На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


дипломная работа Область применения техники СВЧ

Информация:

Тип работы: дипломная работа. Добавлен: 13.10.2012. Сдан: 2010. Страниц: 16. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


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:
       

 где q - угол пролета электронов во входном зазоре.
       Из  этого выражения следует, что  лучшее взаимодействие будет происходить  при q близком к нулю. Рассмотрение процессов с точки зрения осуществления прибора в целом приводит к заключению, что желательно получение максимальной величины М2r, где - характеристическое сопротивление резонатора. Почти во всех приборах, в которых происходит взаимодействие электронов с полем зазора, используются углы пролета q1?p/2, так как при этом величина М близка к 1, а М2mах на рис.2.1 обозначена область I значений q, 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. 

 

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.

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.
y - 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 + eUmMsinwt,
 где Um - амплитуда переменного напряжения
       U0 - ускоряющее напряжение
eUmM = eUoUm/UoM = eUo2n ,
где - коэффициент скоростной модуляции.
 Из закона  сохранения энергии :

Таким образом, n = no(1 + 2vsinwt)1/2
Раскладывая выражение  в скобках в ряд получим :
(1 + 2nsinwt1)1/2 = 1 + nsinwt - 1/2n2sin2wt
При Um<<Uo - n мало и третьим членом в формуле можно пренебречь. При Um»Uo третьим членом уже пренебрегать нельзя, т.е. появляется вторая гармоника и скоростная модуляция не будет чисто синусоидальной.
В работах Гебауэра [2] теоретически обосновывалось повышение  электронного КПД автогенераторных клистронов с одним двухзазорным коаксиальным резонатором до 50%. При  этом предполагалось использовать коаксиальные резонаторы “p“-вида с широким входным зазором при больших амплитудах. Теоретически выводы основывались на кинематическом представлении процессов фазовой фокусировки 12 электронов на периоде, т.е. при весьма грубых приближениях.
Повышение относительного значения первой гармоники электрического тока I1max/I0   при времени пролета равным или большем половины периода отмечено в работе [3]. Когда время пролета через зазор равно или больше половины периода, скоростная модуляция становится несинусоидальной.
После упомянутых работ Гебауэра наиболее полное и систематическое исследование процессов при взаимодействии электронов с полем широкого зазора было дано Солимаром [4]. При этом он использовал аналитическую теорию, которая может давать и неточные результаты после перегона. Из многочисленных кривых приведенных Солимаром можно отметить следующие результаты, в которых значение I1max/I0  превышает соответствующие значения при узких зазорах.
при  к=10  D=1800  a=0.9  bрZ=300  I1max/I0 =1.3
при к=10  D=1800  a=1.5   bрZ=200  I1max/I0 =1.4
при  к=5   D=1800   a=1.5   bрZ=40-900  I1max/I0 =1.4
при к=10  D=2880   a=1.5   bрZ=70-800  I1max/I0 =1.45
при  к=20 D=5400   a=0.9   bрZ=70-900  I1max/I0 =1.3
при к=20  D=5400   a=1.5   bрZ=360  I1max/I0 =1.36
где к=w/wp,
wp - электронно-плазменная частота
D=wd/vo - угол пролета, где
d - ширина зазора bр=wp /vo
Z -текущая координата 
a=v1/vo
На рис.2.4 приведены  некоторые кривые из работ Л.Солимара, по которым можно проследить изменение I1max/I0  при изменении к,D,a, bр,Z.
Результаты исследований по рассматриваемой теме приводит в  своей книге А.З.Хайков [5]. Он пишет, что используя достаточно протяженный  зазор входного резонатора и большое напряжение на нем, можно добиться увеличения I1max/I0  по сравнению со значением, характерным для узких зазоров. Практически такую возможность повышения КПД целесообразно использовать в двухрезонаторных клистронах-автогенераторах, так как в усилителе на двухрезонаторном клистроне подобный режим привел бы наряду с ростом КПД к резкому уменьшению усиления . Графики на рис.2.5 показывают как изменяется величина максимальной относительной амплитуды первой гармоники тока I1max/I0  и расстояние между центрами зазоров L12  в зависимости от угла пролета во входном зазоре q1.
Первые расчеты  для широких зазоров на основе дискретной модели электронного потока [6] показали лишь небольшое увеличение относительной величины тока первой гармоники I1max/I0 =1.26. Однако в последующие расчеты на основе дискретной модели подтвердили возможность увеличения I1max/I0  до 1.5 [7]. Кроме того было показано, что влияние пространственного заряда может улучшить качество группирования.  Исследования, проводимые на кафедре ЭП, показали, что в сравнительно простом по конструкции клистроне можно получить КПД не менее 50% [8].
Среди работ  посвященных исследованию электронных  процессов в широком зазоре можно отметить статью А.И.Костиенко и Ю.А.Пирогова, опубликованную в 1962г [9], хотя авторы этой статьи решают поставленный вопрос с иных позиций. Рассмотрена возможность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем СВЧ волны в широком плоском зазоре с эффективностью не хуже чем в узком зазоре. Взаимодействие происходит в поле волны H11 (расстояние между сетками сравнимо с длиной волны). При достаточно большой плотности входящего в зазор тока в промежутке между сетками может возникнуть неотрицательный минимум потенциала, а следовательно, распределение статического потенциала вдоль зазора будет нелинейным (рассмотрен случай с квадратным распределением). Модуляция потока электронов по скорости будет близка к синусоидальной. Изменение скоростей электронов под действием поля СВЧ тем больше, чем больше нелинейность распределения. Мощность взаимодействия потока электронов с электромагнитным полем СВЧ может принимать как положительные так и отрицательные значения, т.е. такая система может быть использована для генерирования, усиления и детектирования колебаний  
 
