Реферат.

В последние годы широкое распространение получили многолучевые конструкции пролетных клистронов. Их основное преимущество заключается в том, что первеанс электронного потока в них может быть увеличен в 10 и более раз. Это позволяет в 2 – 3 и более раз уменьшить анодное напряжение прибора при сохранении его выходной мощности.

Для уменьшения веса магнитных фокусирующих систем многолучевых клистронов часто используется реверсная магнитная фокусировка. Проектирование многолучевой фокусирующей системы с реверсным магнитным полем представляет собой сложную задачу электронной оптики. Разработка современных программ расчета ЭОС на компьютерах значительно облегчило решение задачи о расчете и оптимизации таких фокусирующих систем.

Основной целью данной работы является исследование и оптимизация реверсной магнитной фокусирующей системы для многолучевого клистрона КИУ – 147.

Основные параметры исследуемой ЭОС:

Анодное напряжение – 52 кВ;

Количество электронных лучей – 40;

Диаметр пролетного канала 6,5 – 8 мм;

Суммарный первеанс » 20 ´ 10^-6 А/В^3/2;

Количество реверсов – 2;

Диаметр катода – 8,6 мм.




СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

…………………..…………………………………………….

4

Содержание

……………………………………………………………

5

Условные обозначения

……………………………………………….

7

Введение

………………………………………………………………..

8

1. Современные ЭОС мощных клистронов и методы их расчета

(Обзор литературы)

………………………………………………...

10

1.1. Многолучевые ЭОС, как один из этапов развития мощных

клистронов

……………………………………………………………..

10

1.2. Современные методы фокусировки электронных потоков в

мощных клистронах

………………………………………………….

12

1.2.1. Электронная пушка мощного клистрона

……………….

12

1.2.2. Реверсная фокусировка электронных потоков

………...

13

1.3. Современные методы расчета ЭОС мощных клистронов

…...

17

1.3.1. Расчеты ЭОС методом синтеза

………………………….

17

1.3.2. Расчеты ЭОС методом анализа

………………………….

19

1.4. Способы измерения реальных магнитных полей в мощных

клистронах

……………………………………………………………..

23

1.5. Постановка задачи

…………………………………………….

25

2. Современные программы проектирования ЭОС и их использование для расчета и оптимизации реверсной магнитной

фокусирующей системы мощного клистрона

……………………….

27

2.1. Программа «Синтез», созданная на основе использования

теории В.Т. Овчарова

………………………………………………...

27

2.2. Программа «Алмаз» по расчету ЭОС методом анализа

…….

39

2.3. Расчет существующего варианта ЭОС прибора КИУ-147

….

44

2.4. Расчет и оптимизация электронной пушки

………………….

47

2.5. Расчет и оптимизация распределения магнитного поля в

системе. Оптимальный вариант построения ЭОС

………………….

53

3. Организационно – экономическая часть проекта

………………..

67

3.1. Блок-схема работы по теме

…………………………………..

67

3.2. Организация процесса разработки

…………………………...

69

3.3. Себестоимость и цена оптимизированной системы

………...

72

3.4. Экономические результаты проведенной оптимизации

…….

75

4. Технические мероприятия, обеспечивающие безопасность труда

при настройке устройства

…………………………………………….

77

4.1. Анализ условий труда на рабочем месте

…………………….

77

4.2. Освещение рабочего места

…………………………………….

78

4.3. Опасность поражения электрическим током

………………...

81

4.4. Меры защиты от СВЧ – излучения

…………………………...

83

4.5. Температура, влажность, давление

…………………………...

87

4.6. Требования к уровням шума и вибрации

………………….…

87

4.7. Пожарная безопасность

……………………………………….

88

Заключение

……………………………………………………….…….

91

Список литературы

…………………………………………………...

93

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЭОС – электронно-оптическая система;

РФС – реверсная фокусирующая система;

РЛС – радиолокационная станция;

ЛБВ – лампа бегущей волны;

В – индукция магнитного поля;

U – потенциал;

r – плотность пространственного заряда;

x
₀ – диэлектрическая постоянная;

R – константа Холла;

R
_кр – радиус кривизны катода;

Р
_m – микропервеанс электронного потока;

S – линейная сходимость электронного потока;

b
– коэффициент заполнения пролетного канала электронным потоком.


Введение.

В последние годы широкое распространение получили многолучевые конструкции пролетных клистронов. Их основное преимущество заключается в том, что первеанс электронного потока в них может быть увеличен в 10 и более раз. Это позволяет в 2 – 3 и более раз уменьшить анодное напряжение прибора при сохранении его выходной мощности.

Основным способом фокусировки электронных лучей в многолучевых приборах является использование однородного магнитного поля. Недостатком такого метода фокусировки является большой вес магнитной фокусирующей системы. Часто вес фокусирующей системы в несколько раз превосходит собственный вес клистрона. Одним из способов уменьшения веса магнитной фокусирующей системы является использование реверсной магнитной фокусировки.

Однако проектирование фокусирующей системы с реверсным магнитным полем представляет собою сложную задачу даже для случая однолучевой ЭОС. Однореверсная фокусирующая система обычно содержит два магнита (магнитных блока) направление намагниченности которых противоположно. Поэтому поля рассеивания каждых магнитов складываются с рабочим полем в зазоре. На заданной длине канала размещаются два магнита, каждый из них вдвое меньше по габаритам, чем однонаправленное поле. Поэтому масса РФС будет примерно в четыре раза меньше, чем у системы с однонаправленным полем.

