Разработка эффективных численных методов и программ для расчета элементов СВЧ генераторов и ускоряющих структур

• Автор: Мякишев, Дмитрий Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 184 с. : ил

Содержание
Введение
ГЛАВА 1. Расчет стационарных аксиально-симметричных электронных пушек
1.1 Формулировка задачи и физические приближения
1.2 Решение уравнения Пуассона методом конечных элементов
1.3 Выбор системы координат (Z,R214) и расчет электрического поля
1.4 Модель эмиссии
1.4.1 Модель эмиссии в случае ограничения тока пространственным зарядом
1.4.2. Модель эмиссии в сильном магнитном поле, направленном под углом к
поверхности катода
1.4.3 Модель автоэмиссии при наличии объемного заряда
1.5 Интегрирование уравнений движения в смешанной системе координат
1.6 Возможность расчета непирсовской оптики (минимизация зазора в модели
эмиссии)
1.7 Связь между величиной зазора в модели эмиссии и скоростью сходимости итераций
для самосогласованного решения
1.8 Применение программы SUPERS AM для оптимизации 100 МВт электронной пушки ВЧ-усилителя магникон на 7 ГГц
1.9 Применение программы SSAM для численного исследования краевых эффектов на
катоде электронной пушки для ВЧ усилителя магникон на 11 ГГц
1.10 Расчет высокопервеансных пушек для целей электронного охлаждения
ГЛАВА 2. Расчет азимутально-однородных колебаний в аксиально-симметричных ВЧ-резонаторах и периодических структурах
2.1. Расчет спектра азимутально-однородных колебаний
2.1.1. Формулировка задачи для азимутально-однородных мод в аксиальносимметричных резонаторах и периодических структурах
2.1.1.1. Резонаторы
2.1.1.2. Периодические структуры
2.1.1.3. Продольно-однородные волноводы
2.1.2. Решение задачи на собственные колебания методом конечных элементов
2.1.2.1. Выбор системы координат (Z, R2 /4)
2.1.2.2. Дискретизация волновых уравнений
2.1.3. Метод решения обобщенной задачи на собственные значения
2.1.4. Вторичные величины
2.1.5. Реализация программы SUPERLANS и тесты
2.2 Расчет резонатора LEB SSC, перестраиваемого в диапазоне частот 47.5-59.8 МГц
2.2.1 Введение
2.2.2 Резонатор для измерения характеристик ферритовых колец
2.2.2.1 Метод измерения магнитной добротности феррита
2.2.2.2 Измерительный резонатор
2.2.23 Процедура измерений
2.2.2.4 Обработка данных
2.2.3 Расчет характеристик тюнера
2.2.4 Расчет распределения температуры в ферритовых кольцах в тюнере

2.2.5 Оптимизация электрической прочности тюнера
2.2.5.1 Оптимизация формы галтели из эластосила для защиты углов ферритовых колец
2.2.5.2 Неоднородность намагничения ферритовых колец из-за воздушных зазоров
2.2.5.3 Усиление поля вблизи углов ферритовых колец
2.3. CLANS - модификация программы SLANS для расчета резонаторов с частичным диэлектрическим и ферромагнитным поглощающим заполнением
2.3.1 Постановка задачи и метод решения
2.3.2. Применение программы CLANS для расчета высших мод сверхпроводящего резонатора CESR
2.4. Модификация программы CLANS для решение задачи возбуждения азимутально-однородных колебаний в аксиально-симметричных ВЧ-резонаторах с потерями
2.4.1 Введение
2.4.2. Постановка задачи возбуждения для азимутально-однородных мод в аксиальносимметричных резонаторах
2.4.3. Модель пучка
2.4.4. Дискретизация волновых уравнений
2.4.5. Тестирование модуля CLANSX
2.4.6. Расчет продольного импеданса резонатора с подавлением высших мод
2.4.7. Расчет аксиально-симметричных систем с возбуждением через коаксиальную линию
2.4.8.Расчет коаксиальных нагрузок
ГЛАВА 3. Расчет мультипольных мод в аксиально-симметричных резонаторах
3.1. Введение
3.2. Формулировка задачи для мультипольных мод в аксиально-симметричных резонаторах относительно r,z компонент поля
3.3. Применение программы SLANS2 для исследования электрической прочности резонаторов развертки 7 ГГц магникона
3.4. Применение программы SLANS2 для исследования сверхразмерных волноводных окон
ГЛАВА 4. Моделирование аксиально-симметричных сеточных приборов
4.1 Формулировка задачи и физические приближения
4.2 Применение метода конечных элементов для нахождения распределения электрического поля
4.3 Модель эмиссии
4.4 Модель пучка
4.5 Моделирование взаимодействия пучка с резонатором
4.6 Моделирование ЮА
Заключение
Приложение. Генератор регулярной конечно-элементной сетки
Литература

