1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Технико-экономическое обоснование проекта
Общее кризисное состояние всей экономики страны еще в большей степени
относится к технике СВЧ, так как она в основном питалась военными заказами.
Поэтому в настоящее время основной задачей этой области техники является
развитие применений ее в мирных целях. Эти применения могут быть связаны с
переработкой информации (телевидение, связь, новые направления в медицине и
биологии) и с преобразованием энергии (ускорители заряженных частиц, нагрев
плазмы, диэлектриков, преобразование солнечной энергии). Наиболее важным в
настоящий момент являются применения, направленные на развитие новых
технологий и новых производств. Это прежде всего касается использование СВЧ
для нагрева диэлектриков в различных целях.
Наиболее широкая область применения техники СВЧ - ее использование в
бытовых целях, например производство магнетронов для бытовых микроволновых
печей. Однако в этой области иностранные фирмы ушли далеко вперед и без
серьезных вложений наша промышленность не сможет с ними конкурировать.
В этих условиях более целесообразным представляется развитие
технологических применений более мощных приборов СВЧ (более кВт), в
создании и производстве которых наша страна занимает передовые позиции. Для
разнообразных технологических процессов (сушки, размораживания,
вулканизации, пастеризации, спекания, разрушения твердых веществ, обжига и
многих других) требуется мощность от единиц до сотен киловатт в непрерывном
режиме. Применение микроволн позволяет оптимизировать технологический
процесс, достичь высокого качества продукта при минимальных энергозатратах
и меньшей металлоемкости технологического устройства. Использование
электроэнергии позволяет разумно и эффективно тратить природные
энергоресурсы (газ, нефть, уголь), не нанося дополнительного экологического
вреда. Наиболее экономично применение более коротковолнового диапазона, так
как мощность, выделяемая при нагреве диэлектрика пропорциональна частоте.
Специфическим требованием к приборам для промышленного применения
отвечают мощные магнетроны непрерывного действия. Они относительно дешевы,
обладают высоким КПД, сравнительно просты в эксплуатации и устойчивы к
изменениям согласования с нагрузкой. Однако в коротковолновом диапазоне
(12.5см) и при мощностях свыше 1кВТ они обладают рядом недостатков,
обусловленных особенностью их работы. В указанном диапазоне длин волн не
выпускают магнетроны мощностью свыше 10 кВт. Ограничения по мощности в
магнетронах связаны с тем, что потери выделяются непосредственно на аноде и
катоде, которые образуют пространство взаимодействия. Размеры пространства
взаимодействия ограничены длиной волны. Вследствие обратной бомбардировки
катода сокращается срок службы прибора. При мощностях свыше 1кВТ необходимо
водяное охлаждение. Это создает неудобства в эксплуатации и сокращает срок
службы из-за выхода из строя каналов охлаждения.
В связи с указанным недостатком магнетронов для технологических целей
стали разрабатывать многорезонаторные клистроны. У клистронов продольный
размер коллектора не связан с длиной волны. Поэтому при мощностях до 10 кВт
может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного
охлаждения предпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух
используется для дополнительного подогрева продукта. Разрабатываемые
клистроны имеют мощность 25-50 кВт при КПД=45-50% в диапазоне 2450 МГц [1].
Наибольшие успехи достигнуты в создании многолучевых клистронов . Клистроны
, разработанные отечественной промышленностью позволили достигнуть больших
успехов в снижении ускоряющего напряжения и стоимости. По сравнению с
магнетронами многолучевые клистроны позволяют значительно увеличить
долговечность и выходную мощность в коротковолновом диапазоне (12.5см) при
тех же, что и у магнетронов, величинах КПД и напряжениях. Однако даже
многолучевые многорезонаторные клистроны уступают магнетронам по габаритам,
весу, стоимости. Эти недостатки связаны с большим количеством резонаторов.
Во многом количество резонаторов определяется стремлением получить большие
значения коэффициента усиления и полосы, а в случае автогенератора их число
может быть уменьшено.
Для технологических целей возможно применение автогенераторов вместо
усилителей. При этом требования полосы и усиления отпадают и становится
целесообразной разработка автогенераторных клистронов с малым числом
резонаторов и большим КПД. Также автогенераторы будут лишены упомянутых
недостатков по сравнению с магнетронами, а отмеченные выше преимущества
клистронов тогда более ярко проявляются. Однако выпускаемые до сих пор одно-
и двухрезонаторные клистроны имеют в лучшем случае КПД около 30%, а обычно
значительно ниже.
В связи со сказанным возникает задача заменить применяемый в
многорезонаторных клистронах процесс преобразования постоянного
электрического тока в переменный с помощью каскадного группирования другим
эффективным процессом, не требующим большого количества резонаторов.
