Главная / Рефераты / Рефераты по радиоэлектронике

Реферат: Техника СВЧ

Notice: Undefined variable: ref_img in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 323

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.
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 - 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

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.

Рис.2.3. К описанию электронного потока с помощью распределения тока и скоростей.

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 :

При Um1.35 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

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, L12=27.5 мм., L23=15.25 мм., B2/U0=140, ?=-0.2861. При этих параметрах получаем результаты представленные в таб.3.5 вариант 1. Расчет проводился по вычислительной модели T. Для подтверждения корректности результатов оптимальная точка была пересчитана по более точной модели ST (таб.3.5 вариант 2)
Таблица 3.5.
Результаты расчета клистрона с "?"-резонатором
№
Модель
I1max/I0
Zopt
?е12
?е3
?е?
1
T
1.6307
60
0.027
0.6162
0.643
2
ST
1.6159
56
0.020
0.6314
0.651
Это является окончательным результатом. На рис.3.17 и 3.11. представлены ряд зависимостей для разных параметров клистрона вокруг оптимальной точки.
С учетом потерь в выходном резонаторе выходной КПД будет меньше электронного КПД третьего зазора ?е3 .При КПД резонатора ?р=0.95 (см. приложение) выходной КПД будет равен
?3=?е3*?р=0.6314*0.95=0.59983.
Рис.3.167(а). Зависимость максимума тока от амплитуды
на втором зазоре
Рис.3.17.(б). Зависимости максимума тока I1max/I0 и КПД первого резонатора ?е12 от расстояния между зазорами L12
Рис.3.17.(в). Зависимость выходного КПД ?е3 от амплитуды на выходном зазоре ?3
2.4. Описание программы и выбор вычислительных параметров
Расчет клистрона в данном дипломном проекте проводился по программе разработанной на кафедре ЭП. В ней используется модель потока из дефформированных элементов и конечно-разностная схема расчета всех электрических полей. В приближении аксиальной симметрии электрических и магнитных полей программа позволяет:
* Моделировать реальное условие работы клистронов в динамическом режиме;
* Исследовать движение электронов от катода до их оседания на коллектор;
* Рассчитывать внешние статические электрические поля и поле пространственного заряда в системе электродов произвольной формы;
* Вычислять переменные электрические поля одно- и многозазорных резонаторов с произвольной формой поперечного сечения зазоров;
* Моделировать процесс возбуждения резонаторов электронным потоком и скоростную модуляцию электронов полями этих резонаторов;
* Исследовать работу клистрона в режиме заданных амплитуд и в самосогласованном режиме;
* Моделировать процессы в клистронах, имеющих резонаторы, настроенные на частоты, кратные входной частоте;
* Анализировать динамические процессы в многоступенчатых коллекторах с рекуперацией остаточной энергии электронов.
Уравнение движения контрольных электронов по продольной Z и радиальной R координатам решаются методами Рунге-Кутта. Скорость азимутального вращения v0 рассчитывается с использованием теоремы Буша. Поля высокочастотных зазоров определяются один раз в квазистатическом приближении при единичной разности потенциалов и при хранятся в отдельных массивах. Эти поля используются при вычислении наведенных токов в резонаторе по теореме Шокли-Рамо. Напряженности высокочастотных полей при подстановке в уравнения движения умножаются на амплитудные и временные множители. Амплитуды и фазы напряжений в самосогласованном режиме рассчитываются через наведенные токи и параметры холодных резонаторов. Составляющие внешнего неоднородного магнитного поля определяются по экспериментальным данным. Подробно программа описана в [13,14].
Для того чтобы любой вычислительный эксперимент давал бы корректные результаты необходимо подобрать вычислительные параметры, которые обеспечивали бы приемлемую точность вычислений. В данной программе есть несколько вычислительных параметров, которые влияют на точность выдаваемых результатов. Рассмотрим наиболее важные из них.
1.ЕТ - критерий установления значения скоростей электронов при расчете уравнения движения на каждом шаге интегрирования. Для определения влияния критерия ЕТ на точность эксперимента было проведено несколько расчетов двухзазорного резонатора с неизменными параметрами для разных значений ЕТ. Влияние ЕТ оценивалось по стабильности значений I1max/I0 и ?е12 при изменении ЕТ от 0.001 до 0.00001. График зависимости представлен на рис.3.1. Как видно из графика влияние ЕТ на точность мало и уже при ЕТ=0.0005 практически полностью отсутствует. Поэтому точные расчеты можно проводить при ЕТ=0.0005, а грубые можно делать и при ЕТ=0.001.
2.ЕF - критерий установления значений потенциала в узлах разностной сетки при расчете поля. Для определения влияния на точность этого параметра были проведены расчеты, аналогичные предыдущему пункту. Результаты представлены на рис.3.2. Кривая тока становится пологой при ЕF=0.00005 и дальнейшее уменьшение ЕF не имеет смысла. Кривая КПД при ЕF=0.00005 тоже приемлемо пологая.
3.FPER - число рядов электронов на дискретном участке электронного потока длиной в период. Зависимость точности от FPER представлена на рис.3.3. Видно, что влияние FPER на точность достаточно большое и не стабильное. Для точных расчетов надо использовать FPER = 30?42.
4.FBUF - число начальных буферных периодов. Результат практически не зависит от этого параметра (рис.3.4.). Поэтому можно брать параметр FBUF=2.
5.FHR - число разностных клеток по оси. Оказывает наиболее сильное влияние на результат (рис.3.5.). Поэтому желательно брать большие значения. Но при больших значениях очень резко увеличивается время расчета.
6.FL - число слоев электронов в потоке в потоке. этот параметр не менялся и был равен FL=5.
На основании изложенных соображений было сформировано несколько групп вычислительных параметров , именуемых в дальнейшем вычислительными моделями (см. таблицу 3.1). Самая грубая модель G использовалась для прикидочных расчетов. С ее помощью искались наиболее перспективные области для дальнейших расчетов. С помощью модели Т исследовались найденные области и искались экстремальные точки. Все экспериментальные результаты приведенные в дипломе были получены с помощью модели Т, если не оговорено другое Для большой достоверности результатов точки с максимальными показателями пересчитывались по самой точной модели ST.
Расчеты проводились на IBM совместимых машинах с процессорами 80386, 80486 и PENTIUM. Среднее время расчета одного варианта на машине с процессором 80486 составляет:
по модели G - 4 мин.
по модели Т - 10 мин.
по модели ST - 35 мин.

