Диссертация (1102877), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

1.4). Как правило, в полости резонатора располагаются две прямоугольные ламели, в узком и протяженном зазоре между которыми возбуждается поперечноевысокочастотное электрическое поле сигнала, вводимого в резонатор с помощью петли связи.Электронный поток инжектируется в резонатор через круглое отверстие в торце, проходит через зазор между ламелями и выходит из резонатора через отверстие в противоположном торце.16Отличительной особенностью данной конструкции резонатора является длительное взаимодействие поперечного электрического поля с БЦВ электронного потока. В сравнении с резонаторами клистронов, где пролетный угол электронов обычно не превышает π/2, в резонаторес ламелями пролетный угол электронов может быть равен нескольким десяткам π.Геометрические размеры резонатора и конфигурация магнитного поля выбираются таким образом, чтобы обеспечить условия циклотронного резонанса и возбуждение БЦВ в электронном потоке.

Возбуждение остальных нормальных волн в пучке можно не учитывать, таккак они далеки от условий синхронизма с полем резонатора.На выходе резонатора поперечная кинетическая энергия электронного потока имеет максимальное значение и значительно превышает величину энергии продольного движения потокав W  Pвх P0 раз за вычетом потерь в резонаторе, где Pвх – входная СВЧ мощность, P0 –начальная мощность пучка.Резонаторы типа Каччиа исследованы во многих работах, например, в [43, 44, 56]. Ограничение по уровню вводимой в электронный поток мощности связано с величиной тока пучкаI 0 и с геометрическими размерами емкостного зазора D резонатора, определяющими максимально возможное значение радиуса вращения электронов Rс ( D  2Rc ):I 0 c2 Rc2Pвх .2e m (1.20)При реально осуществимых значениях с и Rс входная мощность может достигать нескольких сотен киловатт для пучка круглого сечения.

Величина разброса продольных скоростейэлектронов на выходе из резонатора можно считать незначительной [57].§1.3. Ленточный электронный поток в магнитном полеИдея использования ленточных электронных потоков в вакуумных устройствах СВЧ выглядит привлекательной с точки зрения транспортировки пучков большой мощности при меньшей или равной плотности тока в сравнении с классическими вакуумными приборами, в которых используются цилиндрические потоки [10-32].

Высокие значения мощности могут бытьдостигнуты за счет увеличения эффективной площади электронного потока по одной из поперечных координат.Концепция устройств СВЧ с ленточными электронными пучками не нова и имеет сравнительно долгую историю. Широкое распространение идея использования ленточных пучковполучила в 50-е годы прошлого столетия при разработке клистронных усилителей и изучениивозможности повышения их выходной мощности. В ряде аналитических работ были представ17лены модельные ленточные потоки, описывающие их фокусировку и транспортировку в магнитных полях различной конфигурации [58-60]. Особое внимание в этих работах уделено различным типам неустойчивостей, возникающим при распространении ленточных потоков в каналах взаимодействия с электромагнитными полями.В отечественной литературе идея применения ленточных электронных потоков в электровакуумных устройствах впервые описана В.

Ф. Коваленко [61]. Подробный анализ ленточных электронных потоков для случая пучков бесконечной ширины приведен в монографии И.В. Алямовского [10].Рис.1.5. Ленточный электронный поток: a) пучок в канале дрейфа в волноводе с проводящимистенками, a и b – ширина и толщина пучка, w и d – ширина и толщина волновода; б) поперечное сечение пучка, E x и E y – компоненты электрического поля пространственного зарядапучка, B – внешнее магнитное поле.Ленточные электронные потоки нашли применение в ряде вакуумных устройств СВЧ,например, в лампах бегущей и обратной волны [62].

Первые приборы с применением ленточных электронных потоков не отличались высокими уровнями выходной мощностью. По большей части это были низковольтные устройства с небольшими суммарными значениями КПД итока.Основной проблемой при транспортировке ленточных электронных потоков являетсявозникновение диокотронной неустойчивости, которая проявляется под воздействием сил магнитного поля и пространственного заряда. Например, в однородном магнитном поледиокотронная неустойчивость возникает под воздействием фактора E  B (Рис. 1.5). При этомвозникает сдвиг потока между верхней и нижней половинами в сечении ленточного пучка.Профиль потока начинает изменяться.

В итоге края пучка закручиваются (Рис.1.6). При определенных условиях под действием диокотронной неустойчивости ленточный электронный потокможет разрушиться и распасться на отдельные структуры [31, 59, 60, 63-65].18Рис.1.6. Скручивание краев ленточного пучка при его распространении в канале дрейфа.ДеформацияформыпоперечногосечениявозникаетподвлияниемE x – компоненты поля пространственного заряда, резко нарастающей к краям поперечного сечения пучка (Рис. 1.6).

Согласно [27] выражение для E x – компоненты может быть записаноаналитически (Рис. 1.7):Ex  где4m 2p2 0k j  (2 j  1)  d ,jsin( k j b 2) cosh k j ( w  a) / 2k 2jcosh( k j w 2) p  (e / m 0  3 )1 2 –cos(k j y ) sinh( k j x).плазменнаячастота,(1.21)  1  vz c 2 ,v z – продольная скорость, c – скорость света в вакууме, e – зарядmэлектрона,– масса электрона,  0  e m – удельный заряд электрона,  – удельная плотность заряда, 0 – диэлектрическая проницаемость в вакууме.Рис.1.7.

