Глумова М. В., Терещенко В. Ю.

Таврійський національний університет ім. В. І. Вернадського пр. Вернадського, 4, Сімферополь – 95007, Україна Тел.: (80652) 230360; e-mail: gmv@tnu.crimea.ua Мітроченко В. В.

Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», вул. Академічна, 1, Харків, 61108, Україна Тел.: (80572) 356286; e-mail: mitvic@kipt.kharkov.ua

Анотація – Розроблено чисельну модель високочастотного електронної гармати. Наведено система рівнянь моделі, її чисельна реалізація, приклади розрахунків окремих режимів роботи досліджуваного пристрою.

I. Вступ

Одне із сучасних напрямків розвитку генераторів електромагнітних коливань засноване на використанні релятивістських електронних пучків. Базовим елементом таких пристроїв є прискорювач електронів, в якості якого часто використовують резонансний лінійний прискорювач. Найбільш якісні пучки дозволяють отримати інжекторні системи на основі високочастотних (ВЧ) гармат.

II. Основна частина

ВЧ – гармата циліндричний надвисокочастотних (НВЧ) резонатор, в якому порушується вид коливань, що має подовжню компоненту електричного поля на осі (наприклад, Еою), налаштований на частоту прискорювача. На одній з торцевих кришок резонатора поміщають катод, емітуються поверхня якого знаходиться в високочастотному полі з напруженістю в сотні кіловольт на сантиметр. Пучок на виході ВЧ – Гармати являє собою послідовність електронних згустків з енергією частинок 105 – 106еВ і малими радіальними і кутовими розмірами. Для гармат з термоемісійним катодом [1, 3] типова тривалість імпульсу струму складає 1.5 – 10 мкс, а їх амплітуда – 0.5 –

1. 5 А. При застосуванні Ва – Ni катода діаметром 5 мм двухрезонаторная універсальна ВЧ – гармата [2] забезпечує інжекції в прискорює секцію пучка з характеристиками: енергія частинок 700 – 900 кеВ, імпульсний струм 1.5 А, тривалість згустку близько 50 пс, тривалість імпульсу струму – 0.7-1.5 мкс.

У зв’язку з цим, було доцільним розробити чисельну модель високочастотного електронної гармати з використанням методу макрочасток для вивчення різних режимів роботи та уточнення емісійних характеристик приладу. Це передбачало рішення системи рівнянь, руху макрочасток, що знаходяться під дією створюваних ними полів просторового заряду, електростатичного та НВЧ – полів, створюваного в системі резонаторів зовнішнім джерелом [7,8].

Геометрія розрахункової області представлена ​​на рис.1. На малюнку введені наступні позначення: К – катод,, Rk = 0,6 см – радіус катодного вузла, Ra =

0, 8 см – радіус вихідного каналу, L1 = 7,9 см – довжина пролітної області, L2 = 1,5 см – довжина першого резонатора, L3 = 2,5 см – довжина другого резонатора .

Чисельне моделювання високочастотної електронної гармати включало рішення системи рівнянь Максвелла для визначення високочас-

Рис. 1. Геометрія досліджуваного пристрою Fig. 1. The geometry of device under consideration

тотних полів в досліджуваній області, рішення рівняння Пуассона для визначення електростатичних полів і полів просторового заряду [8], розв’язок системи релятивістських рівнянь руху [8], відтворення процесів емісії з використанням методів статистичного моделювання. Число емітованих частинок мало як равновероятно розподіл, так і визначалося за допомогою розподілу Пуассона з середнім значенням струму, обчислюваним з використанням закону Річардсона – Дешмана для термоемісійних катодів з урахуванням ефекту Шотткі.

При обчислювальної реалізації моделі використовувався метод макрочасток [8]. При вирішенні рівнянь використовувалися чисельні методи: для рішення рівняння Пуассона – метод швидкого перетворення Фур’є з рішенням системи рівнянь методом прогонки; для рішення системи рівнянь руху – поєднання екстраполяційних формул Адамса для швидкості і статечних рядів для координат; для розрахунку СВЧ поля застосовувалася програма Superfish. Для чисельної реалізації використовувався мова програмування C + +. Для написання графічного інтерфейсу використовувалася візуальна середа розробки Borland C + + Builder.

