Колосов С. В., Лавренов А. А. Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки вул. П. Бровки, 6, Мінськ – 220027, Білорусь Тел.: (375-17) 239-89-95, е-mail: kolosov@gw.bsuir.unibel.by

Анотація – Проведено дослідження впливу полів просторового заряду на процеси в гіротоне з двухмодовим і двухвідовим режимом роботи.

I. Вступ

В гіротронах [1] здійснюється взаємодія сліралізованного електронного потоку з не уповільненими хвилями Н типу. В таких приладах відбувається поперечна фазова угруповання електронів з урахуванням релятивістської Залежно маси електронів від їх швидкості і відбір поперечної енергії у згрупованого електронного потоку. Це відбувається в режимі гірорезонанса, коли частота обертання електронів на ларморовской орбіті майже збігається з частотою робочої хвилі в хвилеводі.

В гіротонах [2, 3] на вході є прямолінійний релятивістський електронний потік, що направляється по осі приладу. Надалі він відхиляється від осі поперечної магнітної складової ВЧ хвилі Е-11 і поздовжня електрична складова цієї хвилі відбирає подовжню енергію від електронного потоку. Тут не відбувається групування електронного потоку, а синхронізм досягається завдяки наявності сповільненій хвилі Ець в гофрованому хвилеводі при невисокому значенні магнітостатіческого поля.

В роботі розглядається питання проектування комбінованих ЛБВ, в яких електронних потік відповідає високоорбітним гіротронам, а все інше – гіротонам. У такому приладі очікується одночасний відбір як поперечної, так і поздовжньої енергії від електронного потоку.

II. Результати розрахунків

Рівняння порушення нерегулярного круглого хвилеводу електронним потоком і рівняння руху електронів в довільних електромагнітних полях були отримані раніше і наведені в [4, 5]. Профіль хвилеводу визначався такою формулою:

Тут до0= 2лJX, z = k0Z, l = koL, L – загальна довжина робочої області, Z – поточна поздовжня координата, gi – параметр нижнього рівня профілю хвилеводу, д2 – Початкова глибина гофра, д3 – Початкове число зубців гофра, gvi – Параметри зміни глибини гофра, gpj – Параметри зміни кроку гофра.

Параметри електронного потоку були наступними. Повна швидкість електронного потоку Po = v / c = 0.767, пинч фактор q = Vt/Vz= 0.54, ток 10= 193 А. Електронний потік на вході в робочу область задавався у вигляді обертового навколо осі циліндричного потоку електронів з розбивкою по початковій фазі влітаючи (Ne= 16) і початкового часу (Nt= 8). Всього в розрахунках враховувалося 128 електронних траєкторій. Це дозволило врахувати як гіротрон-ний (поперечний), так і гіротонний (поздовжній) механізм взаємодії електронного потоку з обертовими Ець і НЦ типами хвиль в гофрованому хвилеводі.

Оптимізація профілю регулярного гофрованого хвилеводу, вхідний потужності і значення магнітостатіческого поля дозволила досягти електронного ККД -38% (звичайна гіро-ЛБВ мала б ККД тільки 28%). Оптимальні параметри прийняли такі значення: параметри хвилеводу – gi = 4.29, g2=1.14, g3= 50, значення нормованого магнітостатіческого поля – F = H / Hsynch= 0.3, нормована вхідна потужність хвилі Е-11 – К| П= Р| П/ 1Уо = 0.005, довжина ЛБВ в радіанах – 1 = 63. Інтегральні характеристики такої ЛБВ наведені на рис. 1.

