Международные отношения
Гидроусилители бегущей волны
- Подробности
- Категория: Международные отношения
В настоящее время разработки гироклистронов для ускорителей направлены на увеличение импульсной мощности до 100 МВт на частоте 1718 ГГц при ускоряющем напряжении 500 кВ и токе электронного пучка 600 А. Предполагается построение трехрезонаторного клистрона с усилением 50 дБ.
Ясно, что рассматриваемые гироусилители для линейных ускорителей выходят за рамки традиционных ЭВПусилителей и представляют собой высокоэнергетичные устройства, разработка и эксплуатация которых требует применения специальных решений в построении ЭОС, и электродинамических систем, систем управления двери купить и канализации потоков СВЧэнергии, систем электропитания и теплосъема.
1.2.3.2 Гидроусилители бегущей волны (гироЛБВ и гиротвистроны). Особенности построения и характеристики
Разработки мощных гироЛБВ стимулируются, прежде всего, стремлением значительно расширить полосу усиливаемых частот, что важно для построения современных радиолокационных систем дальнего обнаружения с высоким разрешением.
Так же, как и в классических ЛБВ, нерезонансный характер взаимодействия в гироЛБВ должен привести к существенному улучшению диапазонных характеристик усилителя.
Создание гироусилителей, однако, столкнулась со значительными трудностями, вызванными нестабильностями, возникающими при работе вблизи частоты отсечки волноводной системы, применяемой в гироприборах для увеличения эффективности взаимодействия (см.1.1).
Разработка гироЛБВ в значительной степени концентрировалась на создании методов подавления паразитных самовозбуждений при одновременном обеспечении условий эффективного взаимодействия спиральных пучков с бегущими ТЕ волнами в волноводной системе 61. Для построения однокаскадных 62, 63 и двухкаскадных 64 широкополосных гироЛБВ в Кадиапазоне нашли применение методы, основанные на плавном изменении радиуса волноводной системы и одновременном изменении магнитной индукции вдоль оси, позволяющие существенно увеличить устойчивость режима усиления к самовозбуждению на обратной волне 65, 66.
К наиболее широкополосным следует отнести гироЛБВ, разработанные в NRL в начале 90х годов XX века. В этих приборах применялись электродинамические системы на основе волноводов прямоугольного сечения с бегущей волной типа ТЕ 10. В однокаскадной гироЛБВ волновод прямоугольного сечения был выполнен с плавным расширением широкой стенки (под углом 0,250) от катода к коллектору электронов. При этом магнитное поле линейно спадало вдоль волновода от 1,45 Т на входе до 1.2 Т на выходе системы, благодаря чему обеспечивалось длительное синхронное взаимодействие бегущей волны с электронным потоком. В этой гироЛБВ при ускоряющем напряжении Ц)=33кВ и токе пучка /0=1,6 А был достигнут диапазон рабочих частот от 27 ГГц до 38 ГГц (33%) при уровне мощности Pout~5 кВт, электронном КПД =10%, усилении 25 Дб. 67.
С использованием волноводов прямоугольного сечения на волне типа ТЕ10 с изменяющимся размером широкой стенки и величины магнитной индукции вдоль продольной оси в NRL создана также двухкаскадная гироЛБВ с полосой усиливаемых частот 20% на уровне 3дБ, с импульсной мощностью 8 кВт и КПД=16%. 64.
Наиболее мощные гироЛБВ в Кадиапазоне созданы в NTHU (Тайвань) при использовании цилиндрического волновода на волне типа ТЕ11 и работе на основной частоте гирорезонанса 66. При введении плавного изменения магнитной индукции вдоль оси и применении распределенного поглотителя в волноводной системе достигнута импульсная мощность 93 кВт при КПД=16%, усилении 35 дБ, полосе усиливаемых частот 7,5%. Параметры электрического питания: U0=89,5 кВ, /0=1,85 A; индукция B0=1,2 T.
Введение волноводной секции с бегущей волной в конструкцию гироклистрона, вместо выходного резонатора, позволяет существенно увеличить диапазонность прибора и, одновременно, получить устойчивость режима усиления более высокую, чем в гироЛБВ. По аналогии с традиционными ЭВП такие приборы носят название гиротвистроны. Разработки приборов этого класса проводятся в Росси (ИПФ РАН) и в США (NRL). Показана возможность расширения полосы усиливаемых частот до 11,6% в диапазонах X и W при уровне выходной мощности 50 кВт 68, 69.