3. ВЫВОДЫ

Таким образом в предыдущих работах, проведенных на кафедре ЭП исследованы электронные процессы, происходящие при взаимодействии электронов с полями резонаторов при больших углах пролета, соответствующих областям II и III на рис.2.1. При этом во второй области получены значения I1max/I0=1.53, а в третьей области I1max/I0=1.42 при равномерном поле и I1max/I0=1.6 при неравномерном. Проведенные расчеты различных вариантов клистронов, содержащих два высокочастотных зазора , показали ,что электронный КПД составляет от 52 до 57%. При этом общий КПД клистронов можно ожидать около 50%, т.е. примерно в 2 раза выше, чем у клистронов с двумя обычными зазорами. Достигнутая величина КПД уже находится на уровне разрабатываемых многорезонаторных клистронов (45-50%) [1].
Вместе с тем желательно дальнейшее повышение общего КПД до уровня 60%. В связи с этим возникает задача рассчитать и спроектировать двухрезонаторный клистрон с тремя пространствами взаимодействия. Первый резонатор двухзазорный "0" или "?" типа с широкими зазорами. Он будет самовозбуждаться что обеспечит стабильность работы при изменении нагрузки. Для этого у него должен быть КПД не хуже 2-3 %.
Выходной резонатор является простым однозазорным. В выходном резонаторе часть энергии будет расходоваться на потери в самом резонаторе. При КПД резонатора около 95 % это будет снижать выходной КПД по сравнению с электронным еще на 3-4 %.
Таким образом, с учетом потерь в выходном резонаторе и потерь на самовозбуждение во входном резонаторе, необходимо спроектировать клистрон со следующими данными :
КПД прибора 60-65 %
электронный КПД выходного зазора 63 %
КПД контура выходного резонатора 94-95%
входного резонатора 2-3 %
При этом общий электронный КПД преобразования мощности электронного потока в СВЧ мощность ( в дальнейшем общий электронный КПД) должен быть ?е?=65-66%