 
 
 
 
 

N 1 2 3 4
k 10 20 30 10
a 1.5 0.9 1.5 1.5
D 2880 5400 5400 1800
 
 
 
 
 
рис.2.4.   Зависимости первой гармоники электронного тока от bрZ при различных парметрах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   
 

Рис.2.5. Зависимость  конвекционного тока и оптимального расстояния от угла пролета 
 
 
 

СВЧ коротковолнового диапазона. Кроме того авторы работы делают вывод, что при использовании широких зазоров не требуется высокое ускоряющее напряжение. О реализации рассмотренного механизма не сообщалось.
С 1992г на кафедре  ЭП проводились работы по двум грантам  по созданию двухзазорного однорезонаторного клистрона с широким входным зазором и высоким КПД. Исследования электронных процессов на основе двухмерной многослойной модели и холодные измерения резонатора показали возможность осуществления двухзазорного однорезонаторного клистрона с электронным КПД 56%, общим КПД 50% при углах пролета во входном зазоре около 3p/2 в области II (рис.2.1.). На базе приборов, выпускаемых промышленностью, спроектированы два автогенераторных однорезонаторных клистрона мощностью 2-2.5 кВт при ускоряющем напряжении 4 кВ на частоте 2450 МГц для технологических целей [10] На рис.2.6 приведены зависимости максимальных относительных амплитуд первой гармоники тока от угла пролета во входном зазоре для различных x1 , полученные при расчете электронных процессов.
Дальнейшие исследования проводились при q=3p. На рис.2.7  приведены зависимости из работы [11], полученные для равномерного поля. Из рис.2.7 видно, что максимальный КПД получаемый при равномерном поле составляет 45%. В работах [10,11] все расчеты по исследованию электронных процессов проводились с использованием ЭВМ. Программа расчета основана на методе конечных разностей для расчета электрических полей и модели потока из деформирующихся элементов. Подробно эта программа описана в работе [11].
При расчете  электронных процессов в реальных полях, проводимых на кафедре электронных приборов, было обнаружено значительное влияние структуры поля на эффективность электронных процессов. Эффективность процессов получалась выше при неравномерных полях.
Процессы при  неравномерном поле практически не изучались и весьма сложны. Проведем качественные пояснения, объясняющие явления. Прежде всего надо отметить, что в соответствии с формулой  
 
 


Рис.2.6. Завмсимость  максимума конвекционного тока от угла пролета при различных амплитудах напряжения.
 



