Нелинейное взаимодействие поперечных волн электронного потока в расходящихся аксиально-симметричных магнитных полях

Содержание
введение.................................................................................з
Глава J. ПРЕОПРАЗОВЛНИЕ МИКРОВОЛН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЗАДАЧАХ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ...............................................................8
§ 1.1. Передача энергии микроволновым лучом..............................................8
§ 1.2. Обратное преобразовд] же микроволн в постоя!и 1Ый ток............................11
§ 1.3. ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ МИКРОВОЛНОВОЙ ПЕРЕДАЧИ.....................................12
§ 1.4. ЦПКЛ0ТР011НЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ЭКСПЕРИМЕНТОВ.14
§ 1.5. Выводы...........................................................................26
Глава II. ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРОННОМ ПОТОКЕ..............—.................................................................... 28
§ 2.1. Нормальные волны в электронном потоке............................................28
§ 2.2. БЫСТРЫЕ И МЕДЛЕННЫЕ ЦИКЛОТРОННЫЕ ВОЛНЫ...........................................33
§ 2.3. Синхронные волны электронного потока.............................................35
§ 2.4. ПЕРЕНОС МОЩНОСТИ ВОЛНАМИ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА.....................................36
$ 2.5. Аналитическое рассмотрение преобразования поперечных волн........................38
§ 2.6. НЕОДНОРОДНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ по поперечному СЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОННОГО 110T0KA..........47
§2.7. ВЫВОДЫ............................................................................48
Глава III. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В РАСХОДЯЩИХСЯ АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ......................................50
§3.1. Постановка задачи.................................................................50
§ 3.2. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЦИКЛ01 ТОННЫХ УСТРОЙСТВАХ..................51
§ 3.3. ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА. НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ.........................56
§ 3.4. МЕТОД ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯ ДА..................................62
§ 3.5. ТЕСТИРОВАНИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА..........................................65
§ 3.6. Учет влияния проводящих границ области...........................................74
§ 3.7. Система релятивистских уравнений движения электронного потока....................75
§ 3.8. Пространственное распределение магнитного поля...................................77
§ 3.9. Реализация вычислительного алгоритма средствами среды визуального программирования...81 § ЗЛО. Выводы......................................................................83
Глава IV. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН В РАСХОДЯЩИХСЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ С РАЗЛИЧНЫМ ПРОФИЛЕМ..........................................86
§4.1. ВЫБОР НАЧАЛЬНЫХ П АРАМЕТРОВ.......................................................86
§ 4.2. Результаты вычислений с учетом поля пространственного заряда.....................оз
§ 4.3. результаты вычислений с модифицированным профилем магнитного ПОЛЯ...............104
§ 4.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН В КОРОТКОМ РЕВЕРСЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ..............1 10
§ 4.5. Распределение продольных скоростей электронного потока..........................120
§4.6. Выводы...........................................................................123
Глава V. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОПЕРЕЧНЫХ ВОЛН ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА В ПРИСУТСТВИИ ТОРМОЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ.» ......................................125
§ 5.1. Особенности вза* imoдействия поперечных волн электронного потока в прису гствии
тормозящего электростатического ПОЛЯ...................................................125
§ 5.2. вычисление оптимального птофнля электрического ПОЛЯ.............................127
§ 5.3. Результаты моделирования с различными профилями электрического и магнитного полей. ... 128 § 5.4. Сопоставление результатов теоретического анализа с данными экспериментов на
ЛАБОРАТОРНЫХ ОБРАЗЦАХ ЦПЭ..............................................................140
§ 5.5. ВЫВОДЫ..........................................................................144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 146
ЛИТЕРАТУРА....................................................... -......................148
ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................... 158
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы связана с возрастающей необходимостью разработки физических основ для создания мощных и высокоэффективных преобразователей СВЧ энергии в постоянный электрический ток. Проблемы роста общего энергопотребления и энергетической безопасности, выброса промышленных отходов в атмосферу и глобальных изменений климат вызывают необходимость поиска новых экологически чистых источников энергии. Среди них - космические энергосистемы, транслирующих энергию солнечного излучения наземным потребителям с помощью направленного микроволнового луча. В последние годы эта идея получила новое развитие в связи с проектами низкоорбитальных солнечных космических электростанций с мощностью 10-100 МВт.
