Международные отношения
Коллектор отработанных электронов
- Подробности
- Категория: Международные отношения
Электродинамическая система гироприбора выполняется с учетом следующих основных положений:
Схема построения системы определяется типом разрабатываемого гироприбора (гиротрон, гироклистрион, гироЛОВ, гироЛБВ, гиротвистрон). Тип гироприбора определяет характер волны (бегущая, стоячая) в отдельных секциях и соответственно параметры нагрузок на их торцах.
Выбор рабочего типа колебаний базируется на анализе характеристик взаимодействия с винтовым электронным пучком с целью достижения требуемых энергетических и диапазонных характеристик при обеспечении когерентности, одночастотности выходного сигнала. В частности, это означает, что важнейшей задачей является селекция типов колебаний для подавления взаимодействия на паразитных частотах, попадающих в полосу циклотронного резонанса.
Поперечные размеры секций выбираются для обеспечения возбуждения рабочего типа волны и при этом, в большинстве случаев, рабочая частота прибора близка к критической частоте волновода шс, на котором построена секция.
Как показано в гл. 1, при таком решении повышается эффективность азимутальной группировки электронов на винтовых траекториях пучка, увеличивается КПД, облегчается подавление паразитных типов колебаний.
Требуемая величина добротности резонаторов рабочего типа колебаний, при прочих равных условиях, определяется степенью согласования на их торцах. При работе вблизи критической частоты шс практически полное рассогласование достигается при малом изменении поперечных размеров волноводной секции. В реальных конструкциях такое изменение выполняется плавным, для устранения возможности преобразования рабочего типа колебаний в паразитные. Максимальная добротность резонатора имеет место на частоте близкой к критической, т.е. для рабочего типа колебаний, и падает при увеличении резонансной частоты, соответствующей паразитным колебаниям.
При работе вблизи критической частоты волны типа TEmqp продольный индекс p колебаний в резонаторе выбирается, как правило, равным 1, при котором длина волны в резонаторе максимальна A=2L. Селекция типов колебаний по продольному индексу достигается благодаря тому, что увеличение p приводит к значительному увеличению частоты паразитного типа a = a c 1+p (Xc/2L)2 и к резкому уменьшению добротности. В результате уменьшается амплитуда паразитного типа колебаний и возрастает пусковой ток самовозбуждения.
Для достижения максимальных энергетических характеристик гироприборов профиль их резонаторов оптимизируется см. 1.2.1.2. При этом возможно применение двухсекционного резонатора, с отличающимися размерами секций на входе для достижения наиболее эффективной группировки и на выходе для достижения максимального КПД.
Применение двухсекционных резонаторов оказывается эффективным и для селекции рабочих типов колебаний в гироприборах, работающих на гармониках циклотронной частоты. Решением может явиться построение резонаторов типа СРТМ связанные резонаторы с трансформацией мод (см. 1.2.1.3)
Обоснование приведенных основных положений, которые должны учитываться при построении гироприбора, приведены в главе 1.