Эффективное группирование может происходить в результате
взаимодействия электронов с полем резонатора при больших углах полета и
больших амплитудах напряжения. При этом вместо большого числа резонаторов
может быть использовано всего два или даже один резонатор, что позволяет
снизить габариты, массу и стоимость приборов.
До сих пор нет сведений о создании хотя бы экспериментальных
приборов, использующих протяженные пространства взаимодействия в
резонаторах. Для создания таких приборов, на кафедре электронных приборов в
течении последних лет, были проведены расчет и анализ электронных процессов
при больших углах пролета.
Основная задача этих работ состоит в повышении примерно в два раза
(на 25-30%) КПД однорезонатарных и двухрезонаторных клистронов и доведения
КПД примерно до 60%.
В соответствии со сказанным определяются следующие основные этапы
настоящей работы:
Проведение аналитического обзора по опубликованным работам и
проведенным на кафедре электронных приборов.
Ознакомление с методами расчета электронных электродинамических
процессов, внесение уточнений при выборе вычислительных параметров и
развитие этих методов в связи с возникающими задачами.
Расчет и анализ электронных процессов, что является основной задачей
проекта.
Рассмотрение принципов построения генераторов и эскизное
проектирование прибора.
В современных условиях разработка новых приборов должна вестись с
использованием максимального числа уже разработанных узлов и деталей,
поэтому проектирование прибора ведется на базе разработанной в НИИ "Исток"
многолучевой электронно-оптической системы. Последние обстоятельство
определило данные проектируемого прибора. Подводимая мощность определяется
параметрами двадцатичетырехлучевой ЭОС с микропервеансом одного луча Рм=0.3
мкА/В3/2 и напряжением U0=8 кВ, Р0=41 кВт. При общем КПД не менее 55%
выходная мощность составляет 22-25 кВт. Диаметр пролетного канала 3.5 мм,
коэффициент заполнения 0.6 при идеализированных условиях в пролетном
канале. Расчет проводился на частоте 2450 МГц.
Дипломный проект носит чисто исследовательский характер, поэтому
количественно определить экономический эффект невозможно.
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
2.1. Взаимодействие электронного потока с входным резонатором.
Эффективность взаимодействия электронов с полем зазора резонатора
принято характеризовать коэффициентом электронного взаимодействия M:
[pic]
где ( - угол пролета электронов во входном зазоре.
Из этого выражения следует, что лучшее взаимодействие будет
происходить при ? близком к нулю. Рассмотрение процессов с точки зрения
осуществления прибора в целом приводит к заключению, что желательно
получение максимальной величины М2(, где [pic] - характеристическое
сопротивление резонатора. Почти во всех приборах, в которых происходит
взаимодействие электронов с полем зазора, используются углы пролета ?1((/2,
так как при этом величина М близка к 1, а М2((mах на рис.2.1 обозначена
область I значений ?, обычно применяемых в приборах.
Но параметр М не является единственным, по которому следует
определять рабочую область. Очень важна относительная величина первой
гармоники конвекционного тока I1max/I0 . Надо стремиться получить это
значение наибольшим для получения хорошего КПД прибора. Также важным
фактором является КПД зазора, который пропорционален электронной
проводимости с обратным знаком. Особенно это очевидно для схем
автогенераторов, в которых первый резонатор самовозбуждается. В дальнейшем,
вероятно, более целесообразно использовать другие параметры,
характеризующие электронный ток и его взаимодействие с СВЧ полем. Можно
использовать коэффициент качества, включающий относительную величину
минимальной скорости электронов.
[pic]
Рис.1. Зависимости электронного тока, коэффициента взаимодействия и
электронной провидимости и КПД от угла пролета.
Также, сгруппированный поток можно характеризовать распределением тока I
и скоростей электронов v внутри потока рис.2.2. Эта методика будет
учитывать не только степень группирования электронов, но и скоростное
распределение электронов в потоке. Это обстоятельство очень важно, так как
эффективность торможения электронов в выходном зазоре лучше, если сначала
идут медленные электроны, а затем быстрые. Такое распределение позволяет
равномерно затормозить электроны без выбрасывания части электронов назад.
Еще в сороковых годах в ряде работ отмечалось возможность повышения
электронного тока при наличии широкого входного зазора в сочетании с
большой амплитудой напряжения на этом зазоре. Таким образом, кроме
указанной области I на рис.2.1 возможно использовать еще области II и III
перспективные для создания приборов. До сих пор эти области для создания
приборов не использовались и задача настоящей работы состоит в исследовании
электронных процессов в этих областях и проектирование новых приборов на их
основе.
Увеличение I1max/I0 клистрона происходит при изменении формы кривой, по
которой сообщается скоростная модуляция электронов. Если бы скорости
изменялись не по синусоидальному закону, а линейно, то можно было бы
собрать в одном сечении все электроны с периода и тогда КПД был бы близок к
100%. Однако получить пилообразное напряжение на зазоре резонатора нельзя.
