Голеніцкій І. І., Духін Н. Г., Кущевська Т. П., Сапринская Л. А. Федеральне державне унітарне підприємство НВП «Исток» 141190, Московська область, м. Фрязіно, Вокзальна 2а, Росія Fax: (095) 46 58686; e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Анотація – Обговорюється методика моделювання ЕОС з асиметричними сітковими і колекторними електродами і локальними порушеннями поля МПФС в місцях вводу-виводу енергії ВЧ-поля. Методика заснована на використанні моделей різного рівня. Попередній розрахунок основних параметрів ЕОС проводиться за допомогою спрощених і оперативних двовимірних моделей. Вплив азимутальних неоднорідностей електричних і магнітних полів враховується на заключному етапі розробки проекту на основі тривимірних моделей ЕОС і МПФС. Наведено результати моделювання ЕОС для формування високопервеансного електронного потоку (1.3 мкА / В3/2) В прогонових каналі діаметром 2.5 мм з подальшою рекуперацією залишкової енергії електронів в двухступенчатом колекторі. Потенціали анода і ступенів колектора -12.5, 8 і 4 кВ. Амплітуда й період поля МПФС – 2800 Гс і 11.4 мм. Напруження замикання і позитивного зсуву на сітці – 250 і 180 В.

I. Вступ

Електронно-оптичні системи (ЕОС) з низьковольтним сітковим управлінням, компактними магнітними періодичними фокусирующими системами (МПФС) і багатоступінчатими колекторами-рекуператором залишкової енергії електронів широко застосовуються в багатьох ЕВП імпульсної дії, зокрема, в потужних імпульсних ЛБВ для бортових РЛС. Для проектування таких систем потрібні методи вирішення більш складних тривимірних задач електронної оптики, що дозволяють враховувати сукупність діючих на електронний потік факторів – просторової неоднорідності електричного поля сіткових електродів в прикатодной області гармати і асиметричних електродів багатоступінчастого колектора, локальних неоднорідностей поля МПФС в місцях введення і виведення ВЧ-енергії та ін У зв’язку з відомими труднощами прямого вирішення цих завдань в практиці проектування гармат з сітками використовувався спрощений метод, заснований на заміні реальної тривимірної сіткової структури еквівалентної по геометричній прозорості двовимірної кільцевої моделлю [1]. При такому підході визначалися лише попередні дані щодо параметрів гармати (розмірів і потенціалів електродів, перші-АНСА і діаметра потоку, величини керуючого напруги) і перехідною області МПФС без урахування Азім-тальних неоднорідностей електричних і магнітних полів, які суттєво впливають на якість формування електронного потоку в пролітному каналі і токопрохождения на колектор.

На основі методу комплексного розрахунку тривимірних електронно-оптичних і магнітних фокусуючих систем [2] з’явилася можливість вже в процесі проектування враховувати асиметрію полів і пов’язану з ній еволюцію формування електронного потоку.

В даній роботі описані результати моделювання ЕОС потужної імпульсної ЛБВ з низьковольтним сітковим керуванням, МПФС і двоступінчастим колектором-рекуператором на основі поетапного використання наближених і строгих тривимірних моделей.

II. Основна частина

Система формування електронного потоку потужної імпульсної ЛБВ складається з електронної гармати з тіньовою і керуючої сітками, системи фокусування потоку полем МПФС з нерегулярними областями поблизу гармати і колектора для введення і виведення ВЧ-енергії і двоступінчастого колектора (Рис.1).

Рис. 1. Електронна гармата і колектор з перехідними областями МПФС.

Fig. 1. Electron gun, collector and magnetic system

Тіньова і керуюча сітки виконані у вигляді кілець (п = 3), з’єднаних радіальними перемичками (п = 6). Другий магніт з боку гармати має велику товщину в порівнянні з регулярною областю МПФС і асиметричний виріз для введення енергії ВЧ-поля. Аналогічну форму має останній магніт з боку колектора для виведення ВЧ-енергії. Колектор виконаний зі скосом між ступенями для формування асиметричного електростатичного поля, що утрудняє вихід з колектора вторинно-емісійних електронів.

Результати розрахунку в двовимірному наближенні [2] основних параметрів гармати, електронного потоку, а також регулярної та перехідною областей МПФС наведені на Рис. 2. Гармата формує потік зі струмом (первеансом) 1.79 А (1.28 мкА / В3/2) В каналі діаметром 2.5 мм. Потенціал анода 12.5 кВ, напруга запирання 280 В, позитивне напруга на сітці 180В. Необхідні для фокусування потоку амплітуда і період поля в регулярної області МПФС – 2700 Гс і 11.4 мм. У зазначеному наближенні виконується умова повного проходження потоку на колектор.

Рис. 2. Конфігурація електродів, траєкторії електронів і розподіл поля МПФС, розраховані в двовимірному наближенні [2].