Можно показать, что использование реверсной магнитной системы позволяет в (n + 1)² раз уменьшить вес системы по сравнению со случаем использования однородного магнитного поля (n – число реверсов). Протяженность зоны реверса в практических конструкциях приблизительно равно диаметру отверстия в полюсном наконечнике, она соизмерима с длиной волны пульсации электронного пучка в пролетном канале. При прохождении зоны реверса пучок оказывается под воздействием магнитного поля много меньшего, чем необходимо для существования равновесного пучка. Баланс сил нарушается и пучок начинает расширяться. Но это расширение кратковременно, так как поле опять быстро нарастает до заданного значения. Пучок не успевает сильно расширится, но электроны успевают приобрести радиальную составляющую скорость. Следовательно, после прохождения зоны реверса пучок начинает сильно пульсировать. Уменьшить амплитуду этих пульсаций можно, если пучок заставить пульсировать до зоны реверса, а фазу пульсации подобрать такой, чтобы при подходе к зоне реверса пучок был бы сходящимся. При многореверсной фокусировке такую фазу пульсаций необходимо обеспечить вблизи каждой зоны реверса. Это обстоятельство приводит к тому, что проектирование ЭОС представляет собой решение сложной электронно - оптической задачи.

При проектировании многолучевой ЭОС с реверсной магнитной фокусировкой задача усложняется тем, что необходимо обеспечить отсутствие насыщения магнитомягкого полюсных наконечников в перемычках между соседними пролетными каналами. Это необходимо для того, чтобы не допустить нарушение аксиальной симметрии магнитного поля в каждом отверстии полюсного наконечника многолучевой системы.

Проектирование реверсной магнитной фокусирующей системы для многолучевого клистрона (количество электронных лучей - 40) и является основной целью данной работы. В дипломной работе проводится расчет электронной пушки, исследуется влияние амплитуды магнитного поля в отдельных реверсах на конфигурацию электронного луча и проводится оптимизация всей ЭОС.


1. Современные ЭОС мощных клистронов и методы их расчета (обзор литературы).

1.1. Многолучевые ЭОС, как один из этапов развития мощных клистронов.

Основное предназначение СВЧ приборов – радиолокация, т. е. обнаружение самолетов противника. Радиолокация свое бурное развитие получила во время войны 1941 – 1945 г.г. Стояла задача обнаружить самолеты противника на возможно большем расстоянии от защищаемых городов, а это требовало создание приборов с большой мощностью. В СВЧ приборах энергия электронного потока преобразуется в энергию СВЧ излучения. Поэтому задача создания все более мощных СВЧ приборов требовала соответствующего совершенствования ЭОС этих приборов. ЭОС клистрона или ЛБВ состоит из электронной пушки, пространства дрейфа пучка и коллектора. Пушка формирует пучок с требуемым током и требуемого диаметра. В пространстве дрейфа пучок имеет примерно постоянный диаметр и проходит через пролетную трубу не осаждаясь на ней. Электронный пучок осаждается на коллекторе, который интенсивно охлаждается водой или воздухом. Известно три основных этапа развития электронно-оптических систем:

I этап. В первых клистронах, которые появились в 1933 – 1940 г.г., диаметр катода брался равным диаметру формируемого пучка и вся система помещалась в сильное магнитное поле, направленное по оси прибора. Траектория электронов двигалась по силовым линиям магнитного поля и достигала коллектора. Это были ЭОС, в которых траектории электронов были близки к прямым линиям, т.е. были одномерными системами. Недостатком таких систем является то, что в них плотность тока в пучке равна плотности тока не катоде. Поэтому на основе таких систем нельзя создавать приборы СВЧ большой мощности. Кроме того, такие системы требовали для работы интенсивных магнитных полей.

II этап. Пирс изобрел пушку Пирса. Бриллюэн предложил Бриллюэновский электронный поток. Использование пушки Пирса позволило снизить плотность тока на катоде в 10 и более раз. Использование Бриллюэновской фокусировки уменьшило величину требуемого магнитного поля. Расчет таких ЭОС представляет собою решение двумерной задачи электронной оптики. Таким образом, второй этап развития электронной оптики связан с переходом от одномерных к двумерным ЭОС.

Клистроны с пушками Пирса и с потоком Бриллюэна разрабатывались и выпускались на протяжении почти 30 лет и отвечали основным требованиям. Развитие шло в направлении увеличения мощности за счет увеличения напряжения. Были созданы приборы с выходной мощностью 1мВт и более, работающие при напряжении 300 – 400 кВ.

III этап. В шестидесятых годах сильное развитие получили авиация и космическая техника. Появились радиоуправляемые ракеты и стационарные станции стали легко уничтожаемыми. Появилась необходимость создания мобильных РЛС, когда сам клистрон или ЛБВ и все его источник питания помещаются в фургонах нескольких автомобилей, в железнодорожных вагонах, на вертолете или на самолете. Необходимо было снизить вес источника питания и самого клистрона (вес источника пропорционален ~ кубу напряжения). Для этого был сделан переход к многолучевым конструкциям. Для уменьшения веса фокусирующих систем применяется реверсная фокусировка и постоянные магниты. В таких системах ось симметрии магнитной системы не совпадает с осью симметрии пролетных каналов (кроме центрального канала). Поэтому расчет многолучевой системы в общем случае есть решение трехмерной задачи электронной оптики. Таким образом, переход к многолучевым ЭОС есть переход от двумерных к трехмерным оптическим системам. Следовательно, в своем развитии ЭОС прошли путь от одномерных к двумерным, а затем и к трехмерным системам.
1.2. Современные методы фокусировки электронных потоков в мощных однолучевых клистронах
[
1
]
.