4. ДВУХРЕЗОНАТОРНЫЙ КЛИСТРОН С РЕЗОНАТОРОМ "0" ВИДА И С ?1?3?

5. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ В ШИРОКОМ ЗАЗОРЕ

Электронные процессы в зазоре рассчитываются с помощью ЭВМ . Однако целесообразно эти расчеты сравнить с аналитическими формулами, что бы в дальнейшем:
1) Ввести поправки к указанным формулам для проведения предварительных оценочных расчетов
2) Анализируя проведенные расчеты глубже понять физические процессы
Были исследованы электронные процессы во входном широком зазоре протяженностью d1 =6?18 мм при параметрах ЭОС: U0=8 кВ, Р=0.30 мкА/В3/2 , 2а=3.5 мм., b=1.05 мм., b/a=0.6. Переменное напряжение на резонаторе изменялось в пределах ?1=1.1?2.4.
Как известно при широких зазорах и больших амплитудах взаимодействие поля с электронами имеет свои особенности. В частности электронная проводимость и коэффициент электронного взаимодействия обращаются в нуль при некоторых углах пролета.
Расчеты проведенные на ЭВМ дают значение, при котором электронные КПД и ток I1max/I0 обращается в ноль, равное примерно 19 мм рис.3.6. При этом видно, что ширина зазора d1 при которой ?е = 0 при увеличении амплитуды ?1 смещается вправо. Но амплитуда смещения небольшая и равна 0.4 мм. Это составляет 2.1% от ширины зазора при изменении амплитуды ?1 от 0.5 до 2.4. Поэтому в первом приближении можно пренебречь этой зависимостью и принять, что углу пролета равному 2? соответствует ширина зазора равная 19 мм.
Также было замечено, что при увеличении диаметра канала точка нулевого КПД смещается влево. На рис.3.6 представлена одна кривая соответствующая диаметру пролетного канала 2а=5.5 при ?1 = 0.5 и прочих равных условиях. Это смещение можно объяснить, тем, что при более широком канале увеличивается провисание поля в канале и электроны взаимодействуют с полем на большем протяжении.
На этом же рисунке представлены кривые КПД еще для двух значений микропервианса Р=0.2 мкА/В3/2 и Р=0.4 мкА/В3/2 . Большему значению первианса соответствует семейство смещенное влево. Это смещение можно объяснить, вероятно влиянием плотности тока и провисания напряжения в канал на эффективный угол пролета. При небольшом первеансе такое сокращение угла определяется тем, что действующая величина зазора больше расстояния между краями пролетных труб на два участка , соответствующих провисанию поля в каналы. При увеличении первеанса увеличивается провисание потенциала в зазоре вследствии увеличения пространственного заряда. Поэтому эффективный угол пролета увеличивается. Увеличение первеанса на 0.1мкА/В3/2 вызывает смещение точки соответствующей Gе=0 при ??2? на 0.8 мм. Повышение ? от 1.2 до 2 сдвигает указанную точку вправо примерно на 0.3 , т.е. влияет в меньшей степени.
Второй раз электронный КПД обращается в ноль при d1 =23 мм, что соответствует углу пролета ?=2.86? . Видно что как и в предыдущем случае величина d1 при которой КПД=0 слабо зависит от ?1 и этим в первом приближении можно пренебречь.

