Исследование и разработка мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов с расширенной полосой усиления

• Автор: Евдокимов, Юрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Глава 1. Мощные широкополосные ЛБВ на цепочках связанных резонаторов сантиметрового диапазона (обзор литературы)

1.1. ЛБВ в структуре СВЧ приборов

1.2. Конструкции и принцип действия ЛБВ. Достигнутые уровни параметров

1.3. Основные типы излучений заряженных частиц

1.4. Теоретические подходы к анализу взаимодействия потока и поля

в электронных приборах

1.4.1. Метод эквивалентных схем

1.4.2. Модели электронного потока

1.5. Краткий обзор программ для разработки ЛБВ

1.6. Методы расширения полосы рабочих частот ЛБВ

Глава 2. Методы анализа усиления в мощных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов

2.1. Эквивалентное описание резонансных замедляющих систем
и электронного потока
2.2. Матричный и волновой методы анализа усиления
в мощных однолучевых ЛБВ
2.3. Двулучевое взаимодействие электронных потоков
с полями замедляющей системы [113-116]
2.3.1. Основные уравнения продольного непрерывного взаимодействия электронных потоков в гладкой трубе дрейфа
2.3.2. Основные уравнения продольного взаимодействия
электронных потоков с полями резонансных замедляющих систем
2.4. Дисперсионные характеристики однолучевого электронного потока
и замедляющей системы
2.5. Исследование влияния электронной нагрузки
на параметры связной системы
2.6. Взаимодействие волн потока и поля
в резонансных системах с учетом затуханием
2.7. Исследование взаимодействия в связанной системе
при изменении параметров пучка
2.8. Исследование усиления однолучевой
односекционной ЛБВ 10-см диапазона

2.9. Исследование усиления однолучевой трехсекционной ЛБВ 3-см диапазона
2.10. Исследование усиления в двулучевой односекционной ЛБВ
на цепочке связанных резонаторов
2.11. Расчет усиления в двулучевой секционированной ЛБВ
на цепочках связанных резонаторов
Глава 3. Разработка электродинамической системы ЛБВ
3.1. Выбор и описание замедляющей системы
на цепочке связанных резонаторов
3.2. Принципы построения замедляющих систем мощных ЛБВ
3.3. Решение задачи широкополосного согласования
электродинамической системы
3.4. Разработка замедляющей системы для трехсекционной ЛБВ
3.5. Экспериментальные исследования по повышению
эффективности работы секционированной ЛБВ
3.6. Разработка волноводных ввода и вывода энергии
3.7. Конструирование электродинамических систем
для мощных широкополосных ЛБВ сантиметрового диапазона
Глава 4. Разработка электроннооптических систем ЛБВ
4.1. Разработка инжектора электронов для мощной
широкополосной ЛБВ 10 см диапазона [118]
4.2. Конструкции электронных пушек.
Особенности построения сборочных и измерительных устройств [119]
4.3. Выбор конструкции катодно-подогревательного узла
г 4.4. Исследование полей магнитной периодической фокусирующей системы
4.5. Расчёты и конструирование коллекторных систем
4.6. Проектирование двухкатодных пушек и формирование двулучевого пучка.
Глава 5. Особенности конструкции и технологии изготовления ЛБВ
5.1. Конструкторско-технологические особенности изготовления узлов
5.2. Особенности технологических процессов течеискания,
вакуумно-термической обработки и высоковольтной тренировки
5.3. Системы охлаждения ЛБВ сантиметрового диапазона
Заключение
Литература
Приложения