Рис. I.Fig. 1

В даному приладі на вхід робочої області надходить тонкий, що обертається навколо осі рав-ноперемешанний по початковій фазі електронний потік. Надалі при взаємодії з біжать хвилями Н-11 і Е-11 він групується по фазі і віддає як поперечну, так і подовжню енергію. Тому тут не можна застосувати теорію полів просторового заряду, де була б врахована-яка симетрія, наприклад, при розрахунку полів просторового заряду в звичайних гіротронах [5]. Доводиться весь електронний потік розбивати на великі частки і прямо застосовувати тривимірну теорію полів просторового заряду в круглому хвилеводі. Для розрахунку полів просторового заряду використовувалася функція Гріна для електрона в круглому хвилеводі. З її допомогою Будувалися три чотиривимірні таблиці нормованих напруженостей електричних полів по трьох координатах. Рівняння руху електронів в електромагнітних полях (див. [4]) записані з незалежною змінною Z. Для розрахунку ж впливу полів просторового заряду необхідно, що б всі електрони, що впливають на даний, мали б поточний час рівне часу, який має електрон точки спостереження. Тому для кожного електрона необхідно перераховувати місце положення всіх інших з урахуванням різниці в часі між часом електрона точки спостереження і часом електрона точки джерела. Цей перерахунок виконувався за спрощеними рівнянь, що враховують тільки вплив магнітостатіческого поля. Крім того, для кожного електрона точки спостереження враховувався вплив електронів, які випереджали його за часом на період ВЧ поля і відставали теж на цей же період. В результаті враховувалося вплив просторового заряду на кожен електрон з боку 2 (N-1) електронів, де N повне число електронних траєкторій. Електронний потік в даній задачі розбивався на Ne електронів в одному кільці по фазі з одним зволікаємо і Nt електронних кілець з різним часом від 0 до 2к. В розрахунках покладалося N = Ne* Nt=16*16=256.

Результати розрахунку попереднього варіанту ЛБВ з урахуванням впливу полів просторового заряду наведено на рис. 2.

Рис. 2. Fig. 2

Як і слід було очікувати, виходячи з впливу полів просторового заряду в звичайних гіротронах, поля просторового заряду і для даної конструкції ЛБВ призводять до прискорення процесів угруповання електронів в фазові згустки (порівняймо криву F1 – функцію угруповання на рис. 1 і 2) і одночасно дещо збільшується динамічний швидкісний розкид електронів (стм), Який обмежує зростання ККД приладу. Оптимізація профілю гофра хвилеводу і розподілу магнітостатіческого поля призвело до підвищення ККД до 78%.

III. Висновок

Запропонований у статті новий механізм двухмодового і двухвідового взаємодії спіралізуются-ного електронного потоку з хвилями НЦ в ЄЦ в гофрованому хвилеводі дозволяє отримати істотно більш високий ККД у порівнянні з традиційним гірорезонансним механізмом.

Оптимальні варіанти ЛБВ на такому механізмі можуть забезпечувати КПБ більше 70%.

Хоча на виході приладу присутні одночасно дві хвилі можна завжди розрахувати трансформатор типів хвиль так, що на його виході буде бігти тільки одна хвиля.

Вплив полів просторового заряду якісно відповідає його впливу в звичайних гіроре-зонансних приладах, тобто прискорюється угруповання електронів або підвищується коефіцієнт посилення і збільшується швидкісний динамічний розкид електронів, що обмежує зростання ККД.

VI. Список літератури

[1] Flyagin V. A., Gaponov А. V., Petelin М. /., Yulpatov V. К.

The Gyrotron // IEEE, Trans. MTT, 1977, pp. 2868-2877.

[2] Колосов С. В., Кураєв А. А / / Радіотехніка та електроніка, 1973, XVII, № 12, С. 2558-2566.

[3] Kuraev A. A., Sinitsyn А. К., Slepyan A. Ya. Gyroton / /

Int.J.Electronics. 1996, v. 80, № 4, pp. 603-610.

[4] Кураєв А. А. Теорія і оптимізація електронних приладів НВЧ / / Мінськ, Наука і техніка, 1979.

[5] Колосов С. В, Кураєв А. А. / / ЕВіЕС, 1998, т. 3,

№ 2, С. 35-44.

INFLUENCE OF THE SPACE CHARGE FIELDS IN TRAVELLING WAVE GYROTONS

Kolosov S. V., Kurayev A. A., LavrenovA. A.