2.3. Вывод мощности
В гироприборах применяются два основных типа выводов мощности из пространства взаимодействия. В большинстве гироприборов относительно малой мощности применяется непосредственная связь выходного волновода с областью взаимодействия (см. рис. 2). Для осуществления такой связи вводится плавные изменения радиуса высокочастотной системы, обеспечивающие необходимый коэффициент отражения для рабочего типа колебаний и переход к оптимальному размеру выходного волновода. Тип колебаний в области взаимодействия и в выходном волноводе один и тот же. При этом на выходе лампы для связи с прямоугольным волноводом вывода мощности применяется конвертор типов колебаний и необходимые согласующие устройства. Начальный участок выходного волновода, расположенный в области спада магнитной индукции, выполняет функции коллектора отработанных электронов. Успешно действующие гироприборы с уровнями мощности несколько сотен киловатт применяют рассмотренные "прямые" выводы мощности
При увеличении мощности гиротронов возникают противоречия, связанные с совмещением коллектора и волновода вывода мощности. Для рассеяния значительной мощности электронного пучка необходимо увеличить его диаметр, т.е. диаметр выходного волновода, но для этого необходимо применить плавный переход большой длины для устранения возбуждения дополнительных мод колебаний. Общая длина гиротронного прибора, включающая систему теплосъема и магнитного размазывания электронов по поверхности коллектора, при этом существенно возрастает. В связи с этим в гироприборах с высоким уровнем мощности целесообразно разделить направления потоков СВЧ мощности и отработанных электронов. Обычно это реализуется при использовании внутреннего конвертора, который преобразует тип колебаний высокочастотной системы, распространяющийся вдоль оси, в поток энергии с Гауссовым распределением энергии в поперечном сечении (гауссов поток), распространяющийся перпендикулярно к оси прибора 78, 79. В таких конструкциях вывода мощности геометрия коллектора не связана с требованиями к распределению магнитостатического поля в выходном волноводе и в результате оказывается возможным значительно сократить длину гироприбора. Снижаются напряженности электрического поля на вакуумплотных диэлектрических окнах вывода мощности, что увеличивает их надежность. Кроме того, гауссов поток мощности на выходе лампы может быть эффективно передан при помощи квазиоптической линии передачи, что значительно упрощает связь с удаленной полезной нагрузкой. Во всех известных современных гиротронах с большими мощностями около мегаватта и более используются выводы мощности с внутренними конверторами 43.
Известны и другие методы построения выводов мощности, в которых потоки СВЧ мощности и отработанных электронов разделены. Наиболее часто применяется связь с волноводом вывода мощности непосредственно через боковую стенку резонатора 80. Этот метод подобен тому, который используется в классических клистронах, однако, в гироприборах он ограничен областью низких частот при использовании рабочих типов колебаний TEmq с малыми радиальными и азимутальными индексами. Аналогичные методы применяются для вводов мощности в гироусилителях. В большинстве случаев первый каскад усилителей выполняется на моде с малыми величинами m, q, что упрощает согласование с волноводом ввода мощности прямоугольного сечения.
2.4. Коллектор отработанных электронов
В большинстве конструкций коллекторов гироприборов отработанные электроны движутся по магнитным силовым линиям в адиабатически уменьшающемся магнитном поле, попадая в конечном итоге на поверхность коллектора. Диаметр коллектора выбирается достаточным для рассеяния мощности потока отработанных электронов. Задача рассеяния мощности на поверхности коллектора гироприборов, применяющих трубчатые электронные пучки, значительно сложнее, чем при использовании сплошных пучков в традиционных ЭВП, поскольку эффективная поверхность, на которую попадают частицы, представляет собой сравнительно узкий поясок. В связи с этим в приборах с мощностью электронного потока сотни киловатт применяют "магнитное размазывание" электронов по всей поверхности коллектора. Такие системы "размазывания" с вращающимся поперечным магнитным полем были применены впервые еще в 50х годах прошлого столетия 49.
Известно решение по созданию коллекторной оптики при отказе от адиабатического уменьшения индукции введением полной экранировки коллектора от магнитного поля 81. В таких системах винтовой трубчатый электронный пучок пересекает радиальный магнитный поток и закручивается вокруг оси прибора. Под воздействием значительной центробежной силы электронный пучок расширяется в радиальном направлении, сохраняя форму близкую к диску. В результате оказывается возможным удалить отработанные электроны через узкую щель и принять их на коллектор с развитой поверхностью. В таких системах вывод СВЧ мощности и коллектор полностью разделены, что позволяет уменьшить длину гиротрона.
Принципиальным решением, позволяющим значительно увеличить технический КПД гироприборов, является применение рекуперации отработанных электронов на коллекторе. В гиротронах с уровнями мощности сотни кВт единицы МВт рекуперация активно применяется, что позволяет увеличить технический КПД этих приборов свыше 50% (см. таблицу 2).