Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В результате получается оптимизированный группировательс "короткими" трубами.Роль дополнительных резонаторов сводится не только к улучшениюгруппировки электронов в сгусток. Бессеточные зазоры резонаторовосновной частоты и частоты второй гармоники имеют различноераспределение коэффициентов электронного взаимодействия по радиусу.Комбинируя резонаторы, изменяя амплитуды и фазы их полей, можнополучить компенсацию эффекта расслоения - неоднородностигруппирования электронов в различных слоях.Напряженность поля резонатора на второй гармонике более быстроспадает к центру пучка по сравнению с изменением напряженности длярезонатора основной частоты.
Компенсация расслоения объясняетсясуществованием, при определенных условиях, обратной зависимостикоординаты максимума амплитуды первой гармоники тока от разностипотенциалов в зазоре резонатора второй гармоники.Анализ влияния поля второй гармоники на группировку электроновв приближении дисковой модели позволил найти условия улучшениягруппирования и существования необходимого смещения максимума покоординате.С физической точки зрения, компенсация расслоения возможна из-задвух противоположных процессов: увеличения длины участкагруппирования с возрастанием напряжения двойной частоты и21уменьшения этой длины с увеличением напряжения основной частоты.Расслоение может значительно ухудшить качество группировки.
Егоможно уменьшить специальными мерами, например, дополнительнымвоздействием на пучок полем резонатора, возбуждаемого на частотевторой гармоники сигнала. Наряду с компенсацией расслоения этовоздействие способствует улучшению группировки электронов. Придополнительной модуляции компенсация расслоения обеспечиваетсявозможностью регулировки воздействия на отдельные слои.Компенсация расслоения должна проявиться также и вмногорезонаторной системе с дополнительным воздействием на частотевторой гармоники. Были рассмотрены многорезонаторные группирователии определены режимы, характеризуемые максимальным значениемпоказателя качества и возрастанием координаты максимума показателякачества с увеличением напряжения в зазоре дополнительного резонатора.Фазовые траектории электронов в трехрезонаторном группирователедля режима, соответствующего максимальному значению показателякачества ( l13 λ q = 0,21) приведены на (рис.
14а). Характернойособенностью группирования является образование в конце второйобласти дрейфа двух сгущений траекторий и уменьшение плотностизаряда в центре сгустка.а)б)Рис. 14 а) Фазовые траектории электронов в трехрезонаторном группирователе;б) Зависимости амплитуд первых двух гармоник тока от продольной координаты.Картина траекторий в конце второй и в третьей областях подобнакартинетраекторийнасоответствующихучасткахдрейфаоптимизированного группирователя без дополнительной модуляции. Этоозначает, что механизм уменьшения расслоения в обоих случаяханалогичен и связан с образованием двугорбого распределения тока пофазе.Различие в начальных процессах определяет различие в ходезависимостей амплитуд первой и второй гармоник тока от расстояния.Зависимость амплитуды первой гармоники тока I1 I 0 от продольногорасстояния z λ q сглажена, в первой и второй областях дрейфаотсутствуют максимумы амплитуд первой гармоники тока I1 I 0 (рис.
14б).22В системах с укороченными трубами дрейфа желательноиспользовать модуляцию на второй гармонике основного сигнала. В этомслучае улучшение группировки и уменьшение расслоения можетнаблюдаться при использовании одного дополнительного резонатора.Таблица 1НапряжениепучкаТок пучкаЧисло лучейМикропервеансЧастотаДлит. импульсаКол-во резонат.на частоте - ωна частоте - 2ωВходная секцияВых. секцияФокусир.системаМагн. поле.КоллекторКПДПроектЭкспериментВых. мощностьПолосаУсилениеКоллективы14 кВ50 кВ8.6 кВ6.4 кВ2.5 A70.215710 МГц2 мкс2.5 A10.2232.45 ГГцНепр.3.65 A180.2542.45 ГГцНепр.6.8 A360.3691.95 ГГц2 мкс61Резон.Двухзаз.соленоид400 ГсКонвекц.62Резон.Однозаз.соленоид800 ГсС рекупер.61Резон.Однозаз.МПФС1000 ГсКонвекц.6Фильтр.Фильтр.МПФС2000 ГсКонвекц.80 %78 %28 кВт1.5 %50 дБМГУ-ТОРИЙ70 %65-70 %87 кВт2.0 %60 дБМГУ-КОНТАКТ75 %70-75 %23-25 кВт2.5 %60 дБМГУ-ТОРИЙ40 %40%18 кВт15 %50 дБМГУ-ТОРИЙВ табл.