1.2.1. Электронная пушка мощного клистрона.

В большинстве современных электронных приборов радиотехнического назначения используются различные по пространственной конфигурации интенсивные (высокопервеансные) электронные пучки.

Формирование и фокусировка интенсивных электронных пучков одна из основных задач, решаемых при разработке современных электронных приборов.

Методы формирования и фокусировки электронных пучков, как правило, связаны с принципом управления ими, особенно в тех приборах, где элементы электронно-оптических устройств входят непосредственно в конструкции колебательных или замедляющих систем. Тем не менее, существует ряд общих требований, для четкого уяснения которых рассмотрим кратко основные типы ЭОС, применяемых в электронных приборах радиотехнического назначения. Начнем это рассмотрение с систем исходного формирования электронных пучков – электронных пушек.

Основная задача электронной пушки, заключается в формировании интенсивного электронного пучка определенной конфигурации с заданными значениями тока и скорости и, по возможности, с ламинарным движением электронов.

В клистронах и ЛБВ типа О в целях получения большой высокочастотной мощности без существенного сокращения срока службы катода очень часто используются аксиально-симметричные электронные пучки с плотностью тока, превышающей допустимую плотность тока катода. Получить такие пучки можно, например, при помощи пушки Пирса, конструкция которой состоит из вогнутого сферического эквипотенциального катода с подогревателем, прикатодного фокусирующего электрода и анода с центральным отверстием. Обычно прикатодный электрод имеет потенциал, одинаковый с катодом, и располагается так, что его поверхность является как бы продолжением поверхности катода. Это дае основание называть такую пушку диодной. Путем соответствующего расчета формы электродов, производимого аналитическим методом или с помощью математического моделирования, в пушке создается такая конфигурация электрического поля, при которой электроны со всей поверхности катода равномерно сходятся в узкий электронный пучок, проходящий сквозь отверстие анода.

Степень сходимости электронов характеризуется так называемым коэффициентом сходимости (сжатия или компрессии). По мере увеличения коэффициента сходимости в пучке возрастают электростатические силы поперечного расталкивания, препятствующие сжатию пучка.
1.2.2. Реверсная фокусировка электронных потоков.

Применение фокусирующих систем с реверсом магнитного поля, отличаются тем, что на длине фокусирующей системы магнитное поле однократно или многократно меняет направление (реверсируется). На рис.1.1 и рис.1.2 приведены распределения магнитной индукции (В–кривые) для идеальной и реальной фокусирующих систем с

Осевое распределение магнитной индукции (В–кривая) для идеального реверсивного поля

Рис.1.1.



Осевое распределение магнитной индукции (В–кривая) для реальной реверсивной системы на постоянных магнитах.

Рис.1.2.




однократным реверсом. Характерной особенностью В–кривых реверсивных систем является наличие двух областей: области однородного поля L
₀ и области реверса L
_р. В – кривые рис.1.1 соответствуют идеальному реверсивному полю, когда поле мгновенно меняет знак и протяженность области реверса равна нулю. Если бы такое поле удалось реализовать, то радиальное движение заряженных частиц в этом поле происходило бы так же, как в однородном поле той же напряженности. В практических реверсивных системах область реверса магнитного поля имеет конечную протяженность (рис.1.2). Так как магнитная индукция в области реверса меньше, чем в области однородного поля (В_z
0
²
< В²), то, проходя эту область, фокусируемый пучок испытывает возмущение. В частности, первоначально равновесный пучок после прохождения зоны реверса будет пульсировать. Этот эффект может быть в значительной степени уменьшен в реверсивной системе с компенсирующими выбросами. Физически компенсирующее действие выбросов объясняется тем, что, проходя зону выбросов, частицы пучка получают некоторый избыточный радиальный импульс, который в определенной степени компенсирует уменьшение магнитной фокусирующей силы в зоне реверса. В первом приближении компенсирующие выбросы подбираются, с таким расчетом, чтобы среднеквадратичная индукция магнитного поля в области реверса с выбросами была равна индукции однородного поля:

Очевидно, что функция и(х), заданная выражением (2.13), всегда положительна (при положительных х) и удовлетворяет условию (2.10). В области малых х функция и(х) совпадает о функцией kx
^4/3, описывающей распределение потенциала в плоском диоде.

Коэффициенты а₁, а₂, полинома (2.13) выберем таким образом, чтобы удовлетворялось условие (2.12), а с помощью коэффициентов а₃, а₄, a
₅ удовлетворим условию (2.11).

С целью отыскания соответствующих коэффициентов а₁, а₂, найдемдля функции и(х), заданной выражением (2.13), приближенное решение уравнения (2.2), справедливое в области малых х.

При этом решение для функции j
(х) будем искать в виде





Из этого выражения следует, что значение j
"(
x
) при х = 0 определяется значением в₂. Поэтому для выполнения условия (2.12) необходимо найти такие значения коэффициентов a_n, при которых в₂ обращается в нуль. С этой целью подставим выражения (2.13), (2.15) в уравнение (2.2) и, приравнивая нулю коэффициенты при одинаковых степенях х, выразим в_n через a_n. Расчет показывает, что в_n выражается через коэффициенты а₁, а₂ и для выполнения условия в₂= 0 эти коэффициенты должны вычисляться по следующим формулам:







Как следует и (2.15), коэффициент в₁ определяет значение первой производной от функции j
(
x
) в точке x
= 0, т.е. на катоде. Поэтому введем обозначение в₁ = j¢_k, с учетом которого формулы (2.16) и (2.17) запишутся:







Этот расчет также показывает, что в области малых х коэффициенты к, в₃, в₄ связаны с постоянными коэффициентами i, а₃, а₄ следующими соотношениями:









С помощью этих соотношений можно вычислить приближенное решение уравнения (2.2), справедливое в области малых х, если значения коэффициентов а₃, а₄ известны.