Актуальность работы. В настоящее время мощные источники микроволнового излучения являются неотъемлемой частью арсенала средств современной науки и техники. Они находят применение в системах связи, радиолокации, радиоастрономии, медицине, а также интенсивно используются в ряде физических направлений: управляемом термоядерном синтезе, возбуждении химических и газовых лазеров, взаимодействии электронных потоков с газом и плазмой.
Основными проблемами мощной электроники являются: повышение уровня выходной мощности, рабочей частоты и длительности импульса, а также повышение эффективности работы в широком частотном диапазоне. Для достижения высоких уровней перечисленных параметров наибольшее распространение получили электронные приборы, основанные на длительном продольном взаимодействии потока электронов с резонансной замедляющей структурой. Примерами таких устройств являются многорезонаторные пролетные клистроны и лампы бегущей волны (ЛБВ) на резонансных замедляющих системах. Расширение полосы усиления этих приборов до 10% и выше стало особенно важно в последние годы в связи с необходимостью решения задач, связанных с передачей информации и решением энергетических проблем. Эффективность преобразования доступной электрической энергии в мощное микроволновое излучение зависит от качества формирования электронных потоков и условий их взаимодействия с электромагнитными полями волноведущих систем приборов.
Значительные успехи, достигнутые в области микроволновой электроники средней и большой мощности, являются следствием теоретических и экспериментальных исследований, проводимых на протяжении многих лет. Этим достижениям, в частности, способствовали использование метода крупных частиц, электродинамического описания взаимодействия на основе разделения вихревых и кулоновских полей, анализа явлений в устройствах при больших электронных нагрузках, работающих в середине и у границ полосы прозрачности электродинамической системы. Созданы методы моделирования задач электроники, электростатики и магнитостатики, электродинамики. Созданы узлы и системы, позволяющие получать комплекс выходных параметров приборов, работающих при воздействии различных внешних дестабилизирующих факторов.
Экспериментальные успехи в создании приборов во многом определяются тщательностью их теоретической проработки. Волновые и колебательные

Задачей моделирования замедляющей системы ЛБВ являлся подбор дисперсионных характеристик секций, позволяющих вводить, усиливать и выводить сигналы в максимально широкой полосе частот, обеспечив усиление сигнала более 40дБ в полосе частот до 10%. В результате моделирования были получены дисперсии секций с характеристиками «+1» гармоники, представленными на рис.2.18, которым соответствовали геометрические размеры резонаторов, представленные в табл.2.2.
Таблица 2.2.
№ секции Название секции Полоса частот пропускания, % Перепад замедления, % от тт-вида Период, см Угол щели связи Кол-во резонаторов
1 входная 23 53 0,49 90'
2 промежут. 18 59 0,45 85'
3 выходная 25 45 0,5 96'
Наиболее пологая и широкополосная выходная секция обеспечивала усиление и вывод сигнала во всей рабочей полосе частот, тогда как более крутые и узкополосные входная и промежуточная секции осуществляют модуляцию и предварительное усиление преимущественно в своих частотных областях. Замедление, соответствующее тт-видам колебаний во всех секциях, имело одинаковую величину сЛ/ф=3,2. При этом значении фазовой скорости синхронизм с пучком наступает при напряжении 24,9 кВ (здесь параметр плазменной частоты Шц/ш =0.002, коэффициент электронного взаимодействия М=0).
Рассмотрим решение дисперсионного уравнения для 3-х секционной ЛБВ, при значениях параметров пучка: плазменной частоты шч/ш=0.2, рабочем ускоряющем напряжении ио= 17.5 кВ, токе катода 2.4 А. Параметры секций приведены в табл. 2.2. Связь между резонаторами осуществляется через одну щель связи, развернутых на 180°. Пролетный канал диаметром 0,28 см заполнен пучком на 50%.
На рисунке 2.19 показан результат наложения фазовых портретов и параметров затухания - нарастания, рассчитанный для каждой секции в отдельности. Линии дисперсии пучка при выбранных параметрах образуют медленную и быструю волны пространственного заряда. Фазовые сдвиги волн в этих точках равны углам пролета электронов, соответствующих ускоряющим напряжениям 16,7кВ и 18.6 кВ.
Поскольку возникает активная связь (с передачей энергии) гармоники поля замедляющей системы с медленной волной пространственного заряда,