1 приведены результаты испытаний клистронныхусилителей, которые сначала были предложены и исследованы авторомтеоретически, а затем реализованы экспериментально.Результатыпредварительныхтеоретическихисследованийобсуждались с экспериментаторами, проводился выбор возможныхзначений общих параметров клистронного усилителя: волновыхсопротивлений резонаторов, добротностей, особенностей магнитнойсистемы, входных и выходных устройств. Затем осуществлялосьчисленное моделирование выходных характеристик приборов, и проходилаих коррекция и изготовление.Рис. 15.
Высокоэффективный клистрон с КПД в нагрузке 78 %.После получения экспериментальных данных, осуществляласьминимальная коррекция параметров, которые в данной конструкции могли23изменяться.В первом столбце табл. 1 представлены параметры мощногоклистронного усилителя, созданного в 1974 году выдающимсяэкспериментатором Сергеем Владимировичем Лебединским.Клистрон содержал восемь резонаторов, один из которых былнастроен на вторую гармонику основного сигнала. Электронно-оптическаяструктура имела семь электронных потоков и соленоидальную магнитнуюсистему, которая была реализована прямо на электродинамическойсистеме клистрона (рис. 15). На данном клистронном усилителе былвпервые в мире реализован КПД в нагрузке 78%.Во втором столбце табл. 1 представлены параметры клистронногоусилителя, созданного С.Н. Голубевым.
Поскольку этот прибор работал внепрерывном режиме с выходной мощностью до 100 кВт, то егоэлектронно-оптическая система была однолучевой с фокусировкойсоленоидальным магнитным полем. Для повышения значения выходноймощности, ширина выходного зазора была взята больше теоретическогозначения, чтобы предотвратить возможный пробой в выходной секции. Вклистроне применена одноступенчатая рекуперация электронного потока,которая позволила повысить эффективность на 3%.
Экспериментальноезначение КПД достигало 65-70%.Клистронный усилитель, параметры которого приведены в третьемстолбце табл. 1 конструировался как первыйвариант прибора (разрабатывался подруководством И.Г. Артюха) для разрезногомикротрона МГУ непрерывного действия(рис. 16). Он был рассчитан и изготовлен вМГУ, а его испытания были проведены вНИИ«Титан».Электронно-оптическаясистемасодержалавосемнадцатьэлектронныхпотоков,которыеформировалисьмагнитно-периодическойфокусирующейсистемой(МПФС).ЭкспериментальноезначениеКПДсоставляло 70-75%.Все описанные выше клистронныеусилителиимеютузкуюполосуусиливаемых частот, кроме прибора,параметры которого приведены в последнем столбце табл. 1 (разработчикС.А. Абанович).
Данный прибор имел полосу усиливаемых частот 15%. Вэтом мощном широкополосном клистроне использовались входное ивыходное устройства в виде фильтра, а электронно-оптическая системаимела тридцать шесть электронных потоков, фокусируемых МПФС.Экспериментальное значение КПД достигало 40%.Рис. 16. Вариант клистрона дляразрезного микротрона МГУ.24Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальныеисследования по созданию высокоэффективных клистронных усилителейпозволили разработать и реализовать на практике приборы сэффективностью более 75 % в нагрузке.В четвертой главе описаны исследования физических процессов вширокополосных клистронных усилителях.
Ранее были созданы мощныеширокополосные клистроны с КПД 30% и полосой от 2 до 10% взависимости от рабочего диапазона частот и уровня выходной мощности.а)б)в)г)Рис. 17. Схема клистронного усилителя (а) и частотные характеристики линейныхусилителей (б - г).В многорезонаторном клистроном усилителе можно выделить триобласти со специальными функциями: усилитель слабых сигналов,нелинейный группирователь и выходную систему (рис. 17).
Резонансныечастоты усилителя находятся в рабочей полосе.Резонаторы нелинейного группирователя отстроены за пределыполосы. В группирователе создаются плотные сгустки с малым разбросомскоростей. В выходной системе осуществляется эффективный отборэнергии от электронного потока во всей полосе частот.В широкополосных приборах с низким уровнем КПД нелинейныйгруппирователь, как правило, состоит из одного резонатора. Вширокополосном клистроне с высоким КПД уменьшение силкулоновского расталкивания должно сопровождаться увеличениемэлектронной нагрузки выходных резонаторов.Эти требования противоречивы и не могут быть выполнены прииспользовании одного аксиально-симметричного пучка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
