Исследование нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями резонаторов гибридных и генераторных приборов клистронного типа

Развитие многих отраслей техники связано с совершенствованием параметров и конструкций электронных приборов сверхвысоких частот. Совершенствование существующих и разработка новых приборов СВЧ с улучшенными массогабаритными и эксплуатационными параметрами всегда было и остается актуальной проблемой электроники СВЧ. Одними из самых многочисленных и распространенных приборов СВЧ О-типа являются приборы клистронного типа.

Название клистрон происходит от греческого слова — что означает морской прибой. А морской прибой это образования с крутыми фронтами и гребешками (что является аналогом нелинейного режима), которые обрушиваются на кромку берега (аналог выходного устройства). Выходным устройством в клистроне является резонатор. Из названия следует, что принципиальным в работе клистрона является то, что в выходное устройство поступают сгустки электронов, а механизм их образования может быть разным.

Из сказанного следует, что к приборам клистронного типа можно отнести приборы СВЧ О-типа с прямолинейными потоками, в которых формируются сгустки электронов и преобразование энергии сгустков в энергию выходного сигнала происходит в резонаторе. Разновидности таких приборов будут отличаться способом формирования сгустков. Таким образом, к приборам клистронного типа наряду с классическими пролетными и отражательными клистронами можно отнести гибридные приборы: лампу Гаева [1], тристрон [2], клистрод [3], ЮТ [4], светрод [5], истрод [6] и генераторные приборы: монотрон [7], диотрон [8], генератор на двухзазорном резонаторе [9].

В классических традиционных клистронах электронные сгустки образуются в процессе группирования электронов за счет их скоростной модуляции в первоначально сплошном и однородном по плотности электронном потоке. В монотроне скоростная модуляция, образование сгустков и отбор энергии от них совмещены в протяженном зазоре одного резонатора. В генераторе на двухзазорном резонаторе скоростная модуляция в первом зазоре, группирование электронов между зазорами и отбор энергии во втором зазоре происходит также в одном единственном резонаторе. В гибридных приборах клистроде, ЮТ, тристроне, прообразом которых является лампа Гаева, сгустки электронов формируются в пушке с управляющей сеткой в режиме с отсечкой тока, как в СВЧ триодах, а отбор энергии происходит в резонаторе, как в клистроне.

За 70- летнюю историю развития пролетных клистронов детальному исследованию физических процессов в них, в том числе в нелинейном режиме, посвящены тысячи публикаций, но несмотря на это возможности клистронов далеко не исчерпаны и исследование новых конструктивных решений и физических процессов продолжается [10]. Гибридные и генераторные приборы клистронного типа в основном начали разрабатываться и применяться только в последнее время благодаря успехам современных технологий и новым конструктивным решениям. Детальное исследование физических процессов в них только начинается.

Создание конкурентоспособных гибридных приборов с сеточным СВЧ управлением катодным током (прототип — лампа Гаева, 1938 г. [1]) стало возможным с появлением новой технологии изготовления термостойких мелкоструктурных сеток из пиролитического графита. Такие приборы с названием клистрод (клистрон-тетрод) выпускаются в США фирмой Eimac-Varian, с названием ЮТ (Inductive Output Tube) выпускаются в Англии фирмой EEV для телевизионных передатчиков нового поколения и успешно работают в 27 странах мира. Эти приборы считаются наиболее перспективными для систем цифрового телевидения высокой четкости [11]. В России опытные образцы разновидностей таких приборов в отечественном многолучевом исполнении под названием светрод изготовлены в ФГУП.

НЛП «Светлана» В. В. Яковенко с участием сотрудников и аспирантов А. Д. Сушкова и под названием истрод созданы в ФГУП «НЛП «Исток» М. И. Лопиным, начата опытная эксплуатация истрода в телевизионной станции [6].

Гибридный прибор с сеточным СВЧ управлением катодным током и дополнительной группировкой электронов — тристрон (триод-клистрон), является отечественным изобретением. Первые образцы тристронов были изготовлены, теоретически и экспериментально обследованы в 60-х годах прошлого века на кафедре радиотехнической электроники ЛЭТИ им. В.И. Ульянова-Ленина (теперь СПбГЭТУ) В. К. Федяевым при выполнении кандидатской диссертации под руководством А. Д. Сушкова. Первый экспериментальный образец многолучевого телевизионного тристрона был изготовлен в ФГУП «НИН «Контакт» (г. Саратов) В. А. Царевым с использованием результатов численного моделирования, выполненных на кафедре электронных приборов РГРТА [12].