Результати роботи розробленої моделі при дослідженні режимів роботи ВЧ – гармати, проілюстровані на рис. 2-4.

При незмінному рівні потужності, що підводиться амплітуда просторової гармоніки з номером у залежить від номера виду коливань і конфігурації резонатора (практично – від кількості резонаторів).

При фіксованому значенні індукції магнітного поля в гіпотетичній ситуації, що припускає автономне збудження робочого і конкуруючого видів коливань, амплітуда робочої гармоніки на радіусі анода перевершує амплітуду конкуруючої. При видаленні від анода до катода амплітуда робочої гармоніки зменшується з більшою швидкістю. В не тт-видному магнетроні при збільшенні індукції магнітного поля співвідношення між робочою і конкуруючої гармоніками в модулирующем шарі змінюється на користь останньої. В такому магнетроні видалення робочої точки від критичного режиму значно менше, ніж у ж-видному магнетроні, що призводить до зміни виду коливань [5]. Верхня межа області існування робочого виду описується рівнянням:

г, – радіус катода; (О “- циклотронна частота.

з

У тт-видному магнетроні значне видалення робочої точки від параболи критичного режиму досягається завдяки перевазі робочої гармоніки над конкуруючої, що існує спочатку за рахунок збігу значень ^ для m = О і

Ш – \. В не тт-видному магнетроні єдиною можливістю підвищення конкурентоспроможності робочого виду є збільшення втрат на вигляді-конкуренті. Очевидні два шляхи: зменшення частки конкуруючої гармоніки в сумарному полі виду-конкурента шляхом введення в резонаторних систему керуючих неоднорідностей або застосування коливальної системи з селективним збільшенням дисипативних втрат і (або) втрат випромінювання для виду-конкурента.

В не тт-видних магнетронах з керуючою неоднорідністю, які працюють на менш навантаженої складової дублету, при виборі величини і розташування керуючих неоднорідностей в якості критерію розглядався тільки рівень зв’язку конкуруючих структур високочастотного поля з зовнішнім навантаженням. При цьому має місце можливість одночасного «руйнування» спектра просторових гармонік високочастотного поля менш навантаженої складової дублету. При роботі на навантаженої складової дублету керуючі неоднорідності – це основний спосіб придушення конкурентів і, в першу чергу, другий, не пов’язаної із зовнішнім навантаженням складової робочого дублету. Його реалізація можлива лише при виконанні умови

де: i – номер резонатора з неоднорідністю, і – будь непарне число.

Єдиний критерій правильного вибору величини та місця розташування керуючих неоднорідностей – ступінь «руйнування» спектра просторових гармонік конкуруючих структур високочастотного поля в просторі взаємодії. В даний час завдання вирішене для двох випадків: 1) однієї неоднорідності, 2) декількох неоднорідностей, рівномірно розподілених по периметру ре-зонаторной системи. Експериментальні результати свідчать на користь системи з розташуванням двох (максимум трьох) неоднорідностей в межах сектора з кутом менше 180 °. Найбільша свобода у виборі взаємного розташування неоднорідностей, як випливає з (7), має місце при роботі на коливаннях виду N / 4 Але для виду коливань N / 4 має перевагу перехід до разнорезонаторной системі, що складається з довгохвильових лопаткових і короткохвильових щілинних резонаторів [6]. Для такої системи практично відсутній обмеження у виборі верхньої межі області існування робочого виду, обумовлене міжвидовий конкуренцією і стримуючий зростання електронного ККД.