Можно приблизиться к этому закону, если одновременно на электронный поток
воздействовать напряжением первой и второй гармоник. На рис.2.3 приведена
диаграмма напряжения на зазоре первых двух гармоник и их суммы. Из рисунка
видно, что область фаз эффективного группирования для двухчастотной
модуляции значительно больше, чем при одночастотной модуляции. Эта идея
может быть реализована различными способами.
Были созданы многорезонаторные клистроны, имеющие один или два резонатора,
настроенных на вторую гармонику.
[pic]
Рис.2.3. К описанию электронного потока с помощью распределения тока и
скоростей.
[pic]
Рис.2.3 Изменение скоростей электронов при взаимодействии с полями первой
и второй гармоник и их суммы.
( - область фаз эффективного взаимодействия
Можно создать такой резонатор, у которого имелись бы две собственные
частоты, равные первой и второй гармонике электронного тока.
Другой способ, исследуемый в данной работе пока не нашел практического
применение основан на том, что при переменном напряжении на входном зазоре,
большем постоянного напряжения, тогда скоростная модуляция будет уже
несинусоидальная и содержит вторую гармонику.
Появление второй гармоники можно объяснить исходя из закона сохранения
энергии :
eU = eUo + eUmMsin(t,
где Um - амплитуда переменного напряжения
U0 - ускоряющее напряжение
eUmM = eUoUm/UoM = eUo2( ,
где [pic]- коэффициент скоростной модуляции.
Из закона сохранения энергии :
[pic]
Таким образом, ( = (o(1 + 2vsin(t)1/2
Раскладывая выражение в скобках в ряд получим :
(1 + 2(sin(t1)1/2 = 1 + (sin(t - 1/2(2sin2(t
При Um<1.35
КПД практически не увеличивается, даже при больших (.
На рис.2.12 представлены кроме того результаты расчета взаимодействия
этого же сгустка с полем зазора при (=1.6 для различных (n в кинематическом
приближении (кривая 5).
На рис.2.13 приведены зависимости (n и (е от ( построенные по данным
рис.2.12. Кривые 1-4 имеют тот же смысл. На этом рисунке нанесена кривая,
соответствующая часто используемой оценке (n=1/М, где М- коэффициент
взаимодействия бессеточного зазора, которая расположена примерно на 0.1ниже
кривой 4 при изменениях ( от 1 до 2. На рис.2.13 воспроизведены также
взятые из книги Варнека и Генара кривая 5, выше которой появляются
отраженные электроны и прямая 6, выше которой часть электронов
выбрасывается из зазора назад. Заштрихованная между этими линиями область
колеблющихся электронов совершенно не совпадает с соответствующей областью
между кривыми 1 и 2. Это является следствием пренебрежения пространственным
зазором и распределением скоростей. Учет распределения скоростей в рамках
кинематического рассмотрения приводит к смещению вниз области колеблющихся
электронов (кривые 7,8). Таким образом, часто применяемая оценка (n=1/М
близка к значениям, соответствующим (еmax , однако физические причины,
ограничивающие амплитуду напряжения на зазоре, другие. Это не первое
появление колеблющихся или выбрасываемых назад электронов. Максимальная
амплитуда устанавливается в режиме выбрасывания электронов из зазора назад
в результате баланса энергии, отдаваемой быстрыми электронами и отбираемой
электронами, получившими возвратное движение. С этой точки зрения о
качестве группирования следует судить не по скорости самого медленного
электрона, а по усредненному значению определенной части медленных
электронов. Зависимость (е от ( можно считать пропорциональной М3/2,
отклонение при этом не превышает 1%. Выше сказанное позволяет предложить
новое выражение показателя качества, позволяющего оценивать качество
группирования и электронный КПД
[pic]
где vmin - усредненное значение скоростей некоторой части самых медленных
электронов.В качестве приближения можно считать vmin =(n-1 /2
С помощью полученного коэффициента качества можно определять не
только параметры выходного зазора, но и определять оптимальную амплитуду на
предпоследнем резонаторе .
[pic]
Рис.2.12. Зависимость электронного КПД (е от амплитуды ( при различных
углах пролета (.
[pic]
Рис.2.13. Зависимость амплитуды ( и КПД (е от угла пролета (.
2.3. Приборы, использующие широкие зазоры рассчитанные ранее
Как уже отмечалось на кафедре ЭП работы по созданию клистрона с
широким зазором ведутся уже несколько лет. За это время было рассчитано три
варианта конструкций. Они представлены на рис.2.14.
2.3.1. Однорезонаторный двухзазорный клистрон с (1(1.5(.
