Эффективность возбуждения и преобразования быстрых циклотронных волн в мощных электронных потоках

- 2 -
АННОТАЦИЯ
г
Проведен численный анализ нелинейного взаимодействия электронного пучка, возбужденного на быстрой циклотронной волне, при селективном энергообмене с циркулярно-поляризованным компонентом СВЧ-лоля резонатора с учетом трехмерного характера кулоновских полей и релятивистских эффектов. Выявлены причины, ограничивающие энергоемкость и моноэнергетичность электронного пучка в резонаторе. Показано, что кулоновское взаимодействие слабо влияет на КПД ввода СВЧ-мощности в электронный поток, который может превышать 95-96$ для 40-50 кВт непрерывной мощности СВЧ.
Теоретически исследована эффективность преобразования энергии быстрой циклотронной волны потока конечных размеров в энергию продольного движения в переходной области циклотронного преобразователя с учетом начального энергетического разброса электронов пучка. Показано, что оптимальный КПД преобразования в переходной области может принимать значения 80-85$ при выходной мощности постоянного тока 40-50 кВт.
Предложен новый принцип СВЧ-усилителя с комбинированным продольно-поперечным взаимодействием, который позволяет существенно увеличить КПД передачи энергии в нагрузку и расширить рабочую полосу частот.
Экспериментально реализовано и детально исследовано в макете циклотронного преобразователя устройство связи с быстрой циклотронной волной на основе прямоугольного резонатора. Проведены исследования эффективности макета циклотронного преобразователя СВЧ-энергии в энергию постоянного тока, которые показали хорошее соответствие экспериментальных результатов с теоретическими представлениями.
- 3 -
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 6
СВЧ-УСТРОЙСТВА НА БЫСТШХ ЦИКЛОТРОННЫХ ВОЛНАХ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУШ..................................... 14
§ I. Физические особенности поперечной модуляции
электронного потока................................. 14
§ 2. Электронно-лучевые усилители циклотронных
волн................................................ 17
§ 3. Циклотронный преобразователь СВЧ-энергии в
энергию постоянного тока............................ 20
§ 4. Циклотронный фазовращатель........................ 27
§ 5. Эффективность рекуперации энергии электронного
пучка в поле тормозящего коллектора................. 32
§ 6. Заключение .....................................«... 37
ГЛАВА I. СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРОДОЛЬНОПОПЕРЕЧНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ..................................... 39
4 1.1. Принцип . работы СВЧ-усилителя с комбинированным
продольно-поперечным взаимодействием................ 39
§ 1.2. Анализ преобразования энергии поступательного
движения электрона в энергию циклотронного вращения в реверсивной области......................... 43
§ 1.3. Влияние геометрических размеров электронных
сгустков на процесс преобразования в реверсивной области......................................... 49
§ 1.4. Обсуждение......................................... 55
ГЛАВА II. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗБУЖДЕНИЯ БЫСТШХ ЦИКЛОТРОННЫХ ВОЛН В МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКАХ.... 58
§ 2.1. Исходные соотношения............................... 59
§ 2.2. Энергоемкость электронного пучка в прямоугольном резонаторе.............................................. 62
§ 2.3. Разброс скоростей в электронном потоке на вы-
- 4 -
ход© области взаимодействия............................... 68
§ 2.4. Рабочая полоса частот и коэффициент передачи
СВЧ-мощности в поток.............................. 70
§ 2.5. Расчет резонаторов типа Каччиа для мощных устройств СВЧ................................................ 77
§ 2.6. Обсуждение в, 83
ГЛАВА Ш. СИСТЕМА НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА С ПОПЕРЕЧНЫМ ЦШСУЛЯРНО-ПОЛЯШЗОВАННЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ РЕЗОНАТОРА................................... 85
§ 3.1. Постановка задачи. Исходные допущения............. 85
§ 3.2. Модель пучка. Уравнение движения отдельного
парциального пучка................................ 87
§ 3.3. Расчет кулоновских полей ......................... 93
§ 3.4. Уравнение взаимодействия электронного потока
с электромагнитным полем резонатора............... 96
§ 3.5. Обсуждение........................................ 99
ГЛАВА 1У. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИКЛО-
ТРОННОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ СВЧ-ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ПОСТОЯННОГО ТОКА................................... 101
§ 4.1. Методика решения системы уравнений в области
резонатора......................................... 101
§ 4.2. Влияние поля пространственного заряда на энер-
гетический спектр электронного пучка в области резонатора......................................... 103
§ 4.3. Эффективность возбуждения быстрых циклотронных
