Еремка В Д, Копоть М А, Кулагін О П

Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Академіка Проскури, 12, м Харків, 61085, Україна e-mail: yeryomka@irekharkov ua Науменко В Д

Інститут радіоастрономії НАН України вул Червонопрапорна, 4, м Харків, 61002, Україна e-mail: naumenko@riankharkov ua

I                                       Введення

Двовимірна математична модель (2-D модель), яка розглядає в самоузгодженої постановці фізичні процеси в магнетронах міліметрового діапазону хвиль (МДВ) з холодним вторічноеміссіонним, що працюють на просторової гармоніці коливань не 7Г – виду, дозволяє вивчати як динаміку встановлення автоколивань, так і режими стаціонарних коливань [1]-Однак 2-D модель не враховує кінцівку осьової довжини простору взаємодії таких магнетронів Здійснюється розробка тривимірної моделі (3-D моделі) багаторезонаторних магнетронов [2-5]

Рис 1 Схематичне зображення расположеніяхолодного катода і бічного термоелектронногокатода в магнетроні МДВ: 1 – бічний термокатодом 2 – анод 3 – «холодні» вторічноеміссіонного катод 4 – екран

Fig 1 Schematic view of Μ MW cold SEC magnetron operating on a drift-orbital resonance: 1 – side-cut thermionic cathode 2 – anode 3 – cold SEC 4 – screen

Розроблено тривимірна математична модель магнетронов з холодним ВЕК, яка враховує кінцівку осьової довжини його простору взаємодії [4,5] У програмі чисельного експерименту застосовано метод великих часток При моделюванні процесів вторинної електронної емісії з урахуванням кута падіння первинних електронів до уваги прийняті рівняння роботи [6]

II                               Основна частина

Вхідними для чисельного експерименту є параметри, які можуть бути виміряні: геометрія простору взаємодії магнетрона, власна частота і навантажена добротність Q ^ коливального контуру на робочому вигляді

коливань, постійне магнітне поле і анодна напруга Вихідні характеристики приладу – анодний струм, вихідна потужність та ККД – є результатами обчислення і не вимагають знання їх орієнтовного значення Моделюються динамічні процеси розмноження вторинних електронів і вихід приладу в стаціонарний режим

Рис 2 Залежність і ^ (Ь ^ при р = 15 для

«Класичних» магнетронов (пряма штрихова лінія) і для дрейфово-орбітальних режимів (безперервні криві) (Штрихова крива – Халловская парабола відсічення при σ = 056)

Fig 2 Dependence u^(b) at p =15 for conventional

magnetrons (dashed straight line) and for drift-orbital

modes (continuous curves) (Dashed curve is the Hull cutoff parabola witha =056)

За допомогою 3-D математичного моделювання протестовані характеристики імпульсного 20 – резонаторного магнетрона міліметрового діапазону хвиль з боковим термоелектронним катодом і холодним вторічноеміссіонним катодом (ВЕК), створеного в ІРЕ НАНУ і працює в режимі першої гармоніки нізкоорбітного дрейфовоорбітального резонансу (трикутник на рис2) [5], [7-9] Основні вузли магнетрона схематично показані на рис1 Вхідними для чисельного експерименту є параметри простору взаємодії, наведені в Таблиці 1

Таблиця 1 Table 1

Таблиця 2 Table 2

Параметри

Дані розрахунків

Дані експериментів

Робочий струм, / д, А

230

260

Вихідна потужність, kW

3829

3367

ККД,%

90

70

Рис 3 Динаміки електронів на стадії: а) емісії з бічного термоелектронного катода б) вторічноеміссіонного розмноження в) угруповання г) режиму автоколивань

Fig 3 Dynamics of electrons at a stage of: a) emission from a side thermionic cathode b) second-emission

multiplication c) bunching d) auto oscillations mode

Електродинамічні характеристики коливальної системи – робочий вигляд коливань

навантажена добротність робочого виду коливань Q ^ ~ 150 Робочі довжина хвилі анодна напруга постійне магнітне поле представлені в Таблиці 1 [5,7] Робоча точка позначена трикутником на рис2