Теперь вычислим такие значения коэффициентов а₃, а₄, а₅, при которых удовлетворяются условия (2.11). Для этого возьмем первую и вторую производные от функции и(х) и в точке х = 1 положим u
(1) = 1, u
'(1) = 0, u
"(1) = 0. Подучим систему трех уравнений, решая которую относительно а₃, а₄, а₅, найдем:









Уравнения (2.13), (2.18), (2.19), (2.23) – (2.25) определяют способ задания функции и(х), при котором выполняются как условия (2.10), (2.11), налагаемые на функцию и(х), так и условие (2.12), налагаемое на функцию j
(х).

После того как определена функция и(х), можно приступать к решению внутренней задачи для электростатической электронной пуша, т.е. к решению уравнения (2.2).

Будем решать уравнение (2.2) с помощью ЭВМ при следующих начальных условиях: х = х₀; j = j₀; j’ = j’₀

Значение параметра х₀ выберем малым (0,0001 + 0,01), а значения j₀ и j
’₀ для точки х = х₀ вычислим в соответствии с (2.15) по следующим формулам:





Значения коэффициентов в₃, в₄ в области малых х, должны вычисляться по формулам (2.21), (2.22), а входящие в них значения а₃, а₄, а₅, определяются соотношениями (2.22) - (2.25).

Решение уравнения (2.2) c помощью ЭВМ будем проводить до точки x
_кр, в которой производная j
’(х) обращается в нуль, т.е. до кроссовера пучка.

При решении внутренней задачи для электронной пушки необходимо задавать значения параметров i, j
¢
_k. Параметр i, как следует из (2.4), характеризует первеанс рассматриваемой пушки. Параметр j
¢
_k
определяет радиус кривизны катода пушки (R
_к
p), который вычисляется по формуле:





Внешняя задача также решается с помощью ЭВМ. При этом с помощью уравнения (2.5) находится решение внешней задачи в криволинейной системе координат, а затем, решая уравнение (2.6), осуществляем переход к цилиндрической системе координат. При решении внешней задачи необходимо задавать параметр V = U / U₀, где U - потенциал того электрода, форма которого вычисляется. При расчете геометрии прикатодного фокусирующего электрода значение параметра V полагается равным нулю, а при расчете формы анода пушки значение параметра V следует вычислять по формуле





где в = r_n / r
_k - коэффициент заполнения канала пучком; r_n, r
_k - соответственно радиусы пучка и пролетного канала.

Выражение (2.29) характеризует провисание потенциала в трубе дрейфа прибора, заполненной пучком с микропервеансом Р_m и коэффициентом заполнения в. Оно следует из уравнений (2.2), (2.5) с учетом (2.11).

После решения внутренней и внешней задач по описанной выше методике необходимо с помощью (2.28) вычислить радиус кривизны катода R
_к
p. Радиус катода, характеризующий площадь его эмитирующей поверхности, определяется точкой пересечения дуги радиуса R
_к
с графиком функции j
(х).

Обобщим результаты решения внутренней задачи для электростатической пушки и составим методику расчета пушки с заданными значениями параметров.

Вследствие выполнения условия (2.12) функция j
(х) в области малых значений х представляет собой прямую линию, образующую с осью х угол j
¢
_k. Поэтому радиус катода r
_k можно вычислить в результате решения задачи о пересечении этой прямой с дугой окружности, радиус которой определяется выражением (2.28). Решив эту задачу, получим:





Обозначим радиус пучка в кроcсовере r
_кр. Очевидно, что r
_кр определяется значением функции j
(х) в кроссовере j
_k
p и может быть вычислен с помощью выражения:





Введем понятие линейной сходимости пучка, определив ее как отношение радиуса катода r
_к к радиусу пучка в кроссовере r
_кр. Из уравнений (2.31), (2.30) для линейной сходимости электронного пучка получим следующее выражение:





Зависимость j
_k
p от j
¢
_k, получена в результате решения внутренней задачи для различных значений параметра j
¢
_k, лежащих в интервале 1,2 £ j
¢
_k £ 2,4. При этом значение параметра i оставалось неизменным и равным 0,4. Вычисленная зависимость была аппроксимирована выражением





Подставляя (2.33) в (2.32), получим:





Уравнение (2.34) может быть использовано для вычисления значений параметра j
¢
_k, при котором пушка формирует пучок с заданным значением сходимости S.

При создании методики расчета электростатической пушки будем считать заданными первеанс электронного пучка Р_m, линейную сходимость электронного пучка S и коэффициент заполнения канала пучком в.

Для решения внутренней задачи необходимо задать значения параметров i, j
¢
_k, а для решения внешней задачи - дополнительно значения коэффициента m и потенциалов V₁, V₂. Потенциал V₁ определяет форму прикатодного фокусирующего электрода пушки, а потенциал V₂ форму анода пушки. Поэтому значение V₁ положим равным нулю, а значение V₂ вычислим по заданным значениям Р_m и в с помощью формулы (2.29). Значение параметра i выберем равным 0,4. Значение параметра j
¢
_k найдем по заданному значению S и вычисленному значению m с помощью уравнения (2.34). Это уравнение трансцендентное и решение его возможно лишь с помощью ЭВМ.