I. Список літератури

[1] Z. Frankel. IRE Trans, on Electron Devices. Vol. ED-4, № 1. P.271. 1957

[2] Т. E. Ruden, G. E. Dombrovski,, D. Hobbs, G. Boles. Low-field Magnetrons Study. / / Proceedings of the First-International Workshop on Crossed-Field Devices. – 1995. Ann Arbor, Michigan, USA. – p. 66-77.

[3] Крупаткін І. Г. Визначення меж областей існування видів коливань в магнетронах, що працюють на мінус першому просторової гармоніці. Електронна техніка. Сер.1. Електроніка СВЧ, 1974, № 2, с.11-16.

[4] Шифер Е. Д. Розрахунок багаторезонаторних магнетронів.

М.: МЕІ. 1966.

[5] Гурко А. А. Розрахунок області існування дублетних видів коливань ». «Радіофізика і електроніка», 1999, т. 4, № 3, с.42-44.

[6] Гурко А. А. Оцінка можливості підвищення ККД магнетронів міліметрового діапазону з використанням не тт-видних коливань. Радіофізика і радіоастрономія, 2000, т. 5, № 1, с.80-83.

SELECTING AND CALCULATING OSCILLATING SYSTEM FORA NON-tt-MODE MAGNETRON

Gurko A. A.

‘Pluton’ Joint Stock Company 11 N. Syromyatnicheskaya St., Moscow, 105120, Russia

phone: +7 (095) 9168757, fax: +7 (095) 9161920

Abstract – An advanced technique for calculating oscillatory system parameters of mm-wave magnetrons utilizing поп-тт-mode oscillations is discussed.

I.  Introduction

At present no pulsed тт-mode magnetrons are available yet for wavelengths below 3mm. Since the late 1950s in the former USSR along with a scaled simulation technique a novel way of designing magnetrons has been applied and developed at ‘Pluton’ Design Office in manufacturing mm-wave magnetrons. This unconventional technique of designing mm-wave magnetrons was suggested and elaborated at the Kharkiv IRE, National Academy of Sciences of Ukraine. The mechanism of magnetron interaction was based on the way of synchronizing an electron stream with a lower spatial harmonic of one of degenerate oscillation modes at their anode equiresonator system (the so-called ‘Kharkiv’ operating mode of magnetrons). To confirm the validity of this approach, a parametric range of unique low-voltage con- tinuous-operation mm-wave magnetrons was mass-produced at ‘Pluton’ in the 1960s. In 1984 the industrial design of a unique pulsed 2mm-wave magnetron was developed, which still remains the only device of its kind in the world. Continuous magnetrons have found applications in pumping quantum paramagnetic and parametric amplifiers.

II.  Main part

It has been known from the experience accumulated during the design of non-TT-mode magnetrons that Q0 increases with smaller numbers n of oscillation modes. It has to do with the growing energy stored in the interaction space and end-face cavities made in the form of circular below-cutoff waveguides to decrease radiation losses.

Estimated magnitude of dissipative losses of a resonator system subject to equal amplitudes Eys(ra) of synchronous harmonics at the interaction space boundary shows it to increase with smaller n [5]. An increase in intrinsic losses of the resonator system at a constant input power input and constant exterior load results in a decreasing high-frequency field at the interaction space boundary. In actual practice, for non-TT-mode magnetrons a growing high-frequency voltage at the resonator input produces an increased electronic efficiency. The value r|e will be considered to be proportionate to the intensity of a high- frequency electric field of a synchronous harmonic [6].

In a non-TT-mode magnetron the only way to increase competitiveness for an operating harmonic is to increase losses in a competing harmonic. Two approaches are obvious: decreasing the portion of the competing harmonic in a composite field of the competitor mode by introducing driving inhomogeneities into the resonator system or implementing an oscillating system with a selective increase of dissipative losses and/or radiation losses in the competitor mode.

III.  Conclusion

In non-TT-mode driving-inhomogeneity magnetrons utilizing the less loaded component of a doublet, the choice of the values and arrangements of driving inhomogeneities was motivated only by the level of coupling between the competing structures of a high-frequency field and an external load.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»