Формування пятнадцяти електронних спиць в режимі генерації (рісЗ, б, г) свідчить про робочий коливаннівиду та ефек

тивном його поділі з сусідніми видами за допомогою магнітного поля Дані розрахунків робочого струму, вихідний потужності (при контурному ККД 77 ^ -0,8)

і ККД мають гарне відповідність даним вимірів (Табл2) Крім цього, представлені результати

3 – D моделювання динаміки процесу вторічноелектронного розмноження при запуску магнетрона струмом первинних електронів з малопотужного термоелектронного катода, розташованого на місці торцевого екрана анодного блоку (рис2, а) Показано, що істотний вкпад в динаміку процесу вто-річно-елекгронного розмноження вносять кінцеві області ВЕК з емітером із платини (рісЗ а, г)

III                                   Висновок

Розроблено чисельну тривимірна циліндрична многоперіодной модель магнетронного генератора на основі методу великих часток, що враховує реальну тривимірну конфігурацію простору взаємодії, наявність розподіленої і інжектованих емісії, неоднорідності електричних і магнітних полів

Проаналізовано механізм наростання заряду в просторі взаємодії і запуск магнетрон-го генератора за допомогою інжекції електронів з електронної гармати, розташованої в області торцевого екрана Показано, що процеси розвиваються таким чином: освіта сталого електронної хмари з невеликим зарядом, визначеним струмом гармати збільшення радіусу циклоїди під дією сил просторового заряду і початок процесу вторинної емісії швидке наростання заряду до стаціонарного рівня і запуск приладу

Проведені розрахунки процесів запуску магнетрона з різними значеннями струму інжекції показали, що генерація в магнетроні настає при будь-якому струмі інжекції, однак час запуску приладу істотно залежить від значення струму інжекції При невеликому значенні струму з бокового катода час запуску виявляється порівнянно з тривалістю імпульсу, що може призводити до нестійкої роботи приладу

IV                            Список літератури

[1] SN Sosnitskiy and D М Vavriv, «Theory of spatial-Harmonic Magnetron: An equivalent Network Approach», IEEE Trans On Plasma Science, vol 30, № 3, p984-991, 2002

[2] Галаган A В Циліндрична тривимірна модель генератора зі схрещеними полями / / Радіотехніка Вид «Вища школа» Харків – 1989 – Вип 88 – С 130 -135

[3] Байбурин В Б, Терентьєв А А, Гаврилов М В, Кухарів А Б Тривимірні циліндричні рівняння руху електронів в неоднорідних схрещених полях / / Радіотехніка та електроніка Т45 № 4 – С492-498, 2000

[4] М А КороГ, VD Yeryomka, V Р Dzyuba, «3-D simulation of magnetrons with secondary-emission cathode stimulated by electrons from a field emitter», 15-th Int Conf, »Micro-wave & Telecommunication Technology» (CriMiKo’2005) Conf Proc, 12-16 September, 2005 – Sevastopol: Weber Publishing Co, vol1, pp225-228, 2005

[5]  V D Yeryomka,, M A Kopot’, O P Kulagin,,

V D Naumenko, «3-D Simulation of Millimeter-wave Cold Secondary-Emission Drift-Orbital Resonance Magnetron», 2006 IEEE Int Vacuum Electronics Conf 2006 IEEE Int Vacuum Electron Sources (IVEC/IVESC-2006) Conf Proc Monterey, CA, USA -P 189-190, 2006

[6]  J Rodney M Vaughan «Secondary Emission Formulas», IEEE Trans, on Electron Devices, vol ED-40, № 4, p 830,

1993

[7] Еремка В Д, Кулагін О П, Науменко В Д «Розробка та дослідження магнетронов в Інституті радіофізики та електроніки ім А Я Усикова і Радіоастрономічному інституті НАН України / / Радіофізика та електроніка – Харків: Ін-т радіофізики та електроніки НАН України Том 9 Спец вип рр42-67, 2000

