Диссертация (1102877), страница 14
Текст из файла (страница 14)
При совпадении осейгруппировка электронов не наблюдается. В случае неоднородного плоско-симметричного полягруппировка электронов присутствует как при совпадении осей, так и при их несовпадении.При этом в случае совпадения оси симметрии магнитного поля с осью циклотронного вращенияна один период влета электронного потока приходятся два электронных сгущения.Рис. 4.16. Схемы одномерной (а) и трехмерной (б) группировок электроновВо-вторых, и это представляется наиболее важным, сгущения электронов при 3D группировке могут не сопровождаться увеличением плотности пространственного заряда в отличиеот группировки при одномерном движении электронов.
Сгущение электронов при 3D группировке представляет собой увеличение числа электронов, пересекающих сечения z const вединицу времени. Однако из-за того, что траектории электронов трехмерны и не совпадают сосью группирователя, точки их пересечения с плоскостью z const распределены по площадиэтого сечения, а не сосредоточены вблизи оси, как при «классической» одномерной группировке (рис. 4.16).
В результате силы пространственного заряда могут существенно слабее влиять напроцесс пространственной группировки электронов и выходные характеристики устройствСВЧ.96Сформулируем принцип пространственной 3D группировки электронного потока в неоднородных магнитных полях.
Электроны с циклотронным вращением, имеющие одинаковыеначальные скорости и поступающие в пространство группировки с неоднородным магнитнымполем в различные моменты времени, обладая разными начальными координатами влета, движутся в результате по различным траекториям, испытывая разное воздействие сил неоднородного магнитного поля. В силу этого электронный поток превращается из однородного в состоящий из последовательности периодических сгущений электронов.Рис.
4.17. Схема клистрона с поперечной модуляцией электронного потока (а) и профиль расширяющегося аксиально-симметричного магнитного поля (б): 1 – катод, 2 – анод,3 – сфокусированный электронный пучок, 4 – входной резонатор с поперечнымэлектрическим полем, 5 – коллектор, 6 – выходной резонаторЭффект пространственной группировки может быть применен при конструировании нового типа клистронов, работа которых основана на поперечной модуляции электронного потока. В таких клистронах можно отказаться от подвода переменного напряжения, модулирующегопучок по скорости. В нем нет необходимости, так как пространственная группировка происходит без модуляции пучка по скорости.Пучку, сформированного электронной пушкой клистрона, необходимо сообщить циклотронное вращение.
Для этого можно использовать цилиндрический резонатор типа Каччиа,97описанный в Главе 2. В случае аксиально-симметричного магнитного поля для возникновенияпроцесса пространственной группировки необходимо, чтобы ось симметрии магнитного поляне совпадала с осью вращения пучка. Для этого электронная пушка и цилиндрический резонатор должны быть смещены относительно оси симметрии магнитного поля в области неоднородного магнитного поля, создаваемого внешней магнитной системой клистрона.
В случаеплоско-симметричного магнитного поля смещение узлов клистрона производить необязательно.В точке на оси устройства, где первая (вторая) гармоника тока принимает максимальноезначение, нужно установить выходной резонатор, применяемый в классических клистронныхусилителях. Тем самым из пучка будет отобрана энергия, подведенная во входном резонаторе споперечным электрическим полем. Отработанный пучок осядет на коллектор клистрона.§4.7. Выводы1.
В результате проведенных исследований выявлена пространственная 3D группировкаэлектронного потока с циклотронным вращением в неоднородных магнитных полях безначальной модуляции продольных скоростей электронов.2. В случае аксиально-симметричных магнитных полей пространственная 3D группировка электронного потока возникает в условиях несоосности между магнитным полем и осьюциклотронного вращения электронов.3. В плоско-симметричных магнитных полях в случае, когда ось вращения потока лежит в плоскости симметрии магнитного поля, в потоке возбуждаются только четные гармоникиплотности тока.4.