Это условие является необходимым , но недостаточным. При больших амплитудах, с которыми работает данный резонатор большую роль играет неоднородность электронного потока. В первой приближении эта неоднородность тем выше, чем выше переменные скорости электронов. Переменные скорости электронов в первом приближении связаны с координатой Zopt, где ток I1max/I0 становится максимальным. Чем больше Zopt , тем меньше переменные скорости электронов, а значит меньше неравномерность скоростей электронов. Как дальше будет видно приемлемые результаты по ?е3 для резонатора "?"-вида получаются при Zopt ? 56 мм. Кроме того при Zopt
Влияние различных факторов на группирование электронного потока.
Для первоначального определения области оптимизации резонатора можно воспользоваться графиками на рис.3.7. Процесс выбора области оптимизации является эмпирическим, но можно сформулировать несколько советов, которые могут помочь при выборе зазоров:
Первый зазор должен иметь по возможности больший ток I1max/I0 при наименьшем отрицательном КПД. Максимум тока I1max/I0 должен приходится на Zopt =56-60 мм. При этом надо учитывать, что расстояние L ( см.рис.3.7(б)) отличается от Zopt на расстояние на котором находится середина первого зазора. Надо также учитывать искажающее действие второго зазора на электронный поток, поэтому итоговое значение L может отличаться от рассчитанного по рисунку.
Максимум тока от второго зазора должен совпадать в пространстве с максимумом от первого зазора. Расстояние от центра первого до центра второго зазора составляет для первой зоны колебаний "?"-резонатора около (1.25?1.5)2?, что составляет L12=26?28 мм. С учетом этого сгусток от второго резонатора должен группироваться на 26?28 мм ближе.
Амплитуда переменного напряжения ?12 должна быть больше 1.5 , так как при меньших амплитудах исчезает фактор больших амплитуд и модуляция приближается к синусоидальной. Но при очень больший амплитудах возрастает разброс скоростей электронов.
Теперь рассмотрим подробнее влияние различных факторов на работу резонатора:
Протяженность и амплитуда напряжения первого зазора. Графики на рис.3.7 иллюстрируют зависимости параметров характеризующих электронный поток от первого зазора. Рабочей является область с d1 =15?1 мм. Это определяется необходимостью иметь Zopt > 56 мм, что не достигается при d1 < 14 мм. При больших значениях d1 зазор не обеспечивает достаточна большого тока I1max/I0 . Недостатком этой области является большая крутизна тока I1max/I0 и КПД по ширине зазора d1 .Фактически ток зависит не от самой ширины зазора , а от угла пролета в зазоре. Поэтому при флюктуациях ускоряющего напряжения U0 будет происходить изменение тока и КПД. Поэтому необходимо делать жесткую схему стабилизации ускоряющего потенциала.>
Расстояние между центрами зазоров. График отражающий влияние L12 на ток I1max/I0 и КПД второго зазора представлен на рис.3.9. На этом рисунке представлена зависимость для резонатора “0” - типа. Но поскольку физические принципы взаимодействия одинаковы для резонаторов “0” и “?“ - вида, то основные закономерности можно рассмотреть и поэтому графику. С увеличением L12 растет конвекционный ток I1max/I0 и уменьшается положительное КПД второго зазора . Объяснить это явление можно , если обратиться к рис.3.10. На этом рисунке представлены два крайних случая. Рис.3.10(а). соответствует короткой пролетной трубе, т.е. малому L12 . При этом электроны попадают в максимум тормозящего поля второго зазора. Они сильно тормозятся, отдают много энергии и поэтому КПД второго зазора высок. Но при этом сгусток становится более рыхлым и разваливается. В результате конвекционный ток на выходе из резонатора становится маленьким. Рис.3.10(б). соответствует длинной пролетной трубе. Сгусток попадает на прямолинейный участок синусоиды. Это способствует дальнейшему группированию электронов и повышению конвекционного тока. При этом электроны отдают только малую часть своей энергии полю резонатора и поэтому КПД второго зазора становится маленьким.
Это два крайних случая. При расчетах они не встречаются, но с их помощью можно наглядно объяснить влияние L12 на ток и КПД. Но надо отметить, что подобный механизм не всегда оказывается справедливым, в частности, в дальнейшем будет исследована одна из точек, где ток I1max/I0 будет уменьшаться и при увеличении, и при уменьшении L12 .
Протяженность и амплитуда напряжения второго зазора. Наиболее сложным для изучения влияния на группирование является второй зазор. Очень сложно выделить влияние этого фактора в чистом виде. Этому препятствует то обстоятельство. что при изменении входного зазора во второй зазор поступает измененный электронный поток и поэтому взаимодействие с ним будет носить иные результаты.
Поэтому влияние ширины второго зазора на электронный поток , выходящий из первого резонатора, будем рассматривать при неизменных параметрах первого зазора и расстояния между первым и вторым зазорами. Результаты исследований приведены на рис.3.11. При больших d2 уменьшение ширины зазора приводит к увеличению электронного КПД ?е12 и максимума тока I1max/I0 , а также к уменьшению Zopt . Это можно объяснить лучшим взаимодействием электронного потока при уменьшении зазора .При больших d2 электронный поток группируется далеко, что хорошо по причинам ,описанным выше.
При дальнейшем уменьшении ширины зазора d2 уменьшается сначала ток I1max/I0 , а затем и электронный КПД ?е12 . Уменьшение тока можно объяснить, тем что сгусток от второго зазора группируется ближе, чем сгусток от первого. Поэтому происходит размывание максимума тока и он снижается.
Снижение электронного КПД происходит при меньших значениях d2 , чем снижение тока I1max/I0 . Это объясняется тем, что КПД зависит от того какую часть энергии отдадут электроны с зазор. Она тем больше, чем больше коэффициент взаимодействия, т.е. чем меньше зазор. Поэтому при уменьшении d2 электронный КПД возрастает. Причиной его падения при дальнейшем уменьшении d2 является появление колеблющихся электронов во втором зазоре , но это происходит при малых d2, которые не имеют практического применения.
Влияние амплитуды на втором зазоре ?2 аналогично влиянию ширины зазора d2 . В первом приближении увеличение амплитуды схоже по своему действию с уменьшением зазора. Влияние амплитуды ?2 лучше рассмотреть на примере резонатора “0” - типа, так как в резонаторе “?“ - типа изменять амплитуду только на втором зазоре невозможно. Зависимости параметров электронного потока от ?2 представлены на рис.3.12. Видно ,что изменение амплитуды значительно меньше меньше влияет на электронные процессы, чем изменение ширины зазора, поэтому может служить для окончательной оптимизации прибора.
Суммируя вышесказанное о втором зазоре надо еще раз подчеркнуть, что его параметры надо выбирать не только из соображений высокого тока I1max/I0 и приемлемого КПД ?е12 =2?3%, но и подбирая Zopt > 56 мм. для клистрона с резонатором “?“ - типа.