[8] О Р Kulagin, V D Yeryomka Optimal Conditions for Drift-Orbital Resonance in M-type Devices / / IEEE Trans Plasma Science, vol32, 3, pp1181-1186, June, 2004

[9]  O P Kulagin, V D Yeryomka «The Flow Forming Potential in Unconventional Magnetrons» if Proc Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC’2004), Monterey, USA, pp 224 – 225, April 2004

3-D SIMULATION OF COLD CATHODE MAGNETRONS OPERATING ON A SPACE HARMONIC IN A DRIFT-ORBITAL RESONANCE MODE

V                         D Yeryomka, M A Kopot’,

O                        P Kulagin, V D Naumenko^

Usikov Institute for Radlophyslcs and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine 12, Ac Proscura St, Kharkiv, 61085, Ukraine e-mail: yeryomka@lre kharkov ua ^Institute of Radio Astronomy of National Academy of Sciences of Ukraine

4,       Krasnoznamennaya St, Kharkiv, 61002, Ukraine e-mail: naumenko@rlankharkovua

I                                       Introduction

The mathematical 2-D model describing in a self-consistent fashion the physical processes in millimeter-wave (MMW) cold second-emission cathode (SEC) magnetrons (Fig1) operating on a space harmonics of non-Я – mode oscillation can be used to study both the dynamics of establishing self-induced oscillations and the stationary oscillations regimes [1] However the 2 – D model does not take into account the finiteness of its space interaction axial length in these magnetrons

A 3-D mathematical model for the cold SEC magnetrons has been worked out allowing for the finiteness of the axial length of its space interaction [2-5] The numerical experiment involves the use of the PIC code The equations presented in [6] have been taken into consideration in simulating the secondary electron emission processes with regard to the angle at incidence of primary electrons

II                                        Main Part

The input data for the numerical experiment are the parameters that can be measured: geometry of magnetron’s space interaction, natural frequency and the loaded Q of the oscillatory circuit on an operating mode, a permanent magnetic field and an anode voltage The device output performances such as anode current, output power and efficiency are the results from calculations and do not require that their rough value are known Simulations are made of dynamic processes of secondary electron multiplication and the device output in stationary mode Using the 3-D mathematical simulation the characteristics of a MMW pulse 20-cavity side thermionic cathode and a cold SEC magnetron have been benchmarked This magnetron has been designed and developed at the Usikov IRE of NAS of Ukraine and is operated in a mode of the first negative space

harmonic of a low-orbit drift-orbital resonance fl — \ (triangle Fig2) [5] [7]- [9] The input data for the numerical experiment are the space interaction parameters listed in Table 1 fellow:

The length of the magnetron’s electrodynamics system: anode length = Amm ■ Electrodynamics characteristics: operatloaded Q-factor of the operating

modeg^~150: operating wavelength X = A\mm\ anode

voltage= 185A:K , permanent magnetic field _β=081Γ

[5, 7] The generation of 15 electron spokes in a generating mode (Fig 3, c, d) gives evidence of the operating oscillation of

mode and its effective separation with adjacent

modes using the magnetic field The data from calculating the operating current, output power (with the circuit efficiency;^ -08) and efficiency have a good agreement with

measurement date (see Table2) In addition, the results are presented of the 3-D simulation of the dynamics of the secon- dary-electron multiplication process in triggering the magnetron by the current of the primary electrons from a low-power thermionic cathode located where the second end screen of the anode block (Fig3, a) Should be positioned it is shown that a substantial contribution to the dynamics of the secondary- electron multiplication is made by the end regions of the SEC having a platinum emitter (see Fig 3, b-d)

III                                       Conclusion

The 3-B model of the secondary-electron multiplication dynamics in cold cathode magnetrons having a SEE, which is bombarded by the primary electrons from the side thermionic emitter The carried out calculations of start magnetron processes with various values of a injection current shown, that generation in magnetron comes at any injection current, however start time of the device essentially depends on injection current value At small value of a current з the lateral cathode time of start appears is comparable to duration of a pulse that can result in unstable work of the device

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р