волн в мощных электронных потоках.................. 112
§ 4.4. Постановка задачи численного анализа физических
процессов в переходной области циклотронного преобразователя энергии. Начальные условия 118
§ 4.5. Анализ влияния энергетического разброса элект-
ронов пучка на эффективность преобразования в переходной области................................. 120
§ 4.6. Обсуждение........................................ 128
- 5 -
ГЛАВА У. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА ЦИКЛОТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СВЧ-ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГИЮ ПОСТОЯННОГО ТОКА................................................. 131
§ 5.1. Экспериментальная установка для исследования
макета циклотронного преобразователя.................. 131
§ 5.2. Распределение магнитного поля на оси прибора 137
§ 5.3. Методика согласования резонатора с генератором
СВЧ................................................... 140
§ 5.4. Определение КГЩ взаимодействия электронного потока в резонаторе............................................ 142
§ 5.5. Исследование коллекторной системы в статическом
режиме................................................ 144
§ 5.6. Исследование преобразования энергии СВЧ-колеба-
ний в энергию постоянного тока........................ 147
§ 5.7. Сравнение экспериментальных данных с результатами численных расчетов. Обсуждение................. 152
§ 5.8. 0 выборе оптимальных параметров для циклотронного преобразователя......................................... 154
ВЫВОДЫ......................................................... 156
ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ........................................... 159
- 6 -
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение электронных колебаний сверхвысоких частот в различных областях науки и техники стимулирует как создание новых устройств СВЧ, так и совершенствование существующих. Бурное развитие техники и создание мощных и сверхмощных эффективных генераторов СВЧ [і - з] открывает реальную возможность использования СВЧ колебаний в системах передачи энергии [4 - б] . Значительный прогресс в области создания солнечных батарей позволяет уже сегодня говорить об огромных возможностях, связанных с использованием орбитальных станций для концентрации солнечной энергии с последующей передачей ее в виде узконаправленного СВЧ-излучения на Землю [2 - 9]. Однако этот проект требует решения ряда сложных научно-технических проблем, одной из которых является задача высокоэффективного преобразования СВЧ-колебаний в энергию постоянного или переменного тока низкой частоты [4, 10] •
Среди физических принципов, положенных в основу создания электровакуумных устройств СВЧ, особое внимание заслуживает поперечная модуляция электронного потока "О-типа". При поперечной модуляции осуществляется взаимодействие электронного пучка, дрейфующего вдоль внешнего статического магнитного поля, с электрическим СВЧ полем, действующим перпендикулярно дрейфу пучка.
При циклотронном резонансе энергия СВЧ вводится в электронный поток в виде энергии циклотронного вращения электронного пучка вокруг силовой линии магнитного поля. Такая модуляция, получившая название возбуждения быстрой циклотронной волны электронного потока, позволяет осуществить высокую эффективность взаимодействия с полями СВЧ и реализовать лучшие по сравнению с классической продольной модуляцией характеристики: большой динами-
7
ческий диапазон, высокую линейность амплитудной и фазочастотной характеристик. Кроме того, при поперечной модуляции электронного пучка в устройствах СВЧ возможно осуществить высокие значения КПД рекуперации энергии отработанного пучка в тормозящем поле односекционного коллектора, вследствие малого разброса электронов по скоростям. Применение принципа поперечной модуляции открывает новые возможности для создания мощных и высокоэффективных устройств СВЧ.
С точки зрения энергоемкости, простоты конструкции и эффективности преобразования СВЧ-колебаний в энергию постоянного тока наиболее перспективным в настоящее время считается циклотронный преобразователь [п]. В этом преобразователе для ввода СВЧ-мощ-ности в электронный поток используется принцип возбуждения быстрых циклотронных волн. Другим перспективным мощным СВЧ-устройст-вом с использованием возбуждения быстрых циклотронных волн для эффективного управления фазой мощного сигнала является циклотронный фазовращатель. Возможно создание устройств СВЧ с комбинированным продольно-поперечным взаимодействием (например, СВЧ-усили-тель клистронного типа, см. гл.1), в которых использование принципа поперечной модуляции позволяет реализовать лучшие по сравнению с продольной модуляцией типовые характеристики.
Поперечное взаимодействие в малосигнальном приближении исследуется в работах [12 - 1б]. Теоретический анализ базируется на ряде упрощающих предположений, которые в той или иной степени оправданы для маломощных приборов.