5.1.2. Расчет процессов в выходном резонаторе
Выходной резонатор должен обеспечить максимально эффективное, равномерное торможение всех электронов. При этом не желательно иметь обратно выброшенные электроны.
Второй резонатор надо располагать на 1?4 мм. ближе максимума тока I1max/I0 . При этом достигается максимальный КПД. Типичное взаимное расположение тока и КПД в пространстве представлено на рис.13. Необходимость ставить резонатор в месте где ток не достигает максимума, объясняется тем , что в максимуме происходит перегон. При перегоне быстрые электроны догоняют и перегоняют медленные. До перегона медленные электроны шли впереди быстрых и поэтому входили в зазор когда напряжение на нем не достигало минимума, а быстрые попадали в минимум напряжения. Это позволяло равномерно затормозить все электроны. При перегоне и быстрые, и медленные электроны тормозятся одним напряжением. Поэтому либо медленные выбросятся их зазора, либо быстрые затормозятся не достаточно эффективно.
Выходной резонатор является обычным узким с углом пролета меньше ?/2. С точки зрения эффективности взаимодействия лучше брать, как можно более узкий зазор. Но минимальная ширина зазора ограничивается величиной емкости зазора. Исходя из этих противоречивых требований в данном дипломе используется выходной зазор шириной 4 мм.
Амплитуда напряжения на выходном зазоре подбирается в каждом случае эмпирически по наибольшему КПД. Надо стараться сделать максимальную амплитуду, но чтобы не было обратных электронов. Увеличение амплитуды на 0.1 увеличивает выходной КПД примерно на 0.5% ( рис.3.14 ) до тех пор пока не появятся обратновыброшенные электроны. На рис.3.14 точка А соответствует появлению обратновыброшенных электронов.