Для приема микроволн и преобразования их энергии в энергию электрического тока предполагается использовать ректениы, содержащие дипольиые антенны и полупроводниковые диоды Шоттки. Ректенны продемонстрировали высокий КПД на этапе лабораторных испытаний, однако соединение маломощных и низковольтных ректенн в последовательно-параллельные цепи в энергетических системах неизбежно скажется на надежности и стабильности их работы. Кроме того, уровень переизлучения ректенных систем на гармониках рабочей частоты, неизбежно возникающих в процессе преобразования микроволн, может вызвать затруднения для работы существующих систем передачи информации и радиосвязи.
Альтернативой ректеннам могут стать циклотронные преобразователи энергии (ЦПЭ), заметно превосходящие их по удельной мощности, величине выходного напряжения, устойчивости к электромагнитным и радиационным воздействиям и перегрузкам. Это стимулирует поиск новых и разработку уже известных механизмов взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, когда модуляция электронного потока производится путем поперечного смещения потока, т.е. при возбуждении поперечных волн электронного потока.
3
Проведенные ранее в России (в 70х-90х годах в МГУ, НПО "Торий", НПО "Исток") экспериментальные и теоретические исследования циклотронных преобразователей энергии (ЦГ1Э), принцип действия которых основан на взаимодействии пространственно искривленного электронного потока без электронных сгустков (отсутствие продольной модуляции в потоке) с реверсивным или спадающим до нуля магнитным нолем, показали перспективность такого взаимодействия с точки зрения увеличения эффективности преобразования и реализации высоких значений выходной мощности (достигнутые значения КПД лабораторных образцов ЦПЭ превышают уровень 80% при уровне мощности 10 кВт).
Детальный анализ влияния формы, поперечных размеров и собственных полей электронного потока на процессы энергообмена в этих устройствах и роли нелинейных по радиусу компонент расходящегося магнитного поля, а также проникающих электростатических полей требует дальнейшего развития. Это облегчит оптимизацию и надежное прогнозирование экспериментальных конструкций.
Цель данной работы
1. Разработка физической модели электронного потока с парциальными спиралевидными пучками конечного сечения с целью более точного учета влияния поля пространственного заряда по сравнению с использовавшимися ранее нитевидными моделями.
2. Исследование влияния поля пространственного заряда на процесс нелинейного поперечно-волнового взаимодействия в расходящемся аксиально-симметричном магнитном поле.
3. Исследование возможности снижения разброса продольных скоростей электронного потока в процессе преобразования быстрой циклотронной волны в синхронную волну в расходящемся магнитном поле с различным его распределением.
4
4. Исследование квазипериодических изменений формы распределения продольных скоростей электронов при взаимодействии поперечных волн в интенсивном электронном потоке.
5. Исследование возможности прямого преобразования энергии быстрой циклотронной волны интенсивного электронного потока в энергию постоянного электрического тока в расходящихся магнитных полях под действием тормозящего электрического поля.
Научная новизна работы
1. Изучено преобразование быстрой циклотронной волны в синхронную волну электронного потока в расходящихся магнитных полях различной конфигурации.
2. Разработана физическая модель электронного потока с парциальными пучками конечного сечения, обеспечивающая существенное снижение погрешности вычислений поля пространственного заряда по сравнению с использовавшимися ранее нитевидными моделями.
3. Исследованы квазипериодические изменения формы распределения разброса продольных скоростей электронов при нелинейном взаимодействии поперечных волн в интенсивном электронном потоке.
4. Исследована возможность прямого преобразования энергии быстрой циклотронной волны электронного ' потока в энергию постоянного электрического тока в расходящихся магнитных полях под действием тормозящего электрического поля.