Актуальность работы. К настоящему моменту сравнительно мало исследованы физические процессы электроники мощных устройств
- 8 -
СВЧ "0-типа" на поперечных волнах электронного потока. Недостаточно изучена физика возбуждения и преобразования быстрых циклотронных волн в мощных электронных потоках. Отсутствуют сведения о влиянии пространственного заряда и поперечных размеров пучка на эффективность возбуждения быстрых циклотронных волн. Недостаточно освещены вопросы о влиянии релятивистских эффектов на процесс взаимодействия электронного пучка с электромагнитным полем резонансных систем СВЧ. Малочисленные результаты экспериментального исследования эффективности устройств СВЧ на быстрых циклотронных волнах ограничивают возможности сравнения с теоретическими представлениями.
Целью настоящей работы является:
- теоретическое исследование основных закономерностей возбувде-ния быстрых циклотронных волн в мощных и плотных электронных потоках для режимов с коррекцией резонансных условий в релятивистском случае;
- определение области изменения параметров, при которых возможно оптимальное возбуждение и преобразование быстрых циклотронных волн в мощных электронных потоках;
- создание экспериментальной установки для исследования специфики работы отдельных областей циклотронного преобразователя СВЧ-энергии в постоянный ток и сравнения с теоретическими представлениями, а также рекомендаций для разработки мощного варианта циклотронного преобразователя.
В обзоре литературы рассмотрено современное состояние вопросов по исследованию физических процессов возбуждения и преобразования быстрых циклотронных волн электронного потока в устройствах СВЧ. В теоретическом и экспериментальном исследовании устройств с поперечным взаимодействием в настоящее время
- 9 -
наиболее изучены сверхмалошумящие усилители циклотронных волн. Высокие значения типовых характеристик устройств связи с быстрой циклотронной волной (высокая амплитудная и фазовая стабильность работы, широкий динамический диапазон, сравнительно низкие значения нагруженной добротности) позволяют рассматривать устройства возбуждения ЕЦВ как перспективные для создания мощных электровакуумных приборов СВЧ. Рассмотрены преимущества циклотронного преобразователя СВЧ энергии в постоянный ток и циклотронного фазовращателя по сравнению с существующими полупроводниковыми и электронно-лучевыми аналогами.
В первой главе рассматривается новая конструкция СВЧ-уси-лителя с комбинированным продольно-поперечным взаимодействием, которая позволяет существенно увеличить КПД передачи энергии в нагрузку и расширить рабочую полосу частот. Численными методами проведен анализ возбуждения быстрых циклотронных волн в продольно-модулированных электронных потоках с помощью магнитных линз с конечным углом пролета. Проанализировано влияние геометрических размеров электронных сгустков на процесс преобразования продольной энергии сгустков в энергию циклотронного вращения.
Во второй главе в рамках кинематического приближения проведен численный анализ поперечного взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем прямоугольного резонатора. Проанализировано нарушение условия циклотронного резонанса вдоль области взаимодействия, связанного с релятивистским эффектом возрастания массы электрона. Выявлено влияние переменных магнитных компонент СВЧ-поля в области взаимодействия на процесс поперечной модуляции электронного потока. Проведена оценка рабочей полосы устройства возбуждения быстрых циклотронных волн
- 10
в мощных электронных потоках.
Третья глава посвящена обоснованию выбора модели электронного пучка для численного анализа поперечного взаимодействиям электронного потока конечного сечения с циркулярно-поляризованным полем резонансной системы с учетом трехмерного поля пространственного заряда и аксиально-симметричного магнитного поля.
Для спиралевидной модели электронного потока записана система самосогласованных уравнений, позволяющая проанализировать эффективность возбуждения ВДВ в плотных электронных пучках.
В четвертой главе приведены результаты численного анализа физических процессов возбуждения и преобразования быстрых циклотронных волн в плотных электронных потоках для циклотронного преобразователя СВЧ-энергии. Рассмотрено влияние основных параметров (уровня вводимой мощности, плотности пространственного заряда и др.) на эффективность преобразования СВЧ-энергии в поперечную энергию электронного потока. Исследован энергетический спектр электронного пучка на выходе области взаимодействия. Показано, что кулоновское взаимодействие в пучке конечного сечения слабо влияет на КПД ввода СВЧ-мощности в электронный поток. Наиболее эффективные режимы наблюдаются для достаточно плотных электронных пучков. Для микропервеанса =1,0 мкА/В3/2 КПД преобразования СВЧ-энергии в энергию циклотронного вращения электронного лучка может превышать 95-96$ при уровнях вводимой мощности 40-50 кВт. На энергетический спектр электронного пучка значительное влияние оказывает магнитный компонент СВЧ-поля резонатора.