Физические процессы в гибридных приборах клистронного типа значительно сложнее, чем в обычных клистронах. Разработка таких приборов за рубежом и в России ведется с использованием сложных специализированных программ, учитывающих многие физические факторы и специфические особенности реальных конструкций, что требует большой оперативной памяти и быстродействия ЭВМ и ведет к длительному времени счета. Использование этих программ для детального исследования физических процессов, определяющих принцип действия приборов, затруднено. Возможно поэтому, исследования физических процессов в гибридных приборах путем математического моделирования находится на начальном этапе.

В последнее время в связи со все возрастающим использованием микроволнового излучения для промышленных и технологических целей появилась потребность в простых по конструкции источниках СВЧ энергии средней и большой мощности с достаточно высоким КПД. В первую очередь внимание специалистов привлек известный с ЗОх годов 20-го века монотрон. В первых экспериментальных образцах монотронов был получен КПД менее 1% [13] и на долгие годы интерес к монотронам был потерян. В последнее время появились публикации по теоретическим расчетам автогенераторов на монотроне: была предсказана возможность получения КПД 18% на мощности 100 киловатт [14], показана возможность увеличения электронного КПД до 33% в коаксиальном монотроне — диотроне [8].

Возможность практической реализации автогенератора на двухзазорном резонаторе была показана в [9], где на приборе с ленточным лучом был получен КПД около 10%. Публикаций по исследованию процессов в автогенераторах на резонаторах с двойным зазором практически нет. В неопубликованных расчетах, выполненных под руководством В. П. Панова на кафедре электронных приборов РГРТА, был получен КПД около 50%.

Действующих современных образцов автогенераторов на одиночных или двойных зазорах пока нет.

Особенностью гибридных и генераторных приборов является то, что они работают в существенно нелинейных режимах, когда амплитуды переменных токов и напряжений сравнимы или больше их постоянных составляющих. Поэтому выходные параметры таких приборов определяются нелинейными процессами взаимодействия электронов с полями резонаторов. Исследование этих процессов для определения параметров области взаимодействия резонансных систем, обеспечивающих максимальные значения КПД новых гибридных и генераторных приборов клистронного типа, является актуальной задачей.

Основной целью диссертационной работы является исследование нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями резонаторов гибридных и генераторных приборов клистронного типа для выявления параметров области взаимодействия резонансных систем, обеспечивающих режимы с максимальным КПД и использование полученных результатов для проектирования гибридных приборов клистронного типа.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ известных конструкций приборов клистронного типа, существующих методов расчета процессов взаимодействия электронов с полями резонаторов;

— создание единой для всех гибридных и генераторных приборов клистронного типа численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями резонаторов и программного обеспечения для оперативного расчета этих приборов в линейных и нелинейных режимах;

— исследование с использованием разработанной модели нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями резонаторов в ряде новых перспективных приборах (клистродах и тристронах с однои двухзазорными резонаторами, автогенераторах простой конструкции на одном резонаторе с одним и двумя зазорами взаимодействия);

— выработка на основе этих исследований рекомендаций по выбору параметров и режимов работы области взаимодействия резонансных систем, обеспечивающих максимальные значения КПД в гибридных приборах клистронного типа и автогенераторах простой конструкции.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1.Для гибридных и генераторных приборов клистронного типа разработана численно-аналитическая математическая модель процессов взаимодействия электронов с полями СВЧ зазоров. Сочетание численных и аналитических методов позволило создать быстродействующую программу экспресс-анализа, которая в отличие от программ, основанных на полностью численных методах, позволяет оперативно анализировать процессы взаимодействия электронов с полями СВЧ зазоров.

2. Оптимизированы по КПД режимы и размеры области взаимодействия выходных однои двухзазорных резонаторов клистродов и тристронов при разных углах отсечки катодного тока. Получены следующие предельные значения электронного КПД при рекомендованном угле отсечки 90°:

— 82% для клистрода с однозазорным резонатором;

— 86% для клистрода с двухзазорным резонатором на л — виде колебаний;

— 89% для тристрона с однозазорным резонатором;

— 92% для тристрона с двузазорным резонатором на лвиде колебаний.

3. Определены максимальные значения электронного КПД автогенераторов на резонаторе с двумя зазорами взаимодействия:

— для резонатора с идентичными зазорами максимальное значение электронного КПД на л — виде колебаний соответствует второй зоне генерации и составляет 28%, для нулевого вида — первой зоне и составляет 29%;

— для резонатора с зазорами разной длины максимальное значение электронного КПД на лвиде колебаний составляет 51%.