Научная и практическая значимость работы
1. Разработана трехмерная физическая модель электронного потока с парциальными пучками конечного сечения и предложен метод вычисления поля пространственного заряда электронного потока. Применение данной модели позволяет снизить ошибки в вычислениях кулоновских полей на порядок по сравнению с использовавшимися ранее нитевидными моделями.
5
Предложенная модель применима для анализа динамики электронных потоков в поперечно-волновых устройствах СВЧ.
2. Предложен модифицированный профиль магнитного поля. В результате численного моделирования установлено, что применение данного профиля магнитного поля при использовании оптимальных параметров поперечноволнового преобразования позволяет сократить потери в полтора раза и более.
3. Установлено, что при нелинейном взаимодействии поперечных волн в интенсивном электронном потоке, сопровождающемся продольной группировкой электронного потока, наблюдаются квазииериодичсские изменения формы распределения продольных скоростей.
4. Предложена новая конструкция циклотронного преобразователя с комбинированной реверсивной областью, в которой кинетическая энергия вращения электронного потока преобразуется непосредственно в его потенциальную энергию при сохранении продольной скорости электронов на постоянном уровне.
5. Результаты работы применимы для анализа динамики электронных потоков в мощных поперечно-волновых СВЧ устройствах (ЛБВ, ЦГ1Э, гироконы, магииконы и др.).
Защищаемые положения
1. Действие поля пространственного заряда в интенсивном электронном потоке приводит к нелинейному взаимодействию поперечных волн электронного потока в расходящихся магнитных полях.
2. В расходящемся аксиально-симметричном магнитном поле с 7с/2-профилем снижается в полтора раза разброс продольных скоростей, вызванный взаимодействием поперечных волн.
3. Взаимодействие поперечных волн в интенсивном электронном потоке вызывает квазипериодические изменения формы распределения продольных скоростей электронов.
4. Применение тормозящего электрического поля в области расходящегося магнитного поля позволяет реализовать прямое высокоэффективное (до 94%) преобразование энергии быстрой циклотронной волны в энергию постоянного электрического тока.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 50м Международном астронавтическом конгрессе (Амстердам, Нидерланды, 1999г.), Научных сессиях МИФИ-98, МИФИ-99, МИФИ-2000, МИФИ-2003 (г.Москва), Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Красновидово/Звенигород, Московская область, 1997, 1999, 2000, 2001, 2002, 2006, 2007, 2008 гг.), семинарах лаборатории вычислительной физики ИРЭ РАН и кафедры фотоники и физики микроволн Физического факультета МГУ. По теме диссертации опубликовано 23 работы [68-90], в том числе 6 научных статей в реферируемых изданиях из списка ВАК [85-90].
7
ГЛАВА 1.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МИКРОВОЛН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГОК В ЗАДАЧАХ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ.
§ 1.1. Передача энергии микроволновым лучом.
Идея передачи энергии с помощью электромагнитного излучения была впервые высказана выдающимся электротехником Николой Тесла в начале XX века. Развитие радиолокации и интенсивные работы по освоению дециметровых и сантиметровых диапазонов микроволн заложили основу для широкого использования СВЧ энергетики и вызвали растущий интерес к беспроводной передаче энергии с помощью направленного микроволнового излучения [1]. Микроволновый диапазон (2,4-5,8 ГГц) дает возможность существенно уменьшить размеры передающих и приемных антенн и отличается высоким уровнем эффективности устройств генерации и преобразования энергии электромагнитного излучения в проектах беспроводной передачи энергии [2-9].
Идея широкомасштабной микроволновой передачи энергии, вырабатываемой космическими солнечными электростанциями, наземным потребителям принадлежит П. Глезеру [10] и интенсивно прорабатывалась в 70-х годах прошедшего столетия. Проблемам солнечных космических электростанций и микроволновой передачи энергии посвящен ряд публикаций в отечественной научной печати [11,12]. В последние годы ряд перспективных проектов микроволновой передачи энергии наземного и космического базирования, рассчитанных на меньшую мощность, разрабатываются в США, Японии и ЕС.