Проведен анализ влияния энергетического разброса электронов пучка на эффективность преобразования энергии циклотронного вращения в энергию продольного движения в переходной области циклотронного преобразователя. Оптимизация КПД для переходной
- II -
области показывает, что эффективность преобразования может принимать значения 80-85% при выходной мощности постоянного тока 40 - 50 кВт.
В пятой главе описывается созданная экспериментальная установка, методика проведения эксперимента и основные экспериментальные результаты исследования маломощного преобразователя СВЧ-энергии в постоянный ток. Проведено исследование специфики работы отдельных областей макета циклотронного преобразователя. Использована простая методика определения эффективности преобразования СВЧ-энергии в энергию циклотронного вращения электронного пучка для резонансных систем, позволяющая провести сравнение с численными расчетами. Проведенные исследования КПД преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока макета циклотронного преобразователя показали хорошее соответствие экспериментальных результатов с теоретическими представлениями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведен численный анализ физических процессов возбуждения быстрых циклотронных волн в плотных электронных потоках. Рассмотрено влияние магнитных компонент СВЧ-поля на энергоемкость и моноэнергетичность электронного пучка, возбужденного на быстрой циклотронной волне, при увеличении релятивизма в режимах с коррекцией условий циклотронного резонанса. Показано, что кулоновское взаимодействие в достаточно широкой области изменения параметров слабо влияет на КПД ввода СВЧ-мощности в электронный поток, который может превышать 95-96% для 40-50 кВт непрерывной мощности СВЧ.
2. Теоретически исследована эффективность преобразования энергии быстрой циклотронной волны электронного потока конечных размеров в энергию продольного движения в переходной области
12 -
циклотронного преобразователя с учетом энергетического разброса электронов пучка. Показано, что оптимальный КПД преобразования в переходной области может иметь значения 80-85% при выходной мощности постоянного тока 40-50 кВт.
3. Экспериментально реализовано и детально исследовано в макете циклотронного преобразователя устройство связи с быстрой циклотронной волной на основе прямоугольного резонатора. Проведены исследования эффективности макета циклотронного преобразователя СВЧ-энергии в энергию постоянного тока, которые показали хорошее соответствие экспериментальных результатов с теоретическими представлениями.
Научная и практическая ценность работы.
1. Предложен новый принцип СВЧ-усилителя (клистрона) с комбинированным продольно-поперечным взаимодействием, который позволяет существенно увеличить КПД передачи энергии в нагрузку и расширить рабочую полосу частот.
2. Проведен численный анализ нелинейного взаимодействия электронного пучка, возбужденного на быстрой циклотронной волне при селективном энергообмене с циркулярно-поляризованным компонентом СВЧ-поля резонатора с учетом трехмерного характера куло-новских полей. Выявлены причины, ограничивающие моноэнергетич-ность электронного пучка. Определены границы параметров, при которых влияние сил пространственного заряда на эффективность возбуждения быстрых циклотронных волн мало.
3. Показана возможность оптимизации эффективности преобразования энергии быстрой циклотронной волны в энергию продольного движения электронного потока с учетом энергетического разброса электронов пучка на входе переходной области циклотронного преобразователя.
- 13 -
4. Теоретические и экспериментальные результаты могут быть использованы при практической реализации мощных и высокоэффективных устройств СВЧ на циклотронных волнах: циклотронных преобразователей СВЧ-энергии, циклотронных фазовращателей, мощных параметрических усилителей и клистронов с комбинированным продольно-поперечным взаимодействием.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на трех Всесоюзных конференциях и опубликованы в работах
[92-97].
На защиту выносятся следующие положения:
1. Предложен новый принцип СВЧ-усилителя с комбинированным продольно-поперечным взаимодействием, который позволяет существенно увеличить КЦЦ передачи энергии в нагрузку и расширить рабочую полосу частот.
2. Система нелинейных уравнений и результаты численного моделирования и анализа физических процессов возбуждения быстрых циклотронных волн в мощных электронных потоках, позволяющие выбрать оптимальные режимы взаимодействия.
3. Результаты численного анализа преобразования энергии циклотронного вращения электронного потока в энергию продольного движения в переходной области циклотронного преобразователя с учетом начального энергетического разброса электронов пучка, определившие область параметров при которых возможна высокая эффективность преобразования энергии.
4. Экспериментальные результаты исследования специфики работы отдельных областей и в целом макета циклотронного преобразователя СВЧ-энергии в постоянный ток, подтверждающие теоретические представления.