После того как значения параметров i, V₁, j
¢
_k, m определены с помощью ЭВМ, можно провести полный расчет пушки, формирующей пучок с заданными параметрами.

Такой алгоритм расчета реализован в программе «Синтез». Эта программа вычисляет геометрию электронной пушки для клистронов и ламп бегущей волны. Для вычисления необходимо задать три параметра:

Р_m – микропервеанс электронного потока;

S – линейную сходимость электронного потока;

b – коэффициент заполнения пролетного канала электронным потоком.

В результате расчета определяется теоретическая и технологическая геометрия электронной пушки для клистронов и ламп бегущей волны.

2.2. Программа «Алмаз» по расчету ЭОС методом анализа.

Для расчета ЭОС методом Анализа изложенном в параграфе 1.3.2 использована программа «Алмаз». Эта программа состоит из двух загрузочных модулей: aupr.exe – расчетный модуль, grafl.exe – графический модуль.

Для выполнения расчетов по программе aupr.exe необходимо предварительно подготовить файл исходных данный «fd». Затем выполнить расчеты с помощью программы aupr.exe. При этом по запросу ЭВМ указать файл вывода результатов расчета «frl». В процессе расчета программа сама создает следующие файлы для построения результатов расчета в графической форме:

geom - для построения геометрии,

traek - для построения траекторий электронов,

tok - для построения распределения плотности тока.

Для получения результатов расчета в графической форме необходимо запустить программу grafl.exe, работающей в режиме диалога, и в соответствии с запросами осуществить вывод результатов расчета в виде графиков.

При этом в программе grafl.exe работают пункты меню в соответствии со следующей таблицей:

1.     Геометрия – работает.

2.     Траектории – работает.

3.     Эквипотенциали эл. поля – не работает.

4.     График распределения BZ – не работает.

5.     График распределения JZ – не работает.

6.     График токооседания – не работает.

При повторном выполнении расчетов необходимо предварительно ввести в файл «fd» новые данные и удалить файлы «frl», «geom», «traek», «tok», старого варианта.

При подготовке исходных данных ввод исходных данных осуществляется с дисплея. Данные вводятся в виде последовательности строк, содержащих наименования массивов и переменных и их числовые значения.

Числовые значения вводятся в виде строки чисел действительного типа форматом 8F8.0, причем последовательность ввода массивов и переменных должна строго выполнятся.

При подготовке исходных данных необходимо придерживаться следующих правил:

1. Сначала вводится строка, содержащая наименования переменных или массива и символы – разграничители «I», определяющие начало и конец поля, в котором располагаются числовые значения в соответствии с указанным форматом (8F8.0).

2. В следующей строке записываются под наименованием переменных или массива соответствующие числовые значения. Числовые значения массива могут располагаться в нескольких строках.

3. Числа могут располагаться в любом месте в пределах отведенного для них поля.

4. Количество символов в числе, включая знак и кодовую точку для чисел действительного типа не должно превышать ширины поля.

5. Знак «+» у чисел можно опускать.

Далее приведены наименования переменных, их назначение, последовательность массивов, которые объединяют эти переменные:

Массив 1 описывает общие данные о приборе, данные определяющие точность решения:

RU – максимальные размер области для поля по оси R.

RF – максимальный размер области для пространственного заряда по оси R.

ZU– максимальные размер области для поля по оси Z.

TTT – конец прибора по оси Z и последняя плоскость симметрии.

FH – число узлов, приходящихся на область перекрытия. FH = S /H, где S – протяженность участка прибора, общего для соседних областей (область перекрытия) S = 1.5dk, где dk – диаметр канала.

H – шаг разностной сетки, выбираемой из условий:

          H>=RU/147,

          H>=RF/147,

          H>=ZU/297.

VQ – шаг интегрирования. VQ = (2-3)*H.

U – анодное напряжение в вольтах.

FK – расстояние от катода до плоскости. В которой определяется ток и первеанс прибора. FK = (2-3)*H.

RK – радиус кривизны катода.

HK – высота катода.

ZO – координата по оси Z центра окружности катода.

Y1, Z1 Y2, Z2 – координаты конического катода (временно не используются) и полагаются равными Y1 = Z1 = Y2 = Z2 0.

FE – число слоев электронного потока FE<=30.

GE – критерий сходимости потенциала при расчете поля. GE = 0.001 – 0.0001.

RM– критерий неоднородности магнитного поля.

NP – число плоскостей симметрии, которыми прибора разбивается на отдельные области NP<=30.

IWN – число линий второго порядка, описывающих контур прибора.

IWP – число линий первого порядка, описывающих контур прибора.

NPR – максимальное число последовательных приближений при расчете каждой области.

NS – параметр, задающий частоту вывода цифровой информации на печать. При NS = 0 информация выводится на каждом шаге интегрирования.

NPL – число вводимых в массив Х15 плоскостей.

TK – температура катода в градусах Кельвина. Для расчета без учета влияния тепловых скоростей положить TK = 0.

NEG – число энергетических групп для многоскоростного потока NEG = 1-3.

Массив 2 описывает плоскости, в которых определяется токопрохождение.

Х15 (1) – Z1

Х15 (2) – Z2

Х15 (30) – Z30

Примечание:

1. Первые плоскости должны находиться в местах геометрической симметрии прибора. Число их не должно превышать 30.

