Диссертация (1102877), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Отметим, что продольная скорость частиц увеличивается, а поворот вокруг оси z почти нивелировался.t T 2t 0t TРис. 3.13. Поперечные сечения ленточного пучка с p   20 (верхний ряд) и спектр продольных скоростей (нижний ряд) при продвижении пучка вдоль оси z .Рассмотрим вариант транспортировки ленточного потока с p   20 .

В этом случае увеличение продольной скорости пучка от одного края к другому не носит плавный характер.Наблюдаются искажения внутри пучка. Однако в целом пучок сохраняет необходимую форму,а поворот вокруг оси z остается относительно невысоким.Стабильность пучка при высоких значениях первеанса пучка и при таком разбросе про- дольных скоростей поддерживается за счет уменьшения фактора E  B , ответственного за деформациюпоперечногосеченияленточногопучка.Врасширяющемсяаксиальносимметричном магнитном поле происходит как уменьшение поля пространственного заряда Eпри расширении пучка в области взаимодействия, так и снижение напряженности фокусирующего магнитного поля B в 10 раз по длине области.Таким образом, при наличии циклотронного вращения устойчивость ленточного пучка врасширяющемся неоднородном аксиально-симметричном магнитном поле может быть болеестабильной в сравнении с ленточным пучком без вращения в однородном магнитном поле.

Пу-70чок остается устойчивым вплоть до p   20 . В поле такой конфигурации можно реализоватьнаибольшую эффективность преобразования энергии циклотронного вращения пучка в энергиюего поступательного движения (§3.7).§3.6. Распространение ленточного электронного потока с циклотронным вращением во внешнем плоско-симметричном магнитном полеНа третьем этапе моделирования траекторный анализ проводился в неоднородном плоско-симметричном магнитном поле в параксиальном приближенииBx ( x, z )  0,B y ( y, z )  yzB0 (1  C0 ) sin ,2l2lBz ( z )  0.5B0 (1  C0  (1  C0 ) coszl(3.11)).В поле подобной конфигурации в пучке с циклотронным вращением может наблюдатьсягруппировка электронов.

Об этом подробнее будет рассказано в Главе 4.Случай наличия компоненты поля Bx и отсутствия компоненты B y в рамках диссертации не рассматривался. Отметим только, что в этом случае поперечная компонента магнитногополя воздействует на толщину пучка, которая значительно меньше его ширины. При большихзначениях первеанса довольно сильно проявляется эффект диокотронной неустойчивости, пучок может распасться на отдельные фрагменты.t T 2t 0t TРис.

3.14. Поперечные сечения ленточного пучка с p  1 (верхний ряд) и спектр продольныхскоростей (нижний ряд) при продвижении пучка вдоль оси z .71t T 2t 0t TРис. 3.15. Поперечные сечения ленточного пучка с p   5 (верхний ряд) и спектр продольныхскоростей (нижний ряд) при продвижении пучка вдоль оси z .t T 2t 0t TРис. 3.16. Поперечные сечения ленточного пучка с p   10 (верхний ряд) и спектр продольныхскоростей (нижний ряд) при продвижении пучка вдоль оси z .Параметры моделирования задавались такими же, как и для случая аксиальносимметричного магнитного поля (Таблица 3.2).

Для p  = 1-10 мкА/В3/2 характерно, что спектрпродольной скорости пучка практически не изменяется, сильного разброса скоростей в отличиеот случая аксиально-симметричного магнитного поля не наблюдается. Однако пучок очень72сильно поворачивается вокруг оси z (рис. 3.14-3.15). Поэтому в плоско-симметричном магнитном поле целесообразны значения первеанса до p   5 мкА/В3/2.t T 2t 0t TРис. 3.17. Поперечные сечения ленточного пучка с p   20 (верхний ряд) и спектр продольных скоростей (нижний ряд) при продвижении пучка вдоль оси z .В случае p  20 наблюдается интенсивная дестабилизация ленточного пучка. Спектрпродольных скоростей претерпевает существенные изменения (рис.

3.17). Пучок сильно разворачивается вокруг оси z , края пучка заметно закручиваются, начинается распад пучка на отдельные фрагменты.Таким образом, при наличии циклотронного вращения устойчивость ленточного пучка врасширяющемся неоднородном плоско-симметричном магнитном поле может быть более стабильной вплоть до p   5 мкА/В3/2. Данная конфигурация поля не обладает очевидными преимуществами в сравнении с однородным или аксиально-симметричным магнитным полем, заисключением спектра продольных скоростей.

При таком разбросе скоростей может быть существенно упрощено конструирование коллекторного узла гипотетического устройства, в которомбудет реализована данная 3D модель.§3.7. Эффективность преобразования циклотронной энергии ленточного пучка вэнергию его продольного движенияНа следующем этапе моделирования фиксировались значения КПД преобразования циклотронной энергии электронного потока в энергию его поступательного движения в аксиально73и плоско-симметричном магнитных полях в зависимости от параметров C0 , N c и W .

Первеанс ленточного потока задавался равным p  10 мкА/В3/2 ( I 0  10 А, j  10 А/см2). Несмотряна выводы §3.6, было решено остановиться именно на этом варианте ввиду низкого разбросапродольных скоростей в плоско-симметричном магнитном поле. Остальные параметры моделиоставались теми же (Таблица 3.2).Рис. 3.18.

Эффективность преобразования  энергии циклотронного вращения ленточного пучка в его продольную энергию в аксиально-симметричном магнитном полев зависимости от параметров C0 , N c и W .Эффективность (КПД) преобразования  вращательной кинетической энергии электронного пучка в энергию его поступательного движения определялась по формуле741W v z2 min 2  1, v z0(3.12)где v z min – минимальная продольная скорость частиц в сечении пучка на выходе изобласти взаимодействия.Согласно рис.

3.18 области высоких значений  (не менее 65%) соответствуют значения C0 = 0,0-0,3. При данных значениях C0 при увеличении длины области взаимодействияl  N c c максимум значений  увеличивается (например, для W = 1 от 73 до 81 %). Также отметим, что при увеличении W максимум значений  уменьшается (например, для N c = 9 с 81до 75 %).

Однако при больших значениях W может быть преобразовано большее количествоциклотронной энергии вращения пучка. Например, для случая W = 5, C0 = 0,2, N c = 9 преобразованная мощность (в непрерывном режиме) может теоретически составить до P   W U 0 I 0 =375 кВт при входной продольной мощности пучка P0  U 0 I 0 = 100 кВт. В то же время для случая W = 1, C 0 = 0,2, N c = 9 преобразованная мощность составит P  81 кВт, для случая W = 1,C 0 = 0,2, N c = 9 получим P  158 кВт. Вместе с тем, при увеличении W разброс продольныхскоростей в пучке также уменьшается, что иллюстрирует таблица 3 для параметров C 0 = 0,2,N c = 7.Таблица 3.3Wv z180,037,8278,736,2578,131,7Относительный разброс продольных скоростей электронного потока в таблице 3.3 определялся как отношение абсолютного разброса скоростей к средней скорости потока на выходеиз области взаимодействия:v z v z max  v z min,vz75(3.13)где v z max – максимальная продольная скорость частиц в сечении ленточного пучка навыходе из области взаимодействия, v z – средняя по времени продольная скорость частиц.Таким образом, в неоднородном расширяющемся аксиально-симметричном магнитномполе при использовании ленточных электронных потоков можно реализовать сотни кВт выходной мощности устройств СВЧ при приемлемых значениях разброса продольных скоростей (до40 %).Рис.

3.19. Эффективность преобразования  энергии циклотронного вращения ленточного пучка в его продольную энергию в плоско-симметричном магнитном полев зависимости от параметров C0 , N c и W .76Были проведены аналогичные измерения для плоско-симметричного магнитного поля.Данный режим магнитного поля характеризуется более низкой эффективностью в сравнении саксиально-симметричным магнитным полем. Тем не менее, значения  достигают относительно высоких значений (до 65%).Области высоких значений  (не менее 55%) соответствуют значения C0 = 0,0-0,2. Зависимость  от W при этом практически не наблюдается. В отличие от случая аксиальносимметричного магнитного поля при увеличении длины области взаимодействия l  N c c максимумзначенийуменьшается(например,дляW=1c 63 до 59 %).§3.8.Примененеиеленточногоэлектронногопотокавциклотронномпреобразователе энергииКак отмечалось во введении к Главе 1, ленточные электронные потоки достаточноперспективны для применеия в поперечно-волновых устройствах СВЧ, в частности, вциклотронном преобразователе энергии (ЦПЭ).Рис.

3.20. Схема ЦПЭ (а) и профиль расширяющегося аксиально-симметричного магнитногополя (б): 1 – катод, 2 – анод, 3 – сфокусированный электронный пучок,4 – резонатор с поперечным электрическим полем, 5 – коллектор.77ЦПЭ отличается сравнительно высоким значением КПД (до 80%), однако реализованныена текущий момент прототипы не превышают уровней входной мощности более 10 кВт (внепрерывном режиме). С другой стороны, использование ленточных электронных пучков вЦПЭ возможно решит вопрос сравнительно небольшой выходной мощности устройства, чтотеоретически подтверждается в §3.6.По большому счету, в Главах 2 и 3 проведено трехмерное моделирование динамики ленточного электронного потока в составных узлах ЦПЭ, в частности, в цилиндрическом резонаторе с поперечным электрическим полем и в области реверсивного изменения аксиальносимметричного магнитного поля.Принцип действия ЦПЭ довольно прост.

Электронный пучок, сформированный катодомприбора, инжектируется в емкостной зазор полости цилиндрического резонатора, пример которого приведен в Главе 2. В резонаторе при энергообмене в условиях циклотронного резонанса впучок передается мощность микроволнового сигнала, после чего пучок раскручивается и навыходе из резонатора попадает в расширяющееся аксиально-симметричное магнитное поле,описанное в Главе 3. Здесь происходит преобразование энергии вращения пучка в энергию егопоступательного движения. Дополнительная мощность пучка выделяется в нагрузке коллектора.В Главе 2 было показано, что в ленточный электронный поток можно передать более95% микроволновой энергии. В этой Главе установлено, что в аксиально-симметричном магнитном поле можно реализовать сотни кВт мощности.

Характеристики

Список файлов диссертации