Рис.2.7.  Зависимости I1max/I0 , L12 , Lopt , L' , hе  от  ширины зазора d1
 


 
вблизи эффективного угла пролета q=2.8p Ge=0 и коэффициент электронного взаимодействия М проходит через максимум (по абсолютному значению). Поэтому можно получить достаточно большие значения n.
Для пояснения  процесса скоростной модуляции рассмотрим случай с углом пролета 3p. Если электрон проходит через центр зазора в момент максимального напряжения, то он становится замедленным  так как он ускоряется в течении одного полупериода, а тормозится в течении двух.
Для получения  эффективного группирования важно  не только иметь достаточно большие  значения n , но и получить распределение скоростей, близкое к пилообразным. При таком распределении область группирования увеличивается. Чтобы получить форму кривой скоростной модуляции близкую к пилообразной, надо увеличить значение vmax и уменьшить значение vmin  см.рис 2.8. Это можно реализовать, если поле в начале и в конце пролета через промежуток сделать сильнее (рис.2.9 ). Различные кривые распределения напряжения в высокочастотном зазоре представлены на рис.2.10. Кривая 1 соответствует равномерному полю. Для других двух кривых эффективность группирования возрастает. Обратимся теперь к различным формам резонаторов, реализующих рассмотренное распределение напряжений. На рис.2.11 представлены различные конструкции резонаторов и соответствующие им распределение полей. Кривые на рис.2.11.б,в,г приведены без учета провисания поля в пролетном канале. Кривая 1 на рис.2.11.а соответствует полю по оси пролетного канала, а кривая 2 - у края пролетного канала. Более сильное поле слева на рис.2.11.в получено за счет небольшого выступа пролетной трубы. Кольцо на рис.2.11.г немного ослабляет поле в середине промежутка, кроме того, оно увеличивает емкость, что необходимо в приборе с одним двухзазорным резонатором для получения заданного отношения напряжений. 
Анализ показывает, что достижение максимального I1max/I0  желательно при меньших значениях d1, особенно при d1, меньших того значения, при котором h1 =0.

Рис.2.8. Диаграмма  изменения скоростей электронов при синусоидальной и пилообразной модуляции 
 

а) б) в)
Рис.2.9. Картина распределения напряженности электрического поля во времени при 3p для:
а) замедленного электрона в равномерном поле
б) замедленного электрона в неравномерном поле
в) ускоренного  электрона в неравномерном поле 


Рис.2.10. Кривые распределения напряжения в высокочастотном зазоре.
 

2.2. Взаимодействие  сгруппированного  электронного потока  с полем выходного зазора .

       В первой части данной главы были рассмотрены  проблемы группирования электронного потока с входными зазорами. Не менее важной задачей, для получения высокого КПД, является подбор оптимальных параметров для выходного резонатора. Для предварительных оценок качества группирования Мираном был предложен показатель качества.
       
