manufacturing of W-Band Sheet Beam Klystron // IEEE Trans. Electron Devices. Vol. 64. № 6. 2017. PP. 2675-2682.
  2. Wang Z. et. al. A non-axisymmetric structure multistage depressed collector for sheet beam VEDs // 2017 Progress in Electromagnetics Research Symposium (IVEC). 2017. PP. 403-412.
  3. Pasour J. et. al. Demonstration of a multikilowatt, solenoidally focused sheet beam amplifier at 94 GHz // IEEE Trans. Electron Devices. Vol. 61. № 6. 2014. PP. 1630-1636.
  4. Pchelnikov Y., Yelizarov A. Optimization of a Sheet Electron Beam Interaction With a Slow Wave // IEEE Trans. Electron Devices. Vol. 61. № 6. 2014. PP. 1661-1665.
  5. Pershing D. et al. Demonstration of a wideband 10-kW Ka-band sheet beam TWT amplifier // IEEE Trans. Electron Devices. Vol. 61. № 6. 2014. PP. 1637-1642.
  6. Ruan С. et. al. Theoretical and experimental investigation on intense sheet electron beam transport with its diocotron instability in a uniform magnetic field // IEEE Trans. Electron Devices. Vol. 61. № 6. 2014. PP. 1643-1650.
  7. Pasour J. et. al. Demonstration of a 100-kW solenoidally focused sheet electron beam for millimeter-wave amplifiers // IEEE Trans. Electron Devices. Vol. 58. № 6. 2011. PP. 1792-1797.
  8. Барденков В. А., Ванке В. А., Горшков И. О., Лопухин В. М. О преобразователе СВЧ-энергии с реверсивным магнитным полем // Радиотехника и электроника. 1976. Т.21. № 4. С.821-828.
  9. Vanke V. A., Savvin V. L. Cyclotron-Wave Converter for SPS Energy Transmission System // Proc. Of Sec. Intern. Symp. Power from Space. Paris. 1991. PP. 515-520.
  10. Vanke V. A., Matsumoto H., Shinohara N., Kita A. Cyclotron Wave Converter of Microwaves into DC // IEICE Trans. on Electronics. Vol. E81-C. 1998. PP. 1136-1142.
  11. Будзинский Ю. А., Быковский С. В., Кантюк С. П., Мастрюков М. А. Электронные приборы СВЧ на быстрой циклотронной волне электронного потока // Радиотехника. 1999. №4. С.32-40.
  12. Бэдсел Ч., Ленгдон А. Физика плазмы и численное моделирование. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
  13. Лопухин В. М., Рошаль А. С. Электроннолучевые параметрические усилители поперечных волн // Успехи Физических Наук. 1965. Т.85. № 2. С.297-334.
  14. Д. А. Михеев и др. Дискретная математическая модель ленточного электронного пучка в спадающем магнитном поле // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т.80. №2. С.229-232.
  15. В. Л. Саввин и др. Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2011. №11. URL: http://jre.cplire.ru/alt/nov11/1/text.pdf.