2. Х15 (1) равно начальной границе прибора.

3. Х15 (NP) = TTT.

4. При расстановке плоскостей симметрии, на которые разбивается прибор, должно выполняться условие:

          max (Х15 (i + 1) - Х15 (i)) <= ZU – FH*H

Массив 3 описывает контур прибора и потенциалы на электродах. Геометрические размеры прибора должны быть заданы в (мм).

Х4	(1)	ZH –	ü ïý ïþ	координаты начала (ZH, RH) и конца (ZK, RK) линии второго порядка
	(2)	RH –
	(3)	ZK –
	(4)	RK –
	(5)	UH –	нормированный потенциал электрода
	(6)	ZO –	ü ý þ	координаты центра окружности
	(7)	RO –
	(8)	R –	радиус окружности
	(К)	ZH –	ü ïý ïþ	координаты начала (ZH, RH) и конца (ZK, RK) линии первого порядка
	(К+1)	RH –
	(К+2)	ZK –
	(К+3)	RK –
	(К+4)	UH –	нормированный потенциал электрода

Примечание:

1. Все числа, описывающие данную линию набираются в одной строке.

2. Все линии второго порядка должны быть описаны в начале массива восемью числами (Z_H, R_H, Z_K, R_K, U_H, Z_O, R_O, R). Линии первого порядка описываются после линий второго порядка пятью числами (Z_H, R_H, Z_K, R_K, U_H).

3. Конец прибора должен быть замкнут.

4. Максимальный размер массива Х4 (500).

Массив 4 описывает данные о магнитном поле.

B – максимальное значение продольной магнитной индукции в гауссах.

R1, R2– значения радиусов, на которых задается распределение магнитной индукции по оси Z, причем R1 = 0.5* RO (RO – радиус канала), R2 = 2*R1.

TM – начальная граница магнитного поля, ТМ <= (ZO – RK) – HM.

HM – расстояние между соседними точками по оси Z для значений магнитной индукции.

NM – число табличных значений магнитной индукции по оси вдоль всего прибора при R = 0. NM <= 200.

Массив 5 описывает распределение магнитной индукции по оси Z.

XM	(1)	BZH1 –	ü ý þ	табличные нормированные значения магнитной индукции по оси Z.
	(2)	BZH2 –

Примечание:

1. Распределение магнитной индукции задается при R = 0, R = R1, R = R2.

2. Если магнитное поле однородно по оси R (RM = 1), то распределение магнитной индукции задается только для R = 0 (осевое распределение BZN).

3. Массивы 4, 5 не вводятся при RM = 0, т.е. когда магнитное поле отсутствует.

4. Данные о магнитном поле должны быть по всей длине прибора.
2.3. Расчет существующего варианта ЭОС прибора КИУ-147.

Расчет производился методом анализа по программе «Алмаз» описанной в параграфе 2.2. Для этого создавался файл исходных данных «fd». Расчет проводился при анодном напряжении 52 кВ и при максимальном значении амплитуды магнитного поля 926 Гс. Результат расчета показан на рис.2.2, а соответствующий файл исходных данных представлен в таблице 2.1.

На этом рисунке показано распределение реверсного магнитного поля на оси одного из пролетных каналов наружного ряда отверстий. Здесь же показана траектория электронов формируемого электронного потока. Расчетное значение первеанса одного луча составило Р_m = 0,57 мкА/В^3/2, а ток одного луча 6,7 А. Учитывая, что в приборе образовано 40 пролетных каналов суммарный расчетный первеанс используемой ЭОС составил Р_m = 22,8 мкА/В^3/2.

Как следует из результатов расчета, максимальное значение радиуса электронного потока достигается в выходной части прибора R = 2,7 мм. Радиус пролетной трубы клистрона составляет 3,25 мм. Поэтому

Результаты расчета существующего варианта ЭОС.

Рис.2.2.


Таблица 2.1

Файл исходных данных к рисунку 2.2.
  RU   I  RF   I  ZU   I  TTT  I  FH   I   H   I  VQ   I  U   I

 22.     5.      45.     240.    40.     0.16    0.32   52000.

  FK   I  RK   I  HK   I  ZO   I  Y1   I  Z1   I  Y2   I  Z2  I

 0.32    11.     0.89    11.     0.      0.      0.      0.

  FE   I  GE   I  RM   I  NP   I  IWN  I  IWP  I  NPR  I  NS  I

 19.     0.001   1.      10.     1.0     7.0     10.0    2.

  NPL  I  TK   I  NEG  I       I       I       I       I      I

 10.     0.      1.

  X15  I       I       I       I       I       I       I      I

-0.24    40.     70.     100.    130.    160.    190.    220.

 250.    280.

  X4   I       I       I       I       I       I       I      I

 0.0     0.0     0.89    4.34    0.0     11.     0.0     11.

-1.0     4.34    0.89    4.34    0.0  

-1.0     4.7     2.2     4.7     0.0

 2.2     4.7     2.4     4.9     0.0

 2.4     4.9     2.4     23.     0.0

 11.96   23.     11.96   3.25    1.0

 11.96   3.25    270.    3.25    1.0

 270.    3.25    270.    0.      1.0

  BM   I  R1   I  R2   I  TM   I  HM   I  NM   I       I      I

 1000.   0.3     0.7    -6.      1.5     200.