С использованием разработанной численно-аналитической математической модели электронных процессов взаимодействия в СВЧ зазорах получены частично новые научные результаты. Установлено, что:

1. СВЧ зазор в режиме большого сигнала может быть эффективным группирователем электронов, конвекционный ток внутри зазора конечной длины при универсальном параметре нелинейности 5 >0.5 может быть больше, чем в пространстве группирования при синусоидальной скоростной модуляции бесконечно узким зазором и достигает значения 1.48/0 при 5 = 1;

2. Активная и реактивная составляющие электронной проводимости в нелинейном режиме существенно зависят от параметра 8, электронная проводимость в областях отрицательных значений, где возможна автогенерация, уменьшается по абсолютной величине с ростом 5 от малосигнальных значений до 0, а затем становится положительной;

3. Электронный КПД в зонах автогенерации монотрона зависит от 8, имеются оптимальные значения 8, при которых КПД максимален и составляет 18% при 8 = 0.5 в первой зоне и 14% при 8 = 0.3 во второй зоне генерации.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработаны рекомендации по выбору параметров области взаимодействия резонансных систем для обеспечения максимальных по КПД режимов работы гибридных приборов клистронного типа. Установлено, что при угле отсечки катодного тока 90°:

— в клистроде с однозазорным выходным резонатором для получения максимального электронного КПД 82% приведенная длина зазора должна составлять D=^ при нормированной амплитуде напряжения? = 1.2;

— в клистроде с двухзазорным выходным резонатором на лвиде колебаний для получения максимального электронного КПД 86% приведенные длины зазоров должны составлять Dl=D2=^ при t,=?, 2 = 0 6 и нормированном расстоянии между центрами зазоров 1Ц =1.9брад;

— в тристроне с однозазорным выходным резонатором для получения максимального электронного КПД 89% приведенная длина зазора должна составлять ПРИ нормированной амплитуде напряжения? = 1.25;

— в тристроне с двузазорным выходным резонатором на явиде для получения максимального электронного КПД 92% приведенные длины зазоров должны составлять ?>,=?>2=^ при 2 =0 7 и нормированном расстоянии между центрами зазоров 1Ц = 116рад;

2. Проведено проектирование области взаимодействия многолучевого телевизионного тристрона на выходную мощность 12кВт, с использованием полученных результатов в ФГУП «НПП «Контакт» изготовлен опытный образец телевизионного тристрона.

Реализация результатов работы.

Результаты работы и практические рекомендации по проектированию приборов клистронного типа:

— использованы в ФГУП «НПП «Контакт» и СГТУ (г. Саратов) при разработке многолучевого телевизионного тристрона;

— используются в ФГУП «НПП «Исток» при разработке автогенераторов на одиночном и двойном зазоре;

— используются в учебном процессе РГРТУ в лекционном курсе, лабораторных работах и курсовой работе по магистерской программе «Приборы с комбинированным управлением током» .

Достоверность полученных результатов обеспечивается: фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения математических моделейсоответствием результатов расчета по разработанной модели и результатов, полученных по другим более сложным математическим моделямсовпадением результатов расчета с результатами тестовых задач, имеющих известное аналитическое решениесовпадением результатов по монотрону с результатами других авторов, полученными разными методами в разных странах.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Использование универсального параметра нелинейности плоских СВЧ зазоров, условий эквивалентности сеточных и бессеточных зазоров и функции формы тока произвольного вида позволяет проводить по единой методике, основанной на численно-аналитической математической модели, исследование нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями.

СВЧ зазоров гибридных и генераторных приборов клистронного типа и получить результаты, пригодные (с погрешностью менее 5% при микропервеансах потока менее 0.5) для различного сочетания геометрических размеров и режимов работы зазоров резонаторов.

2. Для получения максимального электронного КПД в гибридных приборах клистронного типа с двухзазорными резонаторами в нелинейном режиме по сравнению с линейным следует существенно сокращать расстояние между серединами зазоров: в 1.6 раза (с 3.14 до 2рад) в клистроде и в 1.8 раза (с з. и до 1.76 рад) в тристроне.

3. В однозазорном монотроне с однородным полем при величине конвекционного тока большей, чем в двухрезонаторном клистроне, фазовый сдвиг между максимумами конвекционного тока и тормозящего напряжения ограничивает электронный КПД на уровне 18% .