Изменение E x – компоненты поля пространственного заряда при приближении к краям поперечного сечения ленточного пучка.19Длину нарастания диокотронной неустойчивости при этом задается выражениемLd vzc 2p3  vz2 B 8   z , c  jb(1.22)где c  eBz m – циклотронная частота, Bz – продольное однородное магнитное поле,j b – плотность тока пучка.Согласно (1.22) подавление диокотронной неустойчивости может быть достигнуто несколькими путями.

Во-первых, применением электронных потоков высокой мощности (релятивистские потоки с большим значением  ) или низкой плотности jb , что позволит снизить действие сил пространственного заряда. Во-вторых, увеличением значения напряженности продольного магнитного поля Bz . Использование данных способов подавления неустойчивостипродемонстрировано в ряде экспериментальных работ [28, 31, 66, 67]. Среди других методовустранения неустойчивости в однородном поле выделим применение близкорасположенных кпучку проводящих стенок волновода, вдоль которых движется поток [63].

При этом возникаютзеркальные заряды и токи, способствующие устойчивости электронного потока. Также вместопрямоугольных пучков целесообразнее использование пучков не прямоугольного, а эллипсоидального сечения [31]. При этом краевые эффекты оказываются не столь выраженными.Альтернативным методом устранения диокотронной неустойчивости является применение периодических магнитных полей [63]. Поля подобной конфигурации рассмотрены в рядетеоретических и экспериментальных работ [42, 63], подтвердивших перспективность их применения, в частности, в компактных устройствах СВЧ [39, 42].До недавнего времени существенно трехмерная структура ленточного пучка не позволяла разработать его адекватную аналитическую модель.

В первых работах по ленточным пучкамприменялись довольно упрощенные аналитические модели: пучки бесконечной ширины, бесконечно тонкие пучки, нерелятивистские и моноэнергетические пучки и .п. Эти модели не могли достаточно полно и точно отразить характер распространения ленточных потоков в электромагнитных полях. Постепенно интерес к тематике ленточных потоков падал, и долгое времяих применение ограничивалось СВЧ приборами малой мощности. Благодаря возможности получить довольно точный аналитический расчет для случая цилиндрического или трубчатого потоков, именно они получили распространение и начали использоваться в широком классе СВЧприборов.Тем не менее, со временем возрастали требования к мощности электронных потоков.

Всвязи с этим в отечественной вакуумной электротехнике развитие получили многолучевыеустройства СВЧ [5-9], в которых осуществлялась одновременная фокусировка и транспорти20ровка множества пучков круглого сечения. Однако при продвижении рабочей полосы приборовСВЧ в область высоких частот (30 ГГц – 300 ГГц и выше) становилось все труднее протянутьцилиндрические пучки вдоль продольной оси устройства ввиду существенного уменьшениягеометрических размеров каналов дрейфа.Продвижение в область высоких частот, а также развитие численных методов моделирования динамики электронных потоков и, главным образом, существенный прорыв в производительности современных компьютеров вновь привели к идее использования ленточных пучков сцелью повышения мощности устройств СВЧ.Рис.1.8. ЛБВ (а) и клистрон (б) с ленточным электронным пучком(проекты Naval Research Laboratory, США).В последнее десятилетие наблюдается существенный рост публикаций по тематике ленточных пучков.

Вектор исследований большинства статей направлен на изучение ленточныхпучков в однородном магнитном поле [27, 28, 30, 31]. Здесь получены наиболее существенныерезультаты. Особое внимание следует обратить на изготовленные в Naval Research Laboratory(США) образцы устройств с ленточными электронными пучками – трехрезонаторный клистронный усилитель в диапазоне частот 94 ГГц с выходной мощностью 7,5 кВт [28] (Рис. 1.8.а)и ЛБВ в диапазоне частот 34 ГГц с выходной мощностью более 10 кВт в полосе частот 5 ГГц[30] (Рис. 1.8.б).Изучению транспортировки пучков в периодических магнитных полях также отводитсядолжное внимание, но все же отмечается, что на практике периодические поля менее эффективны, чем однородные, так как пучок в периодическом магнитном поле подвержен пробоям и21сильно восприимчив к механическим смещениям [31].

Кроме того, периодическое магнитноеполе обладает меньшей средней напряженностью в сравнении с однородным. Среди публикаций следует отметить [68], в которой рассказывается о клистроне с ленточным пучком, созданном для стэнфордского ускорителя. Выходная импульсная мощность в Х-диапазоне составила2,6 МВт, средняя мощность – 20 кВт при напряжении 73 кВ.Проведенный анализ показал, что режимы распространения ленточных электронных потоков в однородных магнитных полях могут обладать хорошей устойчивостью.

Ключевым объектом исследования диссертации являются электронные пучки с циклотронным вращением.Поведение ленточных электронных пучков с циклотронным вращением при транспортировкекак вдоль однородных, так и неоднородных (аксиально- и плоско-симметричных) магнитныхполей до сих пор оставался практически не изученным. При этом особенно важным был вопросо предельно допустимых значениях тока и первеанса ленточного электронного пучка. Изучению ленточного электронного потока в неоднородных расширяющихся аксиально- и плоскосимметричных магнитных полях посвящена одна из глав диссертации.§1.4.

Характеристики

Список файлов диссертации