Belarus State University of Informatics and Radioelectronics

6,     P. Brovki St., Minsk – 220027, Belarus E-mail: kolosov@gw.bsuir.unibel.by

Abstract – Study of a new combined “gyroresonance-gyrotons» type of interaction for large orbit helical electron beam with rotating wave modes ЄЦ and НЦ in circular corrugated waveguide is carried out. Results of the study have shown, that creation of the highly effective TWT with efficiency ~ 78 % is possible. The estimation of space charge fields influence on processes in such device is given.

I.  Introduction

The principle of work TWT with double modes and double kinds operations is given in [1]. In this article the research of frequency properties of such TWT, influence on processes of initial angular speeds of electrons and space charge fields is carried out.

II.     The account of influence of space charge field

In the considered TWT rotating around of an axis and mix on an initial phase the electronic beam is on an entrance of working area. Further, at interaction with traveling waves НЦ and ЄЦ, the electronic beam is bunched at a phase, it gives back both cross and longitudinal energy. Thus it completely scattered on a phase and along longitudinal coordinate. Therefore it is impossible to apply the theory of space charge fields (SCF) here, and any symmetry would be taken into account, for example, at account of space charge fields in usual gyrotrons

[2]   . In this case it is necessary to break all electronic beam into large particles and directly to apply the three-dimensional theory of SCF in round waveguide. At the application of this theory we receive 3 tables with 4 measurements everyone – on radius of a source and on three coordinates of an observation point for field intensities Ex, Eyand Ez. The equations of electron movement in electromagnetic fields [3] are written with independent of longitudinal Z coordinate. For account of influence of SCF it would be necessary that all electrons, influencing on given, would have the current time equal to time which has electron of an observation point. Therefore for everyone electrons it is necessary to recalculate a place of all others with account of a difference on time between electron time of an observation point and electron time of a source point. This recalculation was carried out on the simplified equations, which are taking into account only influence of a magnetostatic field. Furthermore, for each electron of observation point was considered the influence of the electrons, which anticipated it on the time for the period of HF field and lagged also for the same period. As a result, the influence of a SCF on everyone electron was taken into account from 2 (N-1) electrons, where N is complete number of electron trajectories. In accounts N was set N = Ne* Nt=16*16=256.

III.  Conclusion

The account with SCF has shown, that the efficiency decreases up to 2 % in comparison without SCF, but factor of amplification is simultaneously increased in 3 times. The same influence of a spatial charge was observed also in ordinary gyrotrons [3]. The process of electrons bunching was accelerated too, but the dynamic spread of electron velocities was increased. Optimization of TWT on the profile of waveguide and magnetostatic field made it possible to raise efficiency to 78%.

Анотація – Проведено теоретичне дослідження нелінійних режимів генерації в коаксіальної гіро-ЛОВ.

I. Вступ

Гіро-ЛОВ є ВЧ-генератором великої потужності в діапазоні см і мм довжин хвиль, в якому використовується взаємодія електронного пучка із зворотного хвилею, порушуємо в хвилеводі на нормальному ефекті Доплера. Дослідження нелінійного режиму генерації ВЧ-коливань гіро-ЛОВ для круглого хвилеводу представлені в [1, 2].

У роботі розглянуто коаксіальний гіро-ЛОВ генератор. Вибір коаксіального хвилеводу пов’язаний з тим, що граничний струм вище в порівнянні з іншими типами хвилеводів. Крім того, останнім часом з’явилися чисельні та експериментальні дослідження для коаксіальних гіротронов [3], що показують додаткову можливість збільшення ККД.

II. Основна частина

Розглянемо коаксіальний хвилевід, утворений двома співвісними циліндрами довжини L і радіусами а і b (а> Ь). На вхід z = 0 інжектується кільцевої електронний моноенергетичні пучок з початковою функцією розподілу

Доповнимо рівняння (1) – (5) граничними і початковим умовами для пучка і амплітуди возбуждаемой хвилі

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