Принципиальное отличие рассмотренной 3D группировки электронного потока отгруппировки при одномерном движении электронов, заключается в том, что, и этопредставляется наиболее важным, сгущения электронов при 3D группировке могут не сопровождаться увеличением плотности пространственного заряда. Из-за того, что траекторииэлектронов трехмерны и не совпадают с осью группирователя, сгущения электронов будутраспределены по площади поперечного сечения группирователя, а не сосредоточены вблизиоси, как при «классической» одномерной группировке. В результате силы пространственногозаряда могут существенно слабее влиять на процесс группировки.98ЗАКЛЮЧЕНИЕСформулируем основные выводы и результаты диссертации.1.
Проведено трехмерное моделирование резонатора с поперечным электрическимполем. Впервые изучен модовый состав и структура мод высокочастотного поля в резонаторециклотронного преобразователя. Показано, что основная мода может обладать высокойоднородностью электрического поля в канале взаимодействия с электронным пучком.2. Разработан узел согласования треугольной формы для резонатора с поперечнымэлектрическим полем с целью повышения коэффициента передачи энергии СВЧ в электронныйпучок.3. Проведенотрехмерноемоделированиединамикиэлектронногопотокавцилиндрическом резонаторе с поперечным электрическим полем.
Исследована возможностьпрямого преобразования энергии быстрой циклотронной волны ленточного электронногопотока в энергию постоянного электрического тока в неоднородных расширяющихсямагнитных полях (более 95 %).4. Показано, что применение ленточных электронных пучков в резонаторах споперечным электрическим полем позволяет передать в пучок значительно больше энергиимикроволн в сравнении с цилиндрическими пучками.5. Получен спектр скоростей на выходе из резонатора с поперечным электрическим полем.
Спектр скоростей частиц характеризуется узкополосностью и малым разбросом скоростей.Как цилиндрические, так и ленточные пучки при заданных параметрах на выходе из резонатораможно считать моноскоростными.6. Разработана оригинальная трехмерная (3D) дискретная математическая модельленточного электронного пучка для исследования устойчивости и динамики распространенияпучка в неоднородных электрических и магнитных полях.
Впервые изучены вопросыустойчивости и деформации поперечного сечения ленточных электронных пучков сциклотронным вращением в расширяющихся аксиально- и плоско-симметричных магнитныхполях.7. Наиболее стабильным и устойчивым режимом является распространение ленточногопучка в расширяющемся аксиально-симметричном поле с цикотронным вращением.
В полетакой конфигурации можно реализовать наибольшую эффективность преобразования энергиициклотронного вращения пучка в энергию его поступательного движения (более 80%).8. Использование ленточных пучков может значительно увеличить выходную мощностьпоперечно-волновыхустройствСВЧ.Внеоднородномрасширяющемсяаксиально-симметричном магнитном поле применение лен-точных потоков позволяет реализовать сотни99киловатт выходной непрерывной мощности устройств СВЧ при приемлемых значенияхразброса продольных скоростей (до 40 %).9.
Впервые показана возможность пространственной 3D группировки электронногопотока с циклотронным вращением в неоднородных магнитных полях в отсутствие начальноймодуляции продольной скорости электронов.10. В случае аксиально-симметричных магнитных полей 3D группировка электронногопотока возникает в условиях несоосности между магнитным полем и осью циклотронноговращения электронов.
В плоско-симметричных магнитных полях в случае, когда ось вращенияпотока лежит в плоскости симметрии магнитного поля, в потоке возбуждаются только четныегармоники плотности тока.11. Принципиальное отличие представленной 3D группировки электронного потока отгруппировки при одномерном движении электронов, заключается в том, что сгущенияэлектронов при3D группировке могутне сопровождатьсяувеличением плотностипространственного заряда. Из-за того, что траектории электронов трехмерны и не совпадают сосью группирователя, сгущения электронов будут распределены по площади поперечногосечения группирователя, а не сосредоточены вблизи оси, как при «классической» одномернойгруппировке. В результате силы пространственного заряда могут существенно слабее влиять напроцесс группировки.В заключение хочу высказать слова благодарности научному руководителю ПироговуЮрию Андреевичу, а также Саввину Владимиру Леонидовичу, Коннову АлександруВикторовичу и Казарян Гоар Мартиросовне за ценные советы в процессе выполнения инаписания диссертации.Особую благодарность выражаю коллективу кафедры фотоники и физики микроволнфизического факультета МГУ за поддержку и полезные обсуждения на научных семинарах.100ЛИТЕРАТУРА1.Бугаев С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