Fig. 2. Electrode configuration, electron trajectories and field distribution calculated in a 2D approximation

Подальше рішення польовий магнитостатическое завдання в тривимірній постановці [2] показало, що в двох осередках МПФС з асиметричними магнітами з’являється поперечна складова магнітного поля (Ріс.З) Максимальна її величина (100 Гс) має місце в предколлекторной області.

Рис. 3. Розподіл поперечної складової

індукції магнітного поля вздовж осі системи.

Fig. 3. Transverse magnetic flux density distribution along the system axis

траєкторний аналіз в тривимірних електричному і магнітному полях у всій області формування електронного потоку від катода до колектора (Рис.4) з урахуванням всієї сукупності збурюючих потік факторів (Радіальних перемичок тіньової і керуючої сіток, асиметрії магнітів МПФС і електродів колектора) дав можливість отримати додаткову інформацію щодо величини струму, структури потоку і токопрохождения на колектор.

З урахуванням затінення катода радіальними перемичками тіньової і керуючої сіток розрахункова величина катодного струму знизилася з 1.79 до 1.57 А, а напруга запирання – з 280 до 250 В. Внаслідок обурює дії радіальних перемичок сіток змінилася структура потоку (Мал. 5). Це в свою чергу призвело до необхідності зміни величини амплітуди перший погодився магнітів МПФС – з 1200 до 1000 Гс (перший пік), з 2000 до 2130 Гс (другий пік) і з 2700 до 2600 Гс (третій пік). Однак навіть при оптимальному узгодженні гармати із вхідними і регулярної областями МПФС токопрохождения на колектор склало 93%. Порядку 1-2% втрат обумовлені появою слабкого ореолу над радіальними перемичками, але основні втрати струму виявилися пов’язаними з возмущающим дією великий поперечної складової магнітного поля в області останнього магніту МПФС (Рис.7).

Шляхом моделювання МПФС було показано, що за допомогою відомого способу нарощування маси останньої маточини МПФС [3] можна істотно (на порядок) зменшити величину поперечної складової поля МПФС і забезпечити повне проходження потоку на колектор (Мал. 6).

I. Висновок

Запропонована методика представляється корисною для проектування широкого класу ЕОС з асиметричними сітковими електродами.

II. Література

1. Програма для моделювання осесиметричних і плоских електронно-оптичних систем. / І. І. Голеніцкій,

Т. П. Кущевська, С. А. Румянцев / / Електронна техніка. Сер.1. СВЧ-техніка. 2001. Вип.2. (478). С.65-70.

2. /. I. Golenitskij, N. G. Dukhina, Є. I. Kanevsky. A comprehensive computation of 3D optoelectronic and magnetic focusing syst. Electron. Techn., Ser.1, no.2. pp.40-46, 2003, Elec-tronica SVCH.

3. Carol L. Kory. Effects of Geometric Azimuthal Asymmetries of the PPM Stack on Electron Btam Characteristics. IVEC 2000 (Abstracts). Monterey, California, pp.11.3

Puc. 4. Комплексний розрахунок всіх вузлів ЕОС (гармати, МПФС, колектора) і електронного потоку в тривимірній постановці.

Fig. 4. Comprehensive calculation of electronic and magnetic systems in a 3D problem definition

Puc. 7. Проекції траєкторій на площину yOz (а) і розподіл щільності струму по перетину потоку

(Ь) на вихідному ділянці каналу ЕОС.

Puc. 6 Електронний потік в колекторної області. Fig. 6. Electron stream in a collector area

Рис. 5. Траєкторії електронів в просторі близько гармати (а) і в координатах rz (b). Розподіл щільності струму по перетину потоку (с).

Fig. 5. Electron trajectories in a near-gun space (a), and their graph in the rz coordinates (b). Current density distributions across a transverse stream section (c)

Fig. 7. An yOz plane projection of electron trajectories (a) and current density distributions across a transverse stream section (b) at the transit channel output

SIMULATING 3D ELECTRON-OPTICAL SYSTEMS OF MICROWAVE VACUUM DEVICES WITH SHADOW GRIDS

Golenitskiy I. I., Dukhina N. G., Kushchevskaya T. P., Saprynskaya L. A.

‘RPC Istok’ Federal State-Owned Unitary Enterprise 2a Vokzalnaya St., Fryazino,

Moscow Region, Russia, 141190 Fax: (095) 4658686; e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Abstract – A technique for simulating electron-optical systems comprising grids, collectors and magnetic systems is discussed. An operative 2D code was initially used to calculate basic parameters, following which the effects of asymmetries were investigated using 3D codes. The results of simulating electron-optical systems to shape the high-perveance (Рм~ 1. ЗЦА / У3/2) electron stream in a channel and a two-stage collector are presented.

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