При анализе потенциальных возможностей микроволновой передачи энергии важно учитывать как эффективность передачи, так и достигнутый уровень переданной мощности. Общая эффективность системы микроволновой
8
передачи энергии может рассматриваться как произведение эффективности составляющих компонент - КПД систем генерации микроволн, КПД передачи микроволнового излучения от передающей антенны к приемной антенне и КПД обратного преобразования микроволн в электрический ток для энергоснабжения потребителей.
На сегодняшний день наивысшее значение результирующей эффективности микроволновой передачи энергии в промышленном диапазоне частот (2,4-2,5 ГГц) продемонстрировано в эксперименте В. Брауна и Р. Дикинсона в 1975 году [13]. Было зафиксировано значение отношения мощности, выделенной в нагрузке постоянного тока на приемном конце линии передачи, к мощности питания магнетрона в передающей антенне на уровне 54 ± 1%. Необходимо отмстить, что этот уровень достигнут при использовании единственного «наиболее неэффективного» звена во всей технологической цепочке микроволновой передачи энергии - магнетрона с КПД не более 72%. Если бьт этот эксперимент можно было бы повторить сегодня с магнетроном, разработанным в России и обладающим КПД на уровне 83%, то результирующая эффективность передачи энергии составила бы 64%.
Наивысший уровень переданной мощности также зафиксирован в эксперименте В. Брауна и Р. Дикинсона - 34 кВт постоянного тока в нагрузке приемной системы при передаче энергии на расстояние 1,55 км на частоте 2,4 ГГц. Приемная система, содержавшая ректенньт с СаАБ - диодами, продемонстрировала КПД приема и преобразования микроволн в постоянный ток на уровне 82,5%. При использовании частоты 5,8 ГГц в качестве рабочей наибольший уровень мощности постоянного тока в нагрузке - 450 Вт зафиксирован для микроволновой передачи на расстояние 200 футов.
Для систем передачи космического базирования эффективность генерации микроволн имеет особое значение в связи с требованиями уменьшения масс - габаритных характеристик передающих устройств. Среди наиболее высокоэффективных вакуумных устройств для генерации микроволн следует выделить магнетроны, клистроны и гиротроны. Наивысший КПД
генерации в настоящее время достигнут на магнетронах (83% на частотах выше 2 ГГц), хотя для более низких частот КПД вакуумных СВЧ-устройств и твердотельных генераторов может превышать этот уровень.
В дополнение к масс-габаритным характеристикам передающих устройств космического базирования одним из ключевых параметров генерирующих устройств является уровень их рабочей температуры. Масса охлаждающего радиатора резко возрастает с уменьшением его рабочей температуры, однако повышение последней ведет к сокращению срока службы генерирующих устройств. Для заданного срока службы генератор с более высоким уровнем рабочей температуры будет иметь меньшую массу. В результате вакуумные СВЧ генераторы являются более предпочтительными для космического применения по сравнению с твердотельными устройствами из-за более низких тепловых потерь. Однако геометрическая конфигурация космических передающих систем также может оказывать влияние на выбор генерирующего устройства. Для использования фактора снижения относительной массы генератора с повышением его мощности вакуумное устройство нуждается в высоковольтном источнике питания. Если для питания генератора предполагается использовать распределенные низковольтные источники (солнечные батареи), то необходимо принимать во внимание увеличение их массы и омические потери в коммутирующих сетях.
В большинстве вакуумных СВЧ генераторов (за исключением магнетронов) для повышения результирующего КПД используется рекуперация энергии отработанного электронного пучка в многосекционном коллекторе с депрессией потенциала. Это предполагает использование усложненных многосекционных источников питания и преобразователей напряжения, что ведет к усложнению и возрастанию массы передающей системы, сокращению срока службы н усложнению охлаждающих устройств.
Если твердотельные низковольтные генерирующие устройства могут быть термически согласованы с фотоэлектрическими преобразователями, то необходимость в длинных коммутирующих цепях и преобразователях
10
напряжения может отпасть. Тем не менее, необходимо принимать во внимание разницу в ориентации фотопреобразоватслей (на Солнце) и передающей СВЧ антенны (па наземную или космическую ректснну).