4. Электронная проводимость промежуточного резонатора тристрона, работающего в режиме с отсечкой тока, существенно зависит от фазы переменного напряжения, при которой сгустки входят в зазор, принимая при изменении фазы в пределах периода положительные и отрицательные значения, максимумы которых в 10−100 раз отличаются от их значений для однородного потока в режиме малого сигнала.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 10-ти научно-технических конференциях:

— 7-ой Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков, СПбГПУ, 9−11 декабря 2003 г.;

— Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника электроника и энергетика», Москва, МЭИ, 4−5 марта 2003 г.;

— Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника электроника и энергетика», Москва, МЭИ, 2−3 марта 2004 г.;

— Научной сессии МИФИ-2004. Москва, МИФИ, 2004 г.;

— Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004», Саратов, 15−16 сентября 2004 г.;

— 15-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Украина, 12−16 сентября 2005 г.;

— Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006», Саратов, 20−21 сентября 2006 г.;

— 50-й студенческой научно-технической конференции, РГРТА, 2003 г.;

— 38-й научно-технической конференции, РГРТА, 2004 г.;

— 39-й научно-технической конференции, РГРТУ, 2006 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений. Ее объем составляет 164 страницы машинописного текста, 79 рисунков, 2 таблицы, 109 наименований цитируемых источников, из которых 14 -публикации автора диссертации.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Пашков А. А. Клистрод — высокоэффективный прибор для TV вещания // Тезисы докладов «7-я Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков», 9−11 декабря 2003 г. С-Пб: СПбГПУ, 2003. С. 54−55.

2. Крючков А. В., Пашков А. А., Рыбачек В. П. Компьютерное моделирование ЭОС многолучевого клистрода // Тезисы докладов девятой международной науч.-техн. конференции студентов и аспирантов «Радиотехника электроника и энергетика», 4−5 марта 2003 г. Т. 1. Москва: МЭИ, 2003. С.177−178.

3. Пашков А. А. Расчет предельно достижимых КПД клистрода // Тезисы докладов десятой международной науч.-техн. конференции студентов и аспирантов «Радиотехника электроника и энергетика», 2−3 марта 2004 г. Т. 1. Москва: МЭИ, 2004. С. 200.

4. Пашков А. А. Исследование параметров СВЧ зазора в нелинейном режиме // Научная сессия МИФИ-2004: сб. науч. тр. Т. 1. Москва: МИФИ, 2004. С. 175−176.

5. Пашков А. А. Универсальные графики движения электронов в плоском СВЧ зазоре // Информационные технологии в электронике: межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 2004. С. 88−93.

6. Федяев В. К., Пашков А. А. О предельных КПД клистрода // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. Вып. 2(484). 2004. С. 54- 59.

7. Федяев В. К., Пашков А. А. Исследование процессов преобразования энергии в клистроде с двухзазорным выходным резонатором // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004», 15−16 сентября 2004 г. Саратов: СГТУ, 2004. С. 104−109.

8. Федяев В. К., Пашков А. А., Кадушкин В. О. Исследование электронной проводимости и КПД двухзазорного резонатора в режимах генерации и усиления // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004», 15−16 сентября 2004 г. Саратов: СГТУ, 2004. С. 109−115.

9. Федяев В. К., Пашков А. А. Электронная проводимость и коэффициент полезного действия плоского сверхвысокочастотного зазора в нелинейном режиме // Радиотехника и электроника. Т. 50, № 3. 2005. С. 361−365.

Ю.Федяев В. К., Пашков А. А., Горлин О. А. Исследование параметров одиночных и двойных СВЧ зазоров в нелинейном режиме // Материалы конференции «15-я Международная Крымская конференция СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 12−16 сентября 2005 г. Т.1. Севастополь, 2005. С. 201−202.

П.Пашков А. А., Илларионов Ю. И. Методика моделирования нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями зазоров приборов клистронного типа // Вестник РГРТА. Вып. 18. Рязань: РГРТУ, 2006. С. 105−107.

12. Федяев В. К., Юркин В. И., Пашков А. А. Влияние пространственного заряда на электронную проводимость и КПД монотрона //Электроника: межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТУ, 2006. С. 53−57.

13.Федяев В. К., Горлин О. А., Пашков А. А. Исследование электронного КПД автогенератора на двухзазорном резонаторе с зазорами разной длины // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006», 19−21 сентября 2006 г. Саратов: СГТУ, 2006. С. 36−42.

М.Федяев В. К., Илларионов Ю. И., Пашков А. А. Электронная проводимость промежуточного резонатора тристрона // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006», 19−21 сентября 2006 г. Саратов: СГТУ, 2006. С. 42−47.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе проведено исследование нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями резонаторов гибридных и генераторных приборов клистронного типа с целью выявления параметров области взаимодействия резонансных систем, обеспечивающих режимы работы с максимальным КПД. Полученные результаты были использованы для проектирования области взаимодействия гибридного прибора клистронного типа — телевизионного тристрона.