Введение
Повышение темпа ускорения и увеличение интенсивности пучков ускоряемых частиц являются основными направлениями развития современной ускорительной техники. Решение этих задач невозможно без создания мощных и эффективных источников СВЧ мощности, совершенствования и оптимизации элементов ускоряющих СВЧ структур. В настоящее время трудно представить разработку и проектирование новых источников СВЧ мощности и ускоряющих структур без использования численного моделирования, которое позволяет значительно сократить время и материальные затраты при создании новых СВЧ устройств. Возможность численного моделирования прибора на всех стадиях проектирования - от концептуального проекта до конструкторских разработок - позволяет получить требуемые параметры приборов, близкие к оптимальным, и удовлетворить новым, все возрастающим требованиям. Поэтому разработка и совершенствование вычислительных методов для расчета элементов СВЧ устройств является актуальной задачей, так как это позволяет более эффективно решать задачи по совершенствованию и созданию новых источников СВЧ мощности и ускоряющих структур. Следует заметить, что до сих пор большинство СВЧ устройств в ускорительной технике обладают аксиальной симметрией, поэтому двумерные методы расчета таких устройств сохраняет свою важность и актуальность. Также важна и возможность расчитать прибор «от начала до конца» - от источника электронов -электронной пушки, до коллектора, включая расчет СВЧ структуры и взаимодействие электронного пучка с ней. Поэтому данная работа посвящена развитию методов и созданию программ расчета стационарных аксиальносимметричных электронных пушек и ускорительных СВЧ структур.

брюллиеновский радиус пучка изменился, стал больше, то произошло рассогласование пучка с магнитным полем и увеличение эффективного размера пучка, что привело к снижению к.п.д. прибора. Результаты расчетов приведены на рисунке 1.4, где видно что гало пучка содержит 5% тока, и биения ядра пучка значительны.
Таким образом остро встал вопрос о модификации электроннооптической системы магникона под новое ведущее магнитное поле [7]. Основной целью модификации являлось получение оптимального пучка для нового ведущего магнитного поля с минимальными переделками электронной пушки и магнитной системы. Расчеты модифицированной электронной пушки проводились с помощью программы БУРКІАМ. В расчетах сразу учитывалось влияние теплового зазора между катодом и прикатодным электродом на край пучка. Слой 8, используемый в расчетах эмиссии с катода, выбирался близким к размеру теплового зазора катод-прикатодный электрод, равного 0.35 мм. Так как расчетные размеры соответствуют "горячим" размерам пушки, то при изготовлении чертежей деталей пушки расчетные или "горячие" размеры пересчитывались в "холодные".
При модификации геометрии пушки катод и анодный электрод остались без изменений, изменилась только форма прикатодного электрода. На прикатодном электроде появилось два участка с разными углами. Угол первого ближайшего к катоду участка был выбран равен 67.5 градусов, для того чтобы убрать перефокусирующее влияние прикатодного электрода на край пучка, которое было в первоначальном варианте пушки. Угол второй части прикатодного электрода выбирался таким образом, чтобы получить требуемую компрессию пучка (рисунок 1.5).