Умница

3-07-2017, 13:33, Комментариев: 0, Просмотров: 359, Категория Наука


Комплексная оптимизация


Гиротронный комплексВажной особенностью сгруппированных электронных пучков в гиротронах является инерционность фазовой группировки. Фазовая группировка в гиротронах связана с релятивистской зависимостью массы электрона от его энергии и возникновением разности угловых скоростей электронов. Эта разность угловых скоростей сохраняется и при движении электронного пучка в трубке дрейфа малой протяженности в отсутствии высокочастотного поля. В связи с этим сохраняется фазовая группировка электронов, возникшая при взаимодействием с ВЧ полем. Этот эффект выполняется наиболее полно в случае пучков с малой азимутальной несимметрией фазовых сгустков.

Гиротрон 1963 годаВ последующем изложении будут рассмотрены два класса гироприборов: работающих на основной частоте циклотронного резонанса и на гармониках этой частоты.

Каждый из этих классов приборов может быть выполнен в соответствии с таблицей 1 как гиромонотрон, гироклистрон, гироЛБВ, гироЛОВ, гиротвистрон. В данном разделе рассматриваются гиромонотроны на основной частоте и гармониках циклотронного резонанса; приводятся основные результаты теоретического рассмотрения, достигнутые результаты известных экспериментальные разработок, особенности построения этих приборов.

Результаты теоретических исследований и расчетов по оптимизации гироприборов

ГиротронРазработка гироприборов большой мощности в широком частотном диапазоне, от сантиметровых до субмиллиметровых волн, базировалась на интенсивных теоретических исследованиях. Создание теоретических моделей и методов было направлено, во-первых, на расчеты энергетических и диапазонных характеристик приборов с заданными геометрией и параметрами высокочастотной и электроннооптической систем, во-вторых, на оптимизацию узлов гиротронных приборов и режимов их работы с целью достижения максимальных динамических характеристик и высокой устойчивости работы.

Гиротронный комплекс на основе гиротрона с волноводным выводом энергииТеоретические исследования должны учитывать принципиальные особенности работы гиротронных приборов, основными из которых являются: трехмерные траектории движения электронов, поскольку взаимодействие электронного пучка с незамедленными волнами типа ТЕтд определяется прежде всего движением электронов в поперечной плоскости; релятивистскую зависимость массы электрона от его скорости, имеющую основное значение в фазовой группировке электронов; сложную структуру трубчатых электронных пучков, включающих совокупность винтовых траекторий электронов, заполняющих круговую область определенной толщины; многомодовость структуры высокочастотного поля, что особенно важно в мощных приборах и при укорочении рабочей волны; структура поля при этом определяется суммой волноводных мод различных типов и включает суперпозицию попутных и встречных волн в волноводной системе; зависимость многомодовой структуры высокочастотного поля от параметров электронного пучка и обратное действие поля на пучок, что требует самосогласованного решения задачи взаимодействия электронного пучка и электромагнитного поля; неравномерность высокочастотного поля на орбите электронов и в пределах толщины электронного пучка; селекцию резонансной моды ВЧ поля и подавление всех других типов колебаний путем выбора геометрии высокочастотной системы с разряженным спектром либо выбором параметров и режимов, при которых подавляются паразитные типы колебаний; возможность возбуждения колебаний на высших гармониках циклотронной частоты (особенно при повышенных напряжениях электронного пучка) и достаточно интенсивных высших временных гармониках ВЧ поля; введение в расчет динамических характеристик гиротрона таких параметров электронной пушки, как спектр скоростей электронов, соотношение поперечных и продольных скоростей электронов.

ГиротронТеория гиротронных приборов, учитывающая приведенные особенности их работы, требует построения программы численных расчетов, моделирующей большое число различных физических явлений и закономерностей. Известны приближения к такой программе, не моделирующие, однако, электронную пушку и электроннооптическую систему гиротронных приборов. Эта программа и многие ее модификации, предназначенные для расчета приборов различных классов, носят название MAGY, MAGYKL 2226. Параметры электронного пучка вводятся в эту программу с использованием независимых расчетов или на основании измерений.

Сопоставление численного анализа по программам MAGY характеристик различных типов гиротронных приборов и решений по их улучшению с результатами экспериментальных исследований 26 показали эффективность и высокую точность расчетов и разработанных моделей.

Гиротронный комплексВ течение всего периода разработки гиротронных приборов создавались методы их теоретического исследования с введением различных упрощающих положений, основными из которых являются: допущение слабого релятивизма, когда (v/c)2<<1, пренебрежение влиянием пространственного заряда и разброса поперечных скоростей в электронном пучке, одномодовое приближение, исключающим анализ возбуждения и взаимодействия электронов с различными модами колебаний резонатора, а также ряд приближений в анализе формирования и структуре винтовых электронных потоков, в расчетах электродинамических систем гиротронов.