Разработка гиротвистронов с высокими энергетическими и диапазонными характеристиками требует учета особенностей работы и оптимизации характеристик гироклистронов и гироЛБВ. Теоретический анализ достижимых характеристик гиротвистронов 70, 71 проведен в слаборелятивистском приближении; учитывались поперечная и продольная группировки электронов при одновременном взаимодействии с попутной и встречной волнами в выходном каскаде гиротвистрона, согласованного со стороны нагрузки. Электронный поток на входе в систему полагался моноскоростным; пространственный заряд не учитывался. Исследовалось взаимодействие на основной гирочастоте (n=1). Рассматривались однорезонаторная и двухрезонаторная модуляции электронного пучка на входе в выходной каскад гиротвистрона. Выполненный анализ позволил определить достижимые энергетические и диапазонные характеристики гиротвистрона в зависимости от параметров группировки, геометрии ВЧсистемы, параметров электронного пучка. Показано, в частности, что для оптимизированного двухрезонаторного группирователя и оптимальной длине выходного каскада максимальный КПД max=72 %. Для обеспечения устойчивого режима усиления длина выходного каскада L должна быть уменьшена так, чтобы пусковой ток самовозбуждения на обратной волне /пуск превысил рабочий ток пучка /0. Диапазонные характеристики усиления выходного каскада гиротвистрона существенно зависят от соотношения между рабочей длиной волны X и критической волны волноводной выходной секции Хкр. При фиксированных параметрах задачи может быть определена величина Х/Хкр, при которой полоса усиления 2Аш/ш достигает максимального значения. Выполненные расчеты показывают возможность оптимизации параметров гиротвистрона, при которой достижима полоса усиления 2А///>4% при отношении /0//пуск=0,8.
Разработки гиротвистронов проводятся в Росси (ИПФ РАН) и в США (NRL). Показана возможность расширения полосы усиливаемых частот до 2 % в диапазонах X и W при уровне импульсной выходной мощности 50160 кВт, КПД=1725 %, коэффициенте усиления 30 дБ 68, 69.
Глава 2 Принципы построения основных узлов гироприборов. Особенности конструкций
На рисунке 2 приведена схема построения одного из типов гироприборов гиротрона, содержащая основные узлы электроннооптической и электродинамической систем приборов этого класса. К этим узлам относятся электронная пушка, СВЧрезонатор, содержащий область взаимодействия пучка с полем, коллектор отработанных электронов, окно вывода мощности, магнитная система. Именно эти узлы характеризуют параметры взаимодействия в гироприборах и подлежат оптимизации для достижения максимальных энергетических и диапазонных характеристик. Реальные конструкции гироприборов содержат, кроме указанных, большое число дополнительных узлов и систем, принципиально важных для обеспечения их работоспособности (системы теплосъема, магнитного размазывания электронов по поверхности коллектора, преобразователи типов колебаний в области окна вывода мощности и т.п.). Ниже приводится краткое рассмотрение путей построения основных узлов гироприборов.
2.1. Электронная пушка.
В большинстве гироприборов применяются магнетронноинжекционные пушки (МИП), формирующие винтовые электронные потоки, основными требованиями к которым являются:
необходимая величина энергии вращательного движения электронов, которой принадлежит основной вклад в энергообмен электронного пучка с полем;
формирование электронного потока с параметрами, при которых взаимодействие с высокочастотным полем наиболее эффективно, что выполняется при формировании тонких трубчатых пучков электронов в области максимального поперечного электрического поля рабочего типа волны;
разброс скоростей электронов в пучке должен быть минимальным.
Разброс поперечных скоростей электронов в поливинтовых пучках снижает КПД гироприборов 72, 73, 74.При сравнительно малых величинах отношения поперечной и продольной скоростей электронов в пучке a=v_/v значительный разброс скоростей может привести к эффекту "отражения" электронов, что дополнительно снижает эффективность. Разброс скоростей обусловлен неоднородностями статических электрического и магнитного полей, шероховатостью эмиттера, изначальными тепловыми энергиями электронов. Одним из методов уменьшения разброса поперечных скоростей в поливинтовых электронных потоках является применение МИП в режиме температурного ограничения эмиссии катода 43.
В гиротронных приборах применяются спиральные электронные пучки двух типов: поливинтовые в генераторах и усилителях, как правило, работающих на основной частоте гирорезонанса и ее гармониках с n<3 и моновинтовые в приборах на гармониках гирорезонанса с n>3. Рассмотрим особенности построения электронных пушек для формирования таких пучков.
2.1.1. Формирование поливинтовых электронных пучков
Преобладающим типом электронных пушек для формирования поливинтовых трубчатых электронных пучков являются адиабатические магнетронноинжекционные пушки (АМИП). В этой пушке электрическая и магнитная компоненты статического поля в области катода почти взаимно перпендикулярны. Поэтому эти пушки и получили название магнетронноинжекционных. В формируемом электронном потоке происходит вращательное движение электронов в плавно нарастающем магнитном поле и одновременно их дрейф вдоль оси под действием электрического поля электроннооптической системы (ЭОС). По мере продвижения электронов в плавно нарастающем магнитном поле их вращательная энергия возрастает, а частота вращения принимает значение частоты циклотронного резонанса П, для которой выполняется условие резонанса ю=пП (n=1, 2, ...). В области взаимодействия электроны движутся по спиральным траекториям, ведущие центры которых перемещаются вдоль силовых линий магнитного поля. Если электроннооптическая система является аксиальносимметричной, ведущий центр электронной орбиты все время находится на поверхности одной и той же силовой трубки магнитного поля.