Достоинством однорезонаторного прибора в его компактности, а
следовательно меньшей стоимости. Недостатком является влияние нагрузки на
работу генератора. Нагрузка является частью колебательного контура и вносит
свою активную и реактивную составляющие. Реактивная составляющая влияет на
частоту генерируемых колебаний. Активная составляющая влияет на амплитуду
колебаний и при больших флюктуациях проводимости нагрузки может произойти
даже срыв колебаний.
Первым генератором был однорезонаторный двухзазорный клистрон на “(“-
виде колебаний (см рис 14.а). Прибор расчитывался на первой зоне колебаний.
Первый зазор был широким с (1=1.5(. Мощность этого прибора Р=2-2.5 кВТ при
напряжении U0=4 кВ. Электронный КПД (е=56.3% при следующих параметрах:
d1=11.3 мм., (1=1.75, (2=-1.75, L12=17.5 мм., В=2Ввр.
2.3.2. Однорезонаторный двухзазорный клистрон с (1(3(.
Следующий прибор это однорезонаторный двухзазорный автогенератор,
работающий на “0”- типе колебаний (рис.2.14.б). Отличительной особенностью
этого прибора является, то что входной зазор имеет ширину d1=18 мм., что
соответствует углу пролета около 3(.. Поскольку при этом имеет место
инверсия условий самовозбуждения т.е. они совпадают с условиями для "(" -
вида при (<2(. Осуществление однорезонаторного генератора наиболее
целесообразно в области III (см. рис.2.1), из-за того что (е не сильно
отрицательно или даже положительно. Это важный момент, так как при большом
отрицательном КПД первого зазора не удается сделать большой суммарный КПД,
из-за того, что (е1 будет вычитаться из (е2 . Поле в первом зазоре является
неравномерным.
а) Однорезонаторный клистрон с резонатором "(" - вида с (1(3/2(.
ооо
б) Однорезонаторный клистрон с резонатором "0" - вида с (1(3(.
в) Двухрезонаторный клистрон с (1(2(.
Рис.2.14. Клистроны с широкими входными зазорами, разработанные ранее
Мощность этого прибора Р=4 кВТ при напряжении U0=4 кВ. КПД прибора
52.4% при следующих параметрах d1=18 мм., (1=2.5, (2=1.5, L12=16.5 мм.,
В=2Вбр.
2.3.3. Двухрезонаторный двухзазорный клистрон с (1(3(.
Третий прибор является двухрезонаторным, но по прежнему с двумя
пространствами взаимодействия (рис.2.14.в). Этот прибор отличается от
предыдущих наличием глухой стенки между зазорами. Это приводит к тому, что
первый зазор должен самовозбуждаться, т.е. работать в монотронном режиме.
Вместе с тем наличие стенки позволяет практически исключить влияние
нагрузки на генерацию колебаний. Как и в предыдущем случае поле в первом
зазоре является неравномерным, что повышает эффективность работы.
Мощность этого прибора Р=20 кВТ при напряжении U0=8 кВ. Первый зазор
имеет угол пролета (1(2.8(. Суммарный КПД двух зазоров (е(=57%, в выходном
зазоре КПД (е2=53%.
Отметим , что все приборы расcчитаны для различных многолучевых
электронно-оптических систем, используемых в различных многорезонаторных
клистронах.
2.3.4. Рассмотрение некоторых вариантов клистронов с “(“ - резонатором.
Схематическое изображение клистрона представлено на рис.3.16
Рассмотрим два лучших рассчитанных варианта.
Первый вариант имеет параметры:
d1=26.75 мм., d2=11 мм., d3=4 мм., (1=1.7, (2=-1.7, (3=1.25, L12=26.75 мм.,
L23=15.25 мм., B2/U0=140, (=-0.3253 .
При этих параметрах получаем результаты представленные в таб.3.4 вариант 1.
Расчет проводился по вычислительной модели T.
Таблица 3.4.
Результаты расчета клистрона с "("-резонатором
|№ |Модель |I1max/I0 |Zopt |(е12 |(е3 |(е( |
|1 |T |1.6566 |58 |0.03096 |0.621 |0.652 |
|2 |ST |1.5838 |56 |0.059 | | |
[pic]
Рис.3.15. Иллюстрация к выбору угла между током и напряжением
Рис.3.16. Схематическое изображение двухрезонаторного клистрона с
резонатором "(" - вида с (1(3/2(.
Это лучший результат из всех вариантов для “(“- вида резонатора. Но при
пересчете по более точной модели результат снизился. Для вычислительной
модели ST результат приведен в таб.3.4 вариант 2. Как видно результаты
существенно снизились, поэтому расчет с выходным зазором не проводился.
Более тщательное исследование в окрестностях этого варианта по модели ST не
проводился из-за больших затрат машинного времени на один вариант и
низкого тока I1max/I0 .
Второй вариант имеет параметры:
d1=15.5 мм., d2=11.5 мм., d3=4 мм., (1=1.5, (2=-1.5, (3=1.3,
|