§ 1.2. Обратное преобразование микроволн в постоянный гок
Наиболее распространенным типом преобразователя микроволн в постоянный электрический ток является ректенна с полупроводниковым диодом Шоттки. Наивысшее значение КПД преобразования ректенны было достигнуто в лабораторных условиях — 91,4% при входной мощности микроволн до 10 Вт на единичном экземпляре диода Шоттки для рабочей частоты 2,45 ГГц [14]. На частоте 5,8 ГГц КПД преобразования ректенн с диодами Шогтки достигает 82% при входной мощности 50 мВт [15].
Плотность мощности падающего излучения может заметно изменяться на апертуре приемного комплекса микроволновой линии передачи (до 10 дБ). Для крупномасштабных проектов солнечной энергетики плотность мощности уменьшается от 230 Вт/кв.м в центре приемного комплекса до 23 Вт/кв.м на краю ректенны (для проекта МАБА). При оптимальных значениях плотности диполей (150-200 диполей/кв.м) нагрузка па один диод в центре приемной ректенны будет близка к номинальной мощности диодов Шоттки (1-2 Вт), при которой реализуется максимальный КПД преобразования микроволн в постоянный ток.
Однако уменьшение уровня входной мощности приводит к росту потерь на диоде и значительному снижению КПД преобразования. При значениях Рвх 100 мВт и ниже КПД преобразования не превышает 60%. Таким образом, использование однотипных ректенн на всей площади приемного комплекса приведет к заметному уменьшению КПД всей системы.
Наиболее рациональным решением для поддержания уровня входной мощности ректенны, близкого к номинальной мощности диода, может быть использование ректенн с многодипольными антеннами. В таких ректепнах
11
мощность микроволн, принятых каждым диполем, суммируется и направляется на один общий диод. Суммирование мощности даст возможность реализовать оптимальный режим работы диода Шоттки с высоким КПД преобразования.
Альтернативным типом устройства для обратного преобразования микроволн в постоянный ток могут быть различные вакуумные приборы, работающие в обращенном режиме (клистроны, магнетроны и др.). Следует особо выделить циклотронный преобразователь с эффективностью до 83%, входной мощностью микроволн 10 кВт на частоте 2,45 ГГц и выходным напряжением 15-20 кВ [16].
Мощные вакуумные преобразователи с высоким выходным напряжением легче могуг быть интегрированы в существующие энергосистемы по сравнению с низковольтными ректеннами, которые придется коммутировать в большое число последовательно- параллельных цепочек для передачи энергии на киловольтном уровне.
§ 1.3. Проблемы безопасности микроволновой передачи
Среди основных требований к микроволновой передаче энергии следует выделить достижение высокой эффективности при одновременном обеспечении безопасности, экологической чистоты и электромагнитной совместимости системы. Уровень фонового излучения и боковых лепестков передающих антенных систем на основной частоте должны соответствовать требованиям стандартов безопасности. Особое внимание следует уделять проблеме переизлучения микроволн приемной системой с полупроводниковыми преобразователями (ректеннами) на кратных гармониках рабочей частоты.
Эксперименты по применению рекгеин с полуволновыми диполями показали достаточно высокую эффективность - до 80-90%. Однако дипольная антенна способна переизлучать значительную долю высших кратных гармоник частоты принимаемого микроволнового излучения, которые возникают при его
12
I
выпрямлении полупроводниковым диодом. Относительный уровень мощности высших кратных гармоник может достигать нескольких процентов (2-5% на удвоенной частоте) и уменьшается с номером гармоники. Однако при высоком уровне передаваемой мощности и без принятия специальных мер по подавлению высших гармоник приемные наземные системы микроволновых линий передачи энергии могут создавать серьезные помехи существующим системам передачи информации и радиосвязи. С этой целью в конструкцию полуволнового ректенного элемента вводят фильтры низких частот, предназначенные для уменьшения уровня высших кратных гармоник рабочей частоты, излучаемых ректенной.
Помимо полуволновых диполей в ректенных элементах предложено использовать дисковые микрополосковые антенны. Микрополосковые антенны имеют ряд привлекательных свойств, таких как малый профильный размер, малый вес, компактная и простая конструкция, сравнительная легкость интеграции с твердотельными устройствами, возможность использования техники фотолитографии для промышленного изготовления и др. Применение круглых дисковых микрогюлосковых антенн дает также дополнительные возможности решения проблемы псрсизлучсния высших кратных гармоник рабочей частоты.
Интенсивность переизлучения на частотах кратных гармоник у ректенн с дисковой микрополосковой антенной (ДМА) будет существенно ниже, чем у ректенн с полуволновым диполем. При достаточно узких резонансах подавление кратных гармоник может быть настолько эффективным, что ректенный элемент с ДМА может и не содержать дополнительных фильтров низкой частоты.
Дополнительные возможности для снижения уровня кратных гармоник (в четыре-пять раз) дает введение в конструкцию ДМА щелей, расположенных вдоль линий тока для основной моды на рабочей частоте и препятствующих возбуждению антенны на удвоенной частоте.
13
§ 1.4. Циклотронный преобразователь. Результаты теоретического
АНАЛИЗА И ЭКСПЕРИМЕНТОВ.
С точки зрения направления взаимодействия существует два принципа динамического управления электронным потоком в электровакуумных СВЧ приборах. В первом случае электрическое высокочастотное поле направлено вдоль вектора скорости дрейфа электронного потока. Такой принцип модуляции используется в ряде классических СВЧ приборов, например, в клистроне, ЛОВ, ЛБВ [17,18]. В другом случае электронный поток дрейфует вдоль внешнего постоянного магнитного ноля, а переменное во времени электрическое поле действует перпендикулярно к нему. Данный принцип динамического управления электронным потоком называется поперечной модуляцией.
Поперечные волны электронного потока в малосигнальном приближении исследуется в ряде работ [19-23]. Теоретический анализ поперечноволнового взаимодействия в обтцем случае затруднен трехмерным характером движения и нелинейными эффектами, неизбежно сопровождающими взаимодействие электронного пучка с электромагнитными полями. В связи с этим анализ проводится численными методами, основанными на ряде упрощающих предположений и допущений, позволяющих упростить систему уравнений. Уже в первых работах, посвященных вопросам электроники мощных СВЧ приборов, основанных на поперечных волнах электронного потока, высказывалось предположение о возможности высоких значений КПД [19,24].
В экспериментальном плане достигнутые значения КПД в приборах с поперечным взаимодействием далеки от предсказываемых на основе нитевидной модели лучка [25-27]. Экспериментальные работы продемонстрировали возможность и перспективность поперечно-волнового взаимодействия применительно к мощным приборам СВЧ.
14
Принцип действия циклотронного преобразователя энергии основан на поперечной модуляции электронного потока. Конструктивно помимо электронной пушки и внешних постоянных магнитов циклотронный преобразователь имеет три основные части: резонатор, область реверсивного изменения продольного магнитного поля (область преобразования или реверса) и коллектор [25]. Сформированный пушкой электронный ноток О-типа пронизывает емкостной промежуток резонатора типа Каччиа с поперечным электрическим нолем, где приобретает дополнительную поперечную кинетическую энергию в виде вращательного движения пучка около оси системы (Рис. 1.1). Таким образом, входная микроволновая мощность в емкостном зазоре резонатора преобразуется в поперечную кинетическую энергию вращательного движения электронного потока. В терминах поперечных волн в резонаторе Каччиа происходит возбуждение быстрой циклотронной волны (БЦВ) электронного потока. Величина В0 действующего в резонаторе внешнего постоянного магнитного поля выбрана таким образом,
1410. 1.1. Конструкция циклотронного преобразователя энергии (ЦПЭ) и диаграмма распределения магнитного поля на его оси. Р(„ - входная микроволновая мощность: Уо - ускоряющее напряжение электронной пушки; Во. В| - начальное и конечное значение магнитного поля на осп прибора; гг-г\ -протяженность области преобразования; Е(г) - проникающее электростатическое поле коллектора; и01И - выходное напряжение на нагрузке
резонатор Ви Сі электронный пучок
Р
03
15