Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Количество резонаторов идлина прибора определяют необходимый уровень усиления и значениевыходной мощности.Выходная система, как и входная, может содержать однозазорныйрезонатор, двухзазорный резонатор, секцию связанных резонаторов иоднозазорный или двухзазорный резонаторы с фильтровой системой. Длявывода мощности используются один или два волновода.Коллектор может быть конвекционным или с рекуперацией.
Егоконструкциядолжнаобеспечиватьравномерноераспределениеотработанных электронов по поверхности коллектора. Однако, в связи сналичием остаточного магнитного поля в переходной к коллекторуобласти, это не всегда удаетсяосуществить.Конструкцииколлекторовбываютаксиальносимметричными и несимметричными,что существенно затрудняет ихтеоретический анализ.Фокусирующаясистемаклистронного усилителя осуществляетформирование и транспортировкуэлектронногопотокалибосоленоидальным магнитным полем(рис. 5а), либо магнитным полем наРис. 5. Распределение амплитудыпостоянных магнитах (рис. 5б-г).продольного магнитного поля B z отФокусирующиесистемынапродольной координаты z : соленоидапостоянныхмагнитахс(а) и фокусирующих систем напериодическимилиреверснымпостоянных магнитах (б - г).характером изменения амплитудымагнитного поля обычно используются в многолучевых конструкцияхклистронных усилителей, обеспечивая относительно высокие значениявеличины токопрохождения электронного потока в трубе дрейфа.12Максимальное токопрохождение электронного пучка в статическоми динамическом режимах работы обеспечивается однолучевойконструкцией клистронного усилителя при фокусировке соленоидальныммагнитным полем.Трубы дрейфа должны обеспечивать транспортировку электронногопучка без токооседания на стенки электродинамической структуры.Коэффициент заполнения трубы дрейфа электронным пучком обычноравен κ = rп rт = 0,7-0,8.
Он зависит от величины фокусирующегомагнитного поля, которое равно B = B z B Br = 2,0–3,0, где B Br - величинаБриллюэновского магнитного поля, минимального магнитного поля,необходимого для фокусировки электронного потока.В мощных клистронных усилителях, особенно в приборахнепрерывного действия, проблема формирования и транспортировкиэлектронного потока стоит достаточно остро, и для обеспечения 100%токопрохождения, или близкого к этому значению, могут бытьиспользованы трубы дрейфа переменного диаметра, последовательнорасширяющиеся к выходной системе. Однако это приводит кнеустойчивости электронного пучка, которая должна быть тщательнопроанализирована.При использовании в клистронных усилителях периодическойфокусировки на постоянных магнитах и реверсной фокусировки, которыезначительно изменяют характер формирования, транспортировки итокооседания электронного потока, по сравнению с соленоидальнойфокусировкой, необходимо проведение тщательного теоретическогоанализа, учитывающего профиль фокусирующего магнитного поля и еговлияние на динамический режим работы прибора.Поэтому для исследования высокоэффективных клистронныхусилителей необходимо анализировать физические процессы во всех егочастях от катода до коллектора.
Чтобы реализовать высокуюэффективность в мощных клистронных усилителях необходимо подробноеисследование нелинейных процессов протекающих в электронной пушке,линейном усилителе, нелинейном группирователе, выходной секции иколлекторе. Для этих целей на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова были разработаны программные комплексы Клистрон – МГУи Арсенал – МГУ.ПрограммныйкомплексКлистронМГУ1,5–мерный.Взаимодействие электронного потока и электромагнитного поляреализовано на основе дисково-кольцевой модели электронного пучка.Клистрон – МГУ был создан автором для исследования физическихпроцессов и конструирования мощных узкополосных и широкополосныхклистронных усилителей с высоким КПД.13Данный программный комплекс прошел тридцатилетнюю проверку входе конструирования однолучевых и многолучевых клистронныхусилителей различных модификаций, последовательно совершенствуясь иусложняясь.
Клистрон – МГУ является первым программным комплексом,позволившим провести исследования влияния «эффекта расслоения» напроцессы группирования электронов в многорезонаторных клистронныхгруппирователях. С его помощью были разработаны и созданыоднолучевые и многолучевые высокоэффективные клистронныеусилители, как узкополосные, так и широкополосные. На его основе вМГУ был создан 2,5 – мерный программный комплекс Арсенал – МГУ,разработанный В.Е. Родякиным под руководством автора.Арсенал-МГУ-2,5-мерный позволяет анализировать клистронныеусилители, содержащие электронные пушки, как термоэмиссионные, так ина эффекте взрывной эмиссии, линейный усилитель и нелинейныйгруппирователь, распределенные выходные структуры, конвекционныеколлекторы и коллекторы с рекуперацией.