ГиротронПриближенные методы анализа гироприборов базируется на теории возбуждения электродинамических систем периодическими электронными потоками 7, 8, 27, линейной теории взаимодействия в гироприборах 7, 28 и методах нелинейного анализа режима больших амплитуд. В разработках нелинейной теории взаимодействия важное значение имеет метод усреднения 29, согласно которому в релятивистских нелинейных уравнениях движения сохраняется только медленно изменяющиеся величины, и метод баланса комплексной мощности (см. Приложение, в котором приведен также алгоритм расчета КПД гиротрона с применением двух указанных выше методов; рассмотрены также возможности задания распределений индукции продольного магнитного поля и амплитуд ВЧ электрического поля).

Слева — Один из гиротронов Wendelstein 7-X мощностью 1 МВт для непрерывного микроволнового разогрева плазмы, по центру и справа — окно между гиротроном и внешней оболочкой стелларатораНе всегда оправданным является одномодовое представление высокочастотного поля в резонаторе. Действительно, создание мощных гиротронов (в особенности работающих на высших гармониках циклотронной частоты) оказалось возможным благодаря применению сверхразмерных резонаторов, работающих на одном из высших типов колебаний. В таких приборах спектр собственных частот резонаторов становится очень густым, и одномодовое приближение оказывается необоснованным.

Для повышения мощности гироприборов большое значение имеют исследования методов разрежения спектров частот (высокодобротных) колебаний резонаторов, выбор оптимальной геометрии и выбор параметров и режимов, при которых паразитные виды колебаний подавляются.

ГиротронРяд теоретических исследований селекции мод показал, что при взаимодействии с винтовым электронным потоком мода большой амплитуды обладает свойством нелинейного подавления соседних мод. В результате одночастотная работа гиротрона становится возможной даже при очень большой плотности спектра собственных колебаний резонатора 3033.

Хотя в приближенных методах анализа гироприборов используются упрощенные модели, не описывающие все особенности приборов, их значение в развитии гироприборов, понимании тонких физических процессов и в оптимизации конструкций и режимов работы оказалось решающим.

Российские гиротронные комплексыНиже приведены основные теоретические результаты, определяющие характеристики гироприборов и пути их улучшения.

Для гипотетического распределения высокочастотного поля с постоянной амплитудой и постоянной величиной статической индукции B0 вдоль оси прибора максимально достижимые КПД при работе с тонкими трубчатыми пучками и работе на гармониках циклотронной частоты составляют п1=42% при n=1, п1=29% при n=2, п1=22% при n=3 3436 При работе на гармониках циклотронной частоты n=1.. .3 максимальная величина п1 достигается при оптимальной величине рабочего тока пучка !опт. В области токов, соответствующих максимальным значениям п1 имеет место наибольшая скорость нарастания выходной мощности, а при дальнейшем увеличении тока начинается насыщение мощности. Оптимальные величины рабочего тока 1опт в 45 раз превышают пусковые токи 1пуск. Такое соотношение 1ош/1пуск приближено сохраняется при работе на гармониках циклотронного резонанса n=1, 2, 3.

ГиротронБолее реалистичное распределение высокочастотного поля вдоль оси прибора, соответствующее широко применяемым в гироприборах резонаторов с незамкнутыми торцами.

Комплексная оптимизация параметров гиротрона по длине пространства взаимодействия (д), амплитуде высокочастотного поля в резонаторе (F), току электронного пучка (Io), параметру рассинхронизма А приводит к предельным поперечным КПД max>70% при n=1, 2. В области максимальных КПД имеет место жесткий режим самовозбуждения. Реализация режимов с max>70% требует специального порядка включения тока электронного пучка, анодного напряжения, резонаторного напряжения, выбора индукции в процессе включения. Подтверждения экспериментальной реализации КПД>70% не известны.

ГиротронИмеется несколько областей максимальных значений КПД и СВЧамплитуды. При фиксированных длинах резонатора переход из одной области в другую соответствует изменению тока электронного пучка и величины расстройки А. Максимальные значения КПД в этих областях соответствуют жесткому режиму самовозбуждения.

В области мягкого режима самовозбуждения максимально достижимые величины поперечного КПД. Наибольший достижимый поперечный КПД П±~0,55 достигается при оптимальных значениях параметра длины др«7,5 и параметра расстройки Aopt0,7. Как следует из (710), параметры д, А при прочих равных условиях определяются величинами продольных v и поперечных v± скоростей электронов в пучке, т.е. характеристиками электроннооптической системы, напряжениями на пушке и резонаторе, величиной магнитной индукции.

Принцип работы гиротронаПри фиксированном параметре длины резонатора д и увеличении тока электронного пучка вначале растет КПД и СВЧ амплитуда, затем КПД достигает максимального значения и при дальнейшем увеличении тока уменьшается, а уровень СВЧ мощности продолжает расти. Для достижения максимальных энергетических параметров одновременно с увеличением тока пучка необходимо увеличивать расстройку А.



Похожие статьи:

Институт ядерных исследований

Какие нерешённые проблемы в

Геоинженерия: как остановить

Комментарии