Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764), страница 7
Текст из файла (страница 7)
На рис. 23е и рис.23ж представлены распределения продольной и радиальных компонентэлектрического поля в зависимости от продольной координаты.Максимальное значение радиальной компоненты E wr зависит оттолщины сгустка и для бесконечного по толщине сгустка превышаетрадиальную компоненту E qr покоящегося сгустка в γ раз.
Увеличениескорости движения сгустка приводит к уменьшению поля E wz продольнойкомпоненты по сравнению с относительной компонентой кулоновскогополя.Многолучевой релятивистский генератор. Электродинамическаясистема исследованного релятивистского генератора представляет собойдиафрагмированный волновод с толстыми диафрагмами, имеющими,кроме небольшого отверстия в центре, восемь малых запредельныхотверстий на периферии, распределенных по кольцу.Исследования по генерации СВЧ излучения с помощьюрелятивистского многорезонаторного устройства были проведены на СЭУ«Тандем» физического факультета МГУ (лаб.
профессора А.Ф.Александрова), имеющем следующие параметры: ускоряющее напряжение300-800 кВ, ток пучка 1-5 кА, длительность импульса 100 нс.а)б)Рис. 24. Осциллограммы импульсов напряжения и мощности СВЧ излучения.На рис. 24a представлены результаты исследования прибора скольцевым электронным потоком, который формируется центральнымстержнем катодного узла. Параметры электронного потока в экспериментебыли следующими: V0 ≈ 600 кВ, I 0 = 3 кА, длительность импульсаускоряющего напряжения на половине амплитуды 100 нс.Длительность импульса излучения значительно короче импульсанапряжения и тока. Это можно объяснить возникновением СВЧ - пробояпри достижении напряженности электрического поля предельной дляданного значения вакуума величины ~ 200 кВ/см.Мощность СВЧ излучения составляла ≈ 32 МВт, частота генерациипримерно 9,7 ГГц ( λ - 3,09 см.), длительность импульса ~ 20 нс.
КПДпреобразования, рассчитанный по напряжению и выходному току пучка (сучетом токооседания), составил ≈ 3 %. На рис. 24б представлены31результаты исследования генерации СВЧ излучения с многопоточнойкатодной системой без центрального стержня. Мощность импульса СВЧизлучения составила 10 МВт, длина волны излучения ~ 1,5 см.Такимобразом,показанапринципиальнаявозможностьиспользования многопоточных электронных пушек в релятивистских СВЧгенераторах. При улучшении качества фокусировки и юстировкиэлектронных потоков, а также при отработке многопоточной электроннойоптики можно ожидать значительного увеличения КПД и выходноймощности устройства.Таблица 2.Напряжение пучкапроектэкспериментТок пучкапроектэкспериментТип катодаМикропервеансЧастотавходнаявыходнаяЧастота повторенияДлит.
импульсапучкаизлученияКол-во резонаторовчастоты ωчастоты 2ωВыходная секцияФокусир. системамагнитное полеТип коллектораКПДтеорияэкспериментУсилениеСовместная работаНМKMT-1KMT-2KMT-3200 кВ170 кВ1000 кВ400 кВ400 кВ400 кВ400 кВ62.5 A20 AОксидн.0.2851 kA700 Aвзрывной.2.7300 A7.0 ГГц7.0 ГГц100 Гц2.85 ГГц2.85 ГГцОдиночн.200 A170 Aдиэлетр.0.79.4 GHz9.28 ГГц9.28 ГГц10 Гц2 мкс1 мкс1.5 мкс200 нс62Однозаз.МПФС2.6 кГсКонвекц.4Двухзаз.соленоид20 кГсрупор61Двухзаз.соленоид20 кГсрупор61Двухзаз.соленоид5 кГсрупор70 %50-60 %40-50 дБМГУИЯФ СОАН СССР50 %10 %30 дБМГУНИИЯФТПИ50 %50%5%30 дБМГУНИИЯФ ТПИвзрывной1.182.85 ГГцОдиночн.120 нс120 нсМГУНИИЯФТПИПри конструировании в МГУ многолучевого релятивистскогогенератора и клистронных усилителей НМ и КМТ-1-3 (табл. 2),использовались программные комплексы Клистрон-МГУ и Арсенал-МГУи измерительно-вычислительный коплекс для исследования «холодных»характеристик электродинамических структур, разработанный А.А.Стоговым, под руководством автора.Испытания клистронных усилителей КМТ-1 и КМТ-3 проводилисьна экспериментальной базе НИИЯФ при ТПИ (под руководствомакадемика А.Н.
Диденко).32Клистрон НМ изготавливался и испытывался в ИЯФ СО РАН (подруководством академика В.Е. Балакина).Релятивистский клистрон НМ с периодической фокусирующейсистемой на постоянных магнитах. Релятивистский клистрон НМконструировался как прототип источника для ВЛЭПП, с периодическойфокусирующей системой на постоянных магнитах (рис. 5г), работающегона частоте 7 ГГц. Величина магнитного поля была равна 2,6 кГс.Электронный пучок формировался многокатодной термоэмиссионнойпушкой.Это был первый в мире эксперимент по использованию постоянныхмагнитов для фокусировки релятивистского электронного потока вклистронном усилителе.
Была показана возможность реализации высокоготокопрохождения электронного потока через прибор. Проведенныйтеоретический анализ показал, что колебания электронного потока могутбыть уменьшены, и возможна реализация высокоэффективного варианта.А это означает, что в 1991 году была показана возможность использованияпериодической фокусирующей системы на постоянных магнитах длябудущих разработок релятивистских многолучевых клистронныхусилителей, которые и были разработаны в США в 1996 году.Испытанияклистронабылипроведены на ускорителе «Элит» вИЯФ СО РАН. Получено усилениевходного сигнала до 50 дБ приэффективности более 50%, выходнаямощность составила около 2 МВт.Ускорительработалсчастотойповторения импульса 120 нс.
На рис. 25представлено сравнение теоретическихиэкспериментальныхрезультатовчтоклистронаНМ.Видно,экспериментальноезначениеКПДпревышает 60%. Однако расчетыРис. 25. Зависимость КПД от входноймощности.различных режимов работы приборадали хорошее соответствие только намалых значениях входной мощности (до 100 Вт).Теоретическиеиэкспериментальныеисследованиярелятивистских клистронов КМТ-1 и КМТ-3.
Клистроны КМТ-1 –КМТ-3 конструировались для получения генерации в 10 см и 3 см –диапазонах длин волн.В качестве системы формирования электронного потокаиспользовались сильноточный электронный ускоритель («Луч») илинейный индукционный ускоритель, созданные в НИИЯФ при ТПИ.Клистрон КМТ –1 конструировался на ускоряющее напряжение 1 МВ и33ток пучка 1 кА и содержал четыре группирующих и два выходныхрезонатора с волноводным выводом из каждого резонатора (рис. 26).Группирующие резонаторы были тороидальными, а выходныерезонаторы изготовлены изотрезков волновода 72 х 34 ммс трубами дрейфа, которыеобразовывалиемкостныезазоры и соединенные сРис. 26.
Релятивистский клистрон КМТ-1.выходнымволноводоминдуктивными диафрагмами.«Холодные» измерения электродинамических характеристикрелятивистских клистронов КМТ-1 и КМТ-3 проводились наизмерительно-вычислительном комплексе в МГУ.Клистрон КМТ-1 (рис. 27) испытывался на сильноточном ускорителе«Луч» в 1985 г, имеющем следующие параметры: ускоряющее напряжениеV0 до 800 кВ, ток пучка I 0 до 10 кА, режим работы - однократный сдлительностью импульса τ и ≈ 1,2 мкс. Пушка представляет собойкоаксиальный диод с магнитной изоляцией.Рис.
27. Схема релятивистского клистрона КМТ-1.Было получено усиление ВЧ мощности около 26 дБ. В силутехнических причин релятивистский клистрон КМТ-1 испытывался приускоряющем напряжении 400 кВ и токе пучка 700 А. Естественно,рассчитанный и сконструированный на другие параметры электронногопотока релятивистский клистрон не мог обеспечить расчетные выходныехарактеристики.Входная мощность в клистрон подавалась от импульсногомагнетронного генератора с выходной мощностью до 1 МВт идлительностью импульса порядка 1,5 мкс в диапазоне длин волн 10 - 11 см.На входе клистрона стоял аттенюатор, используемый для изменениявходной мощности, и калиброванный направленный ответвитель сдетектором, с которого снимались осциллограммы, характеризующиепадающую и отраженную мощности.Фокусировка электронного потока осуществлялась специальносконструированнойимпульснойфокусирующейсистемой,с34напряженностью магнитного поля до 3,5 кГс и неоднородностью менее 5%на длине ≈ 1,5м.Излучение клистрона измерялось с помощью рупорной антенны сдетектором,устанавливаемойнапротивоткрытого конца волновода выходной системы.Коэффициент переизлучения из открытогоконца волновода в антенну измерялся прихолодных измерениях.
Частота выходногоизлученияизмеряласьволноводнымизапредельными и полосовыми фильтрами,устанавливаемыми между приемной антенной идетектором.ЮстировкаклистронаРис. 28. Полосоваяосуществлялась последовательно от резонаторахарактеристика клистрона.к резонатору по отпечаткам пучка на меднойфольге, устанавливаемой в конце каждой трубы дрейфа.Анализ процессов группирования электронного потока показал, чтоэлектроны группируются в сгусток с разбросом по скоростям,обеспечивающим КПД около 50%. Были исследованы полосовыехарактеристики клистрона при различных настройках резонаторов (рис.28). Видно, что полоса клистрона невелика и составляет 2%.
Анализэнергообмена в выходном резонаторе показал, что наибольший КПД~достигается при Vвых V0 = 1,3–1,4 при холодной добротности выходногорезонатора, настроенного на основную частоту, равной 30-50.а)б)в)г)Рис. 29. Результаты эксперимента по влиянию эммитансного фильтраи формы катода.Чтобы снизить напряжение на зазоре выходной системыиспользованы два выходных резонатора, напряжения на которыхсоставляет ≈ 0,7 V0 , что соответствует значению холодной добротностиQ x =15. При этом эффективность отбора энергии каждым резонатором ≈22%.35Основной проблемой при исследовании клистрона былоформирование электронного потока с требуемой величиной тока пучка.Для этих целей использовались срезающая анодная диафрагма иэммитансный фильтр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