Он основан насамосогласованноманализедвижениязаряженныхчастицвэлектромагнитных полях при представлении электронного потока в виде«крупных» частиц. Арсенал - МГУ используется для моделированияфизических процессов в клистронном усилителе от катода до коллекторапри задании в качестве входных данных геометрических размеровприбора.Программные комплексы Клистрон-МГУ и Арсенал-МГУиспользовались и используются при разработке и созданиивысокоэффективных нерелятивистских и релятивистских клистронныхусилителей в СССР и России, при конструировании мощных клистронныхусилителей в Институте физики высоких энергий Японии (KEK), в фирмеThomson Tubes Electroniques (Франция) и Институте Электроники КАН(Китай).Полученохорошеесоответствиетеоретическихиэкспериментальных данных.Вовторойглавеописаныфизическиепроцессывмногорезонаторных устройствах с продольным взаимодействием.
Вчастности рассмотрены особенности кулоновского взаимодействия ирасслоения электронного потока в мощных клистронных усилителях имощных ЛБВ. Показано, что они существенно влияют на характернелинейных процессов, протекающих в данных приборах.Следует различать два предельных случая. При малых характерныхдлинах прибора L << λ q (где λ q - плазменная длина волны) расслоениеэлектронного пучка, в основном, определяется радиальным изменениемвысокочастотных полей электродинамических систем. Кулоновские силыобычно увеличивают расслоение потока. Лишь при определенныхнелинейных режимах их можно использовать для уменьшения данногоэффекта.14В приборах с большими характерными длинами ( L ≥ λ q )скоростная модуляция достаточно мала, за исключением, может быть,конечного участка секции ЛБВ.
Почти на всем протяжении секциипроцессы являются линейными или слабонелинейными. Длительноевзаимодействие электронов приводит к установлению картинынормальных волн электронного пучка, характеризуемой общим для всехслоев распределением высокочастотных полей в поперечной области.Расслоение проявляется как результат неодинакового возбуждениянормальных волн и обмена энергией между ними.В мощных микроволновых приборах применяют сложныеэлектродинамические системы. В связанных структурах с положительнойи отрицательной дисперсиями может быть получена искусственнаяобласть непрозрачности.
Области непрозрачности возникают также привзаимодействии нескольких типов волн в одной электродинамическойсистеме.Использование искусственных областей непрозрачности весьмазаманчиво, так как позволяет реализовать преимущества, присущие ЛБВ сзапредельным усилением, когда мощный электронный пучок может«открыть» секцию ЛБВ и расширить полосу усиливаемых частот. Этотакже привлекательно использовать в клистронных усилителях высокогоуровня выходной мощности, когда электронный пучок, возбуждаявыходнуюсекциютипасвязанныхрезонаторов,обеспечитширокополосное усиление выходного сигнала.Дискретное взаимодействие колебаний и волн в цепочкахшестиполюсников с электронным пучком было проанализированоматричным методом. При этом электронный поток мы заменяем цепочкойшестиполюсников. Система, поток и сложная замедляющая структурапредставляют собой цепочку восьмиполюсников.
Матричный методпозволяет найти собственные волны ЛБВ, учесть граничные условия,получить различные характеристики устройства.В мощных ЛБВ, на частотах вне рабочей полосы, иногда происходитпаразитноесамовозбуждение,котороеможноликвидироватьвспомогательнойзамедляющейструктурой(ЗС),вносящейдополнительные потери.Среди возможных типов связи основной и дополнительной ЗС длявнесения потерь наиболее удобна активная связь с затуханием, так как приэтом отбор энергии сопровождается экспоненциальным изменением полейс расстоянием, и нет периодичности в перекачке энергии.
Она может бытьполучена при взаимодействии двух электродинамических систем сположительной и отрицательной дисперсиями.Экспериментальные исследования (проведены В.И. Юрьевым и А.И.Трифоновым) обнаружили значительное уменьшение ширины полосы15связи при малых зазорах ( ∆ < 5 мм) основной и дополнительной ЗС.Расхождение между данными эксперимента и теории связано с тем, чтопри сильной связи между линиями происходит изменение структуры полейосновных гармоник, что требует дальнейшего уточнения использованныхпри теоретическом анализе эквивалентных схем. Такое уменьшениеобласти связи делает нецелесообразным использование систем связанныхлиний, в которых величина параметра нарастания волн α > 0,2 см -1 .Рассмотренная электродинамическая система была использована присоздании макета ЛБВ. В разработанном приборе дополнительная системапредназначалась для подавления паразитного самовозбуждения наобратной волне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