  XM   I       I       I       I       I       I       I      I

 0.014   0.014   0.015   0.015   0.015   0.015   0.015   0.015

 0.015   0.014   0.011   0.002  -0.021  -0.092  -0.247  -0.486

-0.674  -0.754  -0.787  -0.798  -0.803  -0.805  -0.805  -0.806

-0.805  -0.805  -0.804  -0.804  -0.803  -0.802  -0.801  -0.801

-0.800  -0.799  -0.799  -0.800  -0.801  -0.801  -0.801  -0.802

-0.804  -0.805  -0.807  -0.808  -0.811  -0.813  -0.814  -0.816

-0.817  -0.819  -0.821  -0.822  -0.823  -0.823  -0.824  -0.823

-0.822  -0.821  -0.820  -0.817  -0.813  -0.802  -0.780  -0.717

-0.578  -0.330  -0.097   0.087   0.320   0.615   0.823   0.906

 0.942   0.956   0.964   0.969   0.972   0.976   0.978   0.980

 0.982   0.984   0.985   0.986   0.986   0.986   0.986   0.986

 0.986   0.986   0.986   0.986   0.986   0.985   0.985   0.985

 0.984   0.985   0.985   0.984   0.984   0.984   0.984   0.983

 0.982   0.981   0.980   0.979   0.977   0.975   0.973   0.970

 0.966   0.962   0.956   0.942   0.914   0.834   0.661   0.368

 0.106  -0.091  -0.333  -0.613  -0.800  -0.873  -0.905  -0.917

-0.925  -0.929  -0.932  -0.935  -0.938  -0.940  -0.943  -0.945

-0.946  -0.948  -0.949  -0.950  -0.950  -0.951  -0.951  -0.952

-0.952  -0.953  -0.953  -0.954  -0.954  -0.955  -0.957  -0.958

-0.958  -0.958  -0.959  -0.960  -0.960  -0.961  -0.962  -0.962

-0.961  -0.960  -0.959  -0.958  -0.957  -0.955  -0.951  -0.946

-0.937  -0.917  -0.876  -0.768  -0.578  -0.320  -0.092   0.089

 0.278   0.451   0.557   0.586   0.583   0.557   0.524   0.487

 0.449   0.413   0.379   0.347   0.319   0.293   0.270   0.249

 0.229   0.213   0.199   0.186   0.174   0.164   0.155   0.148


максимальное значение коэффициента заполнения канала пучком (b) по результатам расчета составляет b = 0,875. Такое значение коэффициента заполнения канала пучком является недопустимо высоким и может служить причиной большого токооседания пучка на стенки пролетного канала в динамическом режиме работы прибора. В связи с этим встает задача оптимизации данной ЭОС с целью уменьшения радиуса формируемого пучка при сохранении значения первеанса.

Анализ результатов расчета представленный на рис.2.2 показывает, что имеется две причины, приводящие к увеличению радиуса пучка в выходной части прибора:

- неламинарность электронных траекторий в формируемом электронной пушкой пучке. Крайняя траектория пучка формируемого пушкой пересекает все остальные траектории, близко подходит к оси, а затем, расширяется и приводит к увеличению заполнения канала пучком;

- не оптимальность фазы влета пучка во второй реверс. Как следует из рис.2.2, при подходе ко второму реверсу электронный пучок является расширяющимся. Проходя зону реверса, пучок дополнительно расширяется на участке с малыми значениями магнитного поля и поэтому достигает недопустимо большого значения радиуса в выходной части прибора.

Для устранения указанных причин увеличения радиуса электронного потока необходимо провести расчет оптимизацию электронной пушки прибора, а также расчет и оптимизацию распределения магнитного поля в системе.
2.4. Расчет и оптимизация электронной пушки.

Для оптимизации параметров электронной пушки использовалась совокупность методов синтеза и анализа. При расчете ЭОС методом синтеза использовалась программа «Синтез» описанная в параграфе 2.1, а при расчете ЭОС методом анализа использовалась программа «Алмаз» описанная в параграфе 2.2.

При расчете электронной пушки методом синтеза задавались три основные параметра:

Р_m – микропервеанс электронного потока;

S – линейную сходимость электронного потока;

b – коэффициент заполнения пролетного канала электронным потоком.

При расчете, значения этих параметров были следующие: Р_m = 0,57 мкА/В^3/2, S = 3 , b = 0,5. Результаты расчета электронной пушки методом синтеза показаны на рис.2.3. Как следует из рисунка, пушка формирует ламинарный электронный поток, однако форма фокусирующих электродов пушки является не технологичной. Для упрощения формы заменим прикатодный фокусирующий электрод и анод, как показано на рисунке. Электронную пушку с упрощенной формой фокусирующих электродов будем рассчитывать методом анализа по программе «Алмаз». Изменяя высоту фокусирующего электрода, получим заданное значение первеанса и сходимость при ламинарной структуре электронных траекторий. Окончательный оптимизированный вариант электронной пушки рассчитанных по программе «Алмаз» показан на рис.2.4.

Далее новая электронная пушка, результаты расчета которой приведены на рис.2.2, была поставлена в систему, и был выполнен новый расчет ЭОС от катода до конца пролетного канала. Результаты расчета показаны на рис.2.5, а соответствующий файл с исходными данными приведен в таблице 2.2. Сравнивая рис.2.2 и рис.2.5 можно сделать вывод о том, что применение новой электронной пушки улучшило ламинарность электронных траекторий (теперь крайняя

Результаты расчета электронной пушки методом синтеза.

Рис.2.3.




Результаты расчета электронной пушки методом анализа.

Рис.2.4.




Результаты расчета ЭОС с оптимизированной электронной пушкой.


Рис.2.5.