5.2. Электронные процессы в резонаторе "0" типа
5.3. Влияние магнитного поля на процессы в клистроне
Как известно магнитное поле используется для ограничения поперечного размера электронного пучка, что позволяет увеличить токопрохождение, и как следствие снизить нагрев и потери мощности. Вместе с этим сильное магнитное поле ухудшает характеристики клистрона. Было замечено, уменьшение напряжения магнитного поля увеличивает конвекционный ток первой гармоники I1max/I0 и расстояние на котором этот ток становится максимальным Zopt . На рис.3.19 представлены зависимости I1max/I0 и Zopt от магнитного поля B2/U0 . Увеличение тока I1max/I0 и расстояния Zopt позволяет увеличить КПД прибора. Из вышесказанного понятно что для получения оптимальных параметров прибора магнитное поле должно быть минимальным, но обеспечивать приемлемое токопрохождение.

В процессе разработки прибора использовалось поле величиной B2/U0=70-180. Это достаточно сильное поле особенно при B2/U0>100. Оно очень сильно влияет на электронный поток. Достаточно сказать, что при начальном радиусе пучка 1.05 мм через 10 мм пролета в резонаторе его радиус становится равным 0.1 мм. При этом коэффициент пульсаций достигает 10.5.
Величина поля необходимого для фокусировки зависит в основном от двух факторов: напряженности поля и силы расталкивания пространственного заряда. Напряженность электрического поля в выходном зазоре в выходном зазоре в несколько раз больше чем во входном, т.к. входные зазоры широкие, а выходные узкие.
Исходя из этого можно в начале прибора использовать меньшее магнитное поле, а затем увеличить его до номинального. Было рассчитано несколько вариантов такой схемы. Наиболее хороший результат дал вариант с резонатором "?"-вида с параметрами: d1=15.5 мм, d2=10 мм, L12=27 мм, ?1=1.5, ?2=-1.5, на интервале 0-30 мм поле равно B2/U0 =84, а дальше поле равно B2/U0=140. Полученные результаты приведены в табл.3.11. Для сравнения там же приведены результаты для такого же клистрона , но с равномерным магнитным полем. Полученный I1max/I0 является лучшим за весь период расчета. Видно, что с равномерным полем результат хуже как по току так и по расстоянию Zopt .

Полученные результаты надо рассматривать, как прикидочные, т.к. малый объем расчетов не позволяет говорить о том, что был достигнут максимум. Вероятнее всего можно получить еще больший ток. Но поскольку получение неоднородного магнитного поля вызовет усложнение конструкции было решено пока остановиться на варианте с рвномерным магнитным полем. К тому же рассматриваемое неравномерное магнитное поле имеет нереальное распределение по Z в виде ступеньки. Поэтому полученные результаты лишь показывают возможность улучшения параметров клистрона за счет применения неоднородного магнитного поля.

6. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛИСТРОНА
Клистрон выполняется многолучевым, использует разработанную на предприятии ЭОС с 24 лучами, сосредоточенными в центре резонатора, в котором используется основной вид колебаний.
Прибор состоит из четырех основных узлов: резонаторная система, катодный узел, коллекторный узел и вывод энергии.
Резонаторная система клистрона представляет собой два резонатора. Первый резонатор имеет два высокочастотных зазора. Трубка дрейфа поддерживается металлическим стержнем. На внутренней стенке резонатора располагаются выступы, для получения заданной структуры поля. Они образуются подбором размеров пролетных труб. Второй резонатор однорезонаторный с узким зазором. Для эффективного отвода тепла корпус резонатора, трубка дрейфа и держатель изготавливаются из меди типа МБ. Выходной резонатор имеет отверстие для соединения с выводом энергии баночного типа, который вакуумно уплотнен диэлектрической пластиной из керамики марки 22ХС. Входной резонатор имеет вывод энергии с небольшой связью в виде петли связи. Это позволяет контролировать работу генератора. Для фокусировки электронного потока в приборе применена фокусирующая система из постоянных магнитов. Для этого на входе и выходе резонаторного блока припаиваются магнитные полюса из стали, на которые одеваются кольцевые постоянные магниты.
Катодный и коллекторный узлы и вывод энергии взяты от готового прибора, разрабатываемого промышленностью. Катодный узел имеет многолучевую пушку с импергированным катодом, выполненным в виде отдельных спрессованных таблеток, фокусирующий электрод и ножку. Фокусирующий электрод имеет свой вывод. Подогреватель пушки изготавливается из вольфрама, остальные детали из никеля и сплава марки 47НКД. Все диэлектрические детали изготавливаются из керамики марки .
Размеры резонаторов (протяженность первого и второго зазоров, длина трубки дрейфа, выступы) выбираются по расчетным данным, исходя из оптимального КПД.
Коллектор, используемый в данном приборе предназначен для отвода 40 кВт мощности потерь с водяным охлаждением.
Катодный узел, коллектор и вывод энергии соединяются с резонатором с помощью аргоно-дуговой сварки, что позволяет легко менять данные узлы при выходе из строя без замены остальных узлов резонатора.

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7.1. Календарный план разработки
Планирование исследовательской работы заключается в составлении календарного плана проведения исследовательской работы. Он отражает перечень работ по этапам, строгую очередность в выполнении отдельных этапов работы, сроки выполнения, количество и квалификацию лиц, занятых при разработке темы.
В качестве метода календарного планирования выбран ленточный график, приведенный на рис.5.1. Шифр проводимых работ дан в таблице 5.1.
Все работы, проводимые в ходе выполнения НИР можно разделить на три периода:
подготовительный период.
экспериментальное исследование электронных процессов в приборе.
подведение итогов.
В данном дипломном проекте проводится численный эксперимент, то есть расчет электронных процессов на ЭВМ.
На первом этапе были проведены следующие работы: - составление и согласование ТЗ - подбор и изучение литературы - изучение особенностей программы расчета электронных процессов
Во время второго этапа: - подготовка исходных данных - расчет электронных процессов на ЭВМ - построение графиков - анализ полученных результатов - оптимизация параметров на ЭВМ
Во время третьего этапа: - изучение конструкции прибора - изучение технологии изготов...

ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами реферата (доклада, курсовой) урезан на треть (33%)!

Чтобы просматривать этот и другие рефераты полностью, авторизуйтесь на сайте:

Простая ссылка на эту работу:

Ссылка для размещения на форуме:

HTML-гиперссылка:

Добавлено: 2011.01.09
Просмотров: 1665

Notice: Undefined offset: 1 in /home/area7ru/area7.ru/docs/linkmanager/links.php on line 21

При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательная!