А. Н. Сандалов, В. М. Пікун, В. Є. Родякін Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова

Для дослідження високоефективних клистронов найбільш коректно аналізувати фізичні процеси у всіх частинах клистрона від катода до колектора. Реалізація високої ефективності в потужних клістрон підсилювачах вимагає проведення докладного дослідження нелінійних процесів у всіх частинах клистрона: електронної гармати, лінійному і нелінійному группірователях, вихідний секції і колекторі. Для цих цілей на фізичному факультеті МДУ ім. М. В. Ломоносова на кафедрі радіофізики в лабораторії джерел потужного мікрохвильового випромінювання та телекомунікацій (зав. Лабораторією доцент А. Н. Сандалов) були розроблені програмні комплекси Клістрон-МГУ [1, 2], Арсенал-МГУ [3] і Мультіволни-МГУ [4-6].

Програмний комплекс Клістрон-МГУ – 1-1,5-мірний, у ньому взаємодія електронного потоку та електромагнітного поля реалізовано на дисково-кільцевої моделі електронного пучка, в даний час використовується для оціночних розрахунків при конструюванні клистронов.

Арсенал-МГУ – 2,5-мірний програмний комплекс, дозволяє аналізувати Клірон підсилювачі, що містять електронні гармати, як термоемісійні, так і на вибуховий емісії, лінійний і нелінійний группірователі, розподілені вихідні структури, конвекційні колектори і колектори з рекуперацією. Він заснований на самоузгодженому аналізі руху заряджених частинок в електромагнітних полях при поданні електронного потоку у вигляді “великих” частинок і використанні модифікованого методу Гальоркіна для вирішення рівнянь Максвелла. Арсенал-МГУ використовується для моделювання фізичних процесів у клістрон підсилювачі від катода до колектора при завданні у вигляді вхідних даних тільки геометрії приладу.

Програмний комплекс Мультіволни-МГУ розроблений для дослідження дисперсійних характеристик електромагнітних і електронних хвиль, електромагнітних полів структур, вирішення проблем, пов’язаних з ВЧ-пробоєм і самозбудженням паразитних коливань в вихідних ланцюгах типу “диафрагмированного хвилевід“.

Всі ці програмні комплекси використовувалися для досліджень високоефективних нерелятівістскіх клистронов в СРСР і Росії. Вони також використовувалися і використовуються при розрахунках потужних багаторезонаторних клістрон підсилювачів в Інституті фізики високих енергій Японії (КЕК) [7], у фірмі Thomson Tubes Electronique (Франція) [8] та Інституті електроніки Китайської академії наук (Китай) [9] і показали гарний відповідність з експериментальними даними.

Дані програмні комплекси були також проведені на різних нерелятівістскіх і релятивістських клістрон підсилювачах інших фірм і показали хорошу відповідність з експериментом [10].

Як приклад моделювання фізичних процесів у клістрон підсилювачах по програмному комплексу Арсенал-МГУ розглянемо його застосування для розрахунків імпульсного клистрона фірми Thomson Tube Electronique ТН2103, що працює в 10-сантиметровому діапазоні довжин хвиль [8]. Даний прилад відрізняється тим, що у зв’язку з масовим випуском він пройшов ретельний етап проектування та вдосконалення і щодо нього є вся необхідна для проведення порівняння теорії і експерименту інформація. Даний прилад є одним з небагатьох у світі, на яких можуть бути випробувані створювані клістронні програмні комплекси.

Результати розрахунків електронної гармати приладу ТН2103 наведено на рис. 1 і 2. У верхній частині рис. 1 представлено розподіл магнітного поля в приладі (В2/ В0). Нижче наведена геометрія електронної гармати, еквіпотенціальні лінії і розраховані електронні траєкторії. При розрахунках використовувалася неоднорідна сітка з 7000 вузлів (рис. 2). Більш густе розбиття задавалося в складних областях електронної гармати.

Використання неоднорідності розбиття сітки дозволяє скоротити обсяг необхідної пам’яті, з одного боку, з іншого – використовувати більш часте розбиття в областях очікуваних великих градієнтів полів. Обчислення проводилися при ускоряющем напрузі 55 кВ, була отримана величина струму пучка 13,4 А, що знаходиться в хорошому відповідно до експериментальним значенням.

Поширення електронного потоку вздовж клістронного группірователя наведено на рис. 3. У верхній частині малюнка наведена залежність магнітного поля (В2 / В0) Уздовж приладу. На наступному малюнку представлені залежності ККД і амплітуд першої і другої гармонік струму пучка від поздовжньої координати z! Le, Де Le – Електронна довжина хвилі, і внизу – розкид електронів по імпульсах.

Процес групування електронного пучка в клістроні зображений на рис. 4, де наведено залежність нормализованной на 2π фази електрона від поздовжньої координати z! Le. Видно, що відбувається помітне збільшення різниці між різними радіальними групами електронів.

Миттєва фотографія групування електронів уздовж клистрона в різні періоди часу (0, π / 2, π, 3π / 2) для R! Le і Z / Le представлена ​​на рис. 5. Поздовжнє (Pz! Р0), Радіальне (Рг ! Р0) І азимутальное (Рз0) Розподіл в згустку по періоду часу t / Т0 і розподіл щільності струму пучка в поперечному перерізі в зазорі вихідного резонатора клистрона показані на рис. 6. При розрахунках використовувалося 400 часток на період високочастотного поля. Обчислене значення ККД дорівнювало 43% при вхідній потужності 6 Вт, те ж значення отримано і в експерименті.

Для кращого розуміння характеру групування електронів і спостереження токооседія електронів на трубу дрейфу і резонатори в Арсеналі-МГУ передбачений режим анімації, який дозволяє переглянути, що відбувається з електронами всередині клістронного підсилювача. Як приклад на рис. 7 наведено один фрагмент анімації для клистрона ТН2103.

Рис. 3. Розподіл магнітного поля (верхній малюнок), залежність першої та другої гармонік струму і ККД (середній малюнок) і розкид електронів по імпульсах (нижній малюнок) від нормалізованої

Рис. 4. Фазова діаграма

Рис. 5. Угруповання електронів уздовж клистрона

Рис. 6. Розподіл електронів в згустку в області вихідного резонатора.

поздовжньої координати z / Le, Де Le – Електронна довжина хвилі.

Вище було представлено використання Арсеналу-МГУ для дослідження клистрона фірми Thomson Tube Electroniques, що працює в 10-см діапазоні довжин хвиль. Воно включало в себе дослідження електронної гармати і вивчення фізичних процесів в группіровеле. Час розрахунку всього приладу на IBM PC 486D2 / 66 склало 1,5 години. Розрахунки значення струму, сформованого електронною гарматою, електронного пучка і значення вихідний ВЧ потужності знаходяться в доброму відповідно з експериментальними даними.

Рис. 8. Порівняння теоретичних та експериментальних результатів для клистрона ТН2089

Можливості програмного комплексу Арсенал-МГУ були також перевірені на відомому високоефективному суперклістроне ТН2089, що працює в безперервному режимі [8]. На рис. 8 представлені експериментальні та розрахункові по цьому комплексу залежності ефективності клистрона від вхідної потужності. Згода досить хороше. Відмінність може бути пов’язано з тим, що програма комплекс Арсенал-МГУ обчислював електронну ефективність, а не повну ефективність приладу. Цей факт може пояснити 5% -ве відміну ККД в насиченні.

Наведені вище приклади порівнянь для приладу безперервної дії і приладу, що працює в імпульсному режимі, показали хороші можливості програмного комплексу Арсенал-МГУ. Швидкий прогрес обчислювальної техніки, поява високошвидкісних персональних комп’ютерів дозволили розширити можливості програмного комплексу Арсенал-МГУ і зменшити значно час розрахунку всього приладу. Воно вже становить кілька десятків хвилин на IBM РС / 550 MHz. Це призвело до модернізації та програмного комплексу Арсенал-МГУ, і в даний час його четверта версія дозволяє вже проводити розрахунки широкосмугових клистронов і складних вихідних резонаторів. Крім того, в рамках даного комплексу розроблена можливість розрахунку резонаторів при вирішенні рівнянь Максвелла і відпала необхідність використання допоміжних програм.

Можливості створення широкосмугових клистронов безперервного режиму роботи і з високим ККД в даний час здійснюються в рамках спільної роботи фізичного факультету МДУ та Інституту електроніки Китайської академії наук [9]. Попередньо були проведені дослідження клістрон підсилювачів безперервної дії, де важливу роль відіграють процеси в колекторних системах. Як приклад використання програмного комплексу Арсенал-МГУ наведемо результати досліджень статичних та динамічних процесів в конвекційних колекторах (рис. 9, 10).

Рис. 9. Статичні характеристики колектора

Рис. 10. Динамічні характеристики коллектораТакім чином, розроблені на фізичному факультеті програмні комплекси для дослідження фізичних процесів і конструювання, потужних клістрон підсилювачів дозволяють використовувати їх при розробці та створенні потужних високоефективних клістрон підсилювачів різного типу.

Література

1.        Сандалов А. Н. Нелінійна електроніка багаторезонаторних клистронов в наближенні розшарування: Канд. дис., фіз. фак-т МГУ, 1972. 192 с.

2.        Сандалов А. Н. Чисельне моделювання фізичних процесів в потужних приладах надвисоких частот // Генератори і підсилювачі на релятивістських електронних потоках / Под ред. В. М. Лопухіна. М .: МГУ, 1987. С. 28-37.

3.        Сандалов А. К, Родякін В. Є. Комплексна програма аналізу динаміки електронного потоку в клістроні // Питання електронної техніки. Саратов. 1988. 15 с.

4.        Пикунов В. М., Колесникова І. Ю. Лінійна математична модель релятивістських СВЧ-приладів череовского типу // Радіотехніка та електроніка. 1988. Т. 33, №11.

5.        Лузянин Д. Б., Пікун В. М. Чисельне дослідження дисперсійних характеристик НВЧ-пристрої череовского типу // Питання електронної техніки. Саратов. 1988.

6.        Лузянин Д. Б., Пікун В. М. Дисперсійні характеристики черенковского СВЧ-приладу // Радіотехніка та електроніка. 1991. Т. 36, № 1.

7.        Fukuda S. Comparison Between the Performance of Some KEK-Klystrons and Simulations Results // Proc. of 1996 Pulsed RF Sources for Linear Colliders Workshop (RF’96). April 1996. Kanagawa, Japan. KEK report 1/1997. P. 123-132.

8.        Sandalov A. N., Pikunov V. M, Rodyakin V. E., Faillon G., Thaler Y. Animation of Nonlinear Electron-Wave Interaction in Klystrons // Proc. of 1996 Pulsed RF Sources for Linear Colliders Workshop (RF’96). April 1996. Kanagawa, Japan. KEK report 1/1997. P. 185-194.

9.        Yaogen D., Xianghui X, Rodyakin V. E., Sandalov A. N. Theoretical and experimental investigations of the high power MBK, based on 2.5 D Arsenal – MSU Computer Code // Proc. of the 2nd ICMMWT. September 2000. Beijing, China. P. 299-302.

Sandalov A. N., Pikunov V. M., Rodyakin V. E. High efficiency conventional and relattivistc klystrons // Proc. of 1996 Pulsed RF Sources for Linear Colliders Workshop (RF’96). April 1996. Kanagawa, Japan. KEK report 1/1997. P. 175-184.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.