Таблица 2.2.

Файл исходных данных к рисунку 2.5.
  RU   I  RF   I  ZU   I  TTT  I  FH   I   H   I  VQ   I  U   I

 28.     5.      55.     270.    33.     0.2     0.4    52000.

  FK   I  RK   I  HK   I  ZO   I  Y1   I  Z1   I  Y2   I  Z2  I

 0.4     9.      1.11    9.     0.     0.     0.     0.

  FE   I  GE   I  RM   I  NP   I  IWN  I  IWP  I  NPR  I  NS  I

 19.     0.001   1.      10.     1.0     7.0     10.0    2.    

  NPL  I  TK   I  NEG  I       I       I       I       I      I

 10.     0.      1.

  X15  I       I       I       I       I       I       I      I

-0.3     45.     85.     125.    165.    205.     245.    285.

 325.    365.

  X4   I       I       I       I       I       I       I      I

 0.0     0.0     1.11    4.34    0.0    9.     0.0    9.

-1.0     4.34    1.11    4.34    0.0  

-1.0     4.7     2.2     4.7     0.0

 2.2     4.7     2.4     4.9     0.0

 2.4     4.9     2.4     29.     0.0

 12.7    29.     12.7    3.25    1.0

 12.7    3.25    295.    3.25    1.0

 295.    3.25    295.    0.      1.0  

  BM   I  R1   I  R2   I  TM   I  HM   I  NM   I       I      I

 1000.   0.3     0.7    -5.26    1.5     200.

  XM   I       I       I       I       I       I       I      I

 0.014   0.014   0.015   0.015   0.015   0.015   0.015   0.015

 0.015   0.014   0.011   0.002  -0.021  -0.092  -0.247  -0.486

-0.674  -0.754  -0.787  -0.798  -0.803  -0.805  -0.805  -0.806

-0.805  -0.805  -0.804  -0.804  -0.803  -0.802  -0.801  -0.801

-0.800  -0.799  -0.799  -0.800  -0.801  -0.801  -0.801  -0.802

-0.804  -0.805  -0.807  -0.808  -0.811  -0.813  -0.814  -0.816

-0.817  -0.819  -0.821  -0.822  -0.823  -0.823  -0.824  -0.823

-0.822  -0.821  -0.820  -0.817  -0.813  -0.802  -0.780  -0.717

-0.578  -0.330  -0.097   0.087   0.320   0.615   0.823   0.906

 0.942   0.956   0.964   0.969   0.972   0.976   0.978   0.980

 0.982   0.984   0.985   0.986   0.986   0.986   0.986   0.986

 0.986   0.986   0.986   0.986   0.986   0.985   0.985   0.985

 0.984   0.985   0.985   0.984   0.984   0.984   0.984   0.983

 0.982   0.981   0.980   0.979   0.977   0.975   0.973   0.970

 0.966   0.962   0.956   0.942   0.914   0.834   0.661   0.368

 0.106  -0.091  -0.333  -0.613  -0.800  -0.873  -0.905  -0.917

-0.925  -0.929  -0.932  -0.935  -0.938  -0.940  -0.943  -0.945

-0.946  -0.948  -0.949  -0.950  -0.950  -0.951  -0.951  -0.952

-0.952  -0.953  -0.953  -0.954  -0.954  -0.955  -0.957  -0.958

-0.958  -0.958  -0.959  -0.960  -0.960  -0.961  -0.962  -0.962

-0.961  -0.960  -0.959  -0.958  -0.957  -0.955  -0.951  -0.946

-0.937  -0.917  -0.876  -0.768  -0.578  -0.320  -0.092   0.089

 0.278   0.451   0.557   0.586   0.583   0.557   0.524   0.487

 0.449   0.413   0.379   0.347   0.319   0.293   0.270   0.249

 0.229   0.213   0.199   0.186   0.174   0.164   0.155   0.148


траектория электронного потока не пересекает остальные траектории пучка). Однако радиус электронного потока в выходной части прибора уменьшился не значительно (приблизительно на 7%).

Как следует из рис.2.5 основной причиной увеличения радиуса пучка в выходной части клистрона является не оптимальность фазы влета пучка во второй реверс. Для улучшения указанной фазы влета необходимо провести расчет и оптимизацию распределения магнитного поля в системе с новой электронной пушкой.

2.5. Расчет и оптимизация распределения магнитного поля в системе. Оптимальный вариант построения ЭОС.

Анализ результатов расчета представленный на рис.2.5 показывает, что для улучшения фазы влета пучка во второй реверс необходимо либо увеличивать магнитное поле, либо уменьшать. При увеличении амплитуды поля во второй области длина волны пульсаций пучка уменьшится и можно достичь того, что во второй реверс пучок не будет входить расходящимся. Это приведет к уменьшению радиуса пучка в области за вторым реверсом.

Аналогичный результат можно получить, если значительно уменьшить амплитуду магнитного поля во второй области. В этом случае длина волны пульсаций увеличится и можно достичь того, что в область второго реверса электронный пучок будет поступать сходящимся, что приведет к уменьшению радиуса пучка в области за вторым реверсом. Оба эти метода были исследованы практически. На рис.2.6 приводятся результаты расчета пучка от катода до конца пролетного канала в ЭОС, в которой амплитуда магнитного поля везде увеличена на 10 % по сравнению с расчетом, показанным на рис.2.5. В первой области поле увеличено с 803 до 883 Гс., во второй области поле увеличено с 986 до 1084 Гс., в третьей области поле увеличено с 960 до