,

где  I1/I0 -  относительная амплитуда первой гармоники тока
        vmin/v0 - относительная скорость самого медленного электрона
       Эти проблемы были исследованы на кафедре  ЭП [12]. В этой работе даются графики, изображенные на рис.2.12,2.13. Эти зависимости  были исследованы для реального сгустка электронов, имеющего I1max/I0=1.4 при xn-1 =0.4. Расчеты проводились по пятислойной одномерной модели потока из деформирующихся элементов по программе описанной в [13,14]. На рис.2.12 показаны зависимости электронного КПД hе от амплитуды напряжения на выходном зазоре xn при различных углах пролета q. Кривая 1 соединяет точки, в которых электроны начинают поворачивать назад. Кривая 2 соединяет точки, соответствующие выбросу части электронов из зазора. Максимум КПД достигается при больших значениях xn (кривая 3) при этом от 4 до 6% электронов возвращается назад. Кривая 4 соединяет точки, в которых падает не более чем на 0.5%, по сравнению с максимальным значением. При этом количество выбрасываемых электронов уменьшается примерно на 2%. При xn>1.35 КПД практически не увеличивается, даже при больших    q.
       На  рис.2.12 представлены кроме того результаты расчета взаимодействия этого же сгустка с полем зазора при q=1.6 для различных xn в кинематическом приближении (кривая 5).
       На  рис.2.13 приведены зависимости xn и hе от q построенные по данным рис.2.12. Кривые 1-4 имеют тот же смысл. На этом рисунке нанесена кривая, соответствующая часто используемой оценке xn=1/М, где М- коэффициент взаимодействия бессеточного зазора, которая расположена примерно на 0.1ниже кривой 4 при изменениях q 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 xn=1/М близка к значениям, соответствующим hеmax , 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 hе от q 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
      

где vmin - усредненное  значение скоростей некоторой части самых медленных электронов.В качестве приближения можно считать vmin =xn-1 /2
       С помощью полученного коэффициента качества можно определять не только параметры выходного зазора, но и  определять оптимальную амплитуду на предпоследнем резонаторе .

Рис.2.12. Зависимость электронного КПД hе от амплитуды x при различных углах пролета q. 
 
 


Рис.2.13. Зависимость амплитуды x и КПД hе от угла пролета q.
 

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 q1»1.5p.

       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 “p“- виде колебаний (см рис 14.а). Прибор расчитывался на первой зоне колебаний. Первый зазор был широким с q1=1.5p. Мощность этого прибора Р=2-2.5 кВТ при напряжении U0=4 кВ. Электронный КПД hе=56.3% при следующих параметрах: d1=11.3 мм., x1=1.75, x2=-1.75, L12=17.5 мм., В=2Ввр.

2.3.2. Однорезонаторный  двухзазорный клистрон  с q1»3p.

       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 3p.. Поскольку при этом имеет место инверсия условий самовозбуждения т.е. они совпадают с условиями для "p" - вида при q<2p. Осуществление однорезонаторного генератора наиболее целесообразно в области III (см. рис.2.1), из-за того что hе 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 hе1 будет вычитаться из hе2 . Поле в первом зазоре является неравномерным.










 
 
 
 























    а) Однорезонаторный клистрон с резонатором "p" - вида с q1»3/2p.   
     

     
     

    ооо 
     
     
     
     
     
     
     

    б) Однорезонаторный клистрон с резонатором "0" - вида с q1»3p. 
     

     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

    в) Двухрезонаторный клистрон с q1»2p. 
     
     

    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., x1=2.5, x2=1.5, L12=16.5 мм., В=2Вбр.

2.3.3. Двухрезонаторный  двухзазорный клистрон  с q1»3p.

       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 q1»2.8p. Суммарный КПД двух зазоров hеa=57%, в выходном зазоре КПД hе2=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 “p“ - 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., x1=1.7, x2=-1.7, x3=1.25, L12=26.75 мм., L23=15.25 мм., B2/U0=140, f=-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 "p"-резонатором
Модель I1max/I0 Zopt hе12  hе3  hеa
1 T 1.6566 58 0.03096 0.621 0.652
2 ST 1.5838 56 0.059    

Рис.3.15. Иллюстрация  к выбору угла между током и напряжением 
 
 

 
 
 
 
 
 
 

Рис.3.16. Схематическое  изображение двухрезонаторного  клистрона с резонатором "p" - вида с q1»3/2p.




Это лучший результат  из всех вариантов для “p“- 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., x1=1.5, x2=-1.5, x3=1.3, L12=27.5 мм.,  L23=15.25 мм., B2/U0=140, f=-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 "p"-резонатором
Модель I1max/I0 Zopt hе12  hе3  hеa
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 hе3  .При КПД резонатора hр=0.95 (см. приложение) выходной КПД будет равен
h3=hе3*hр=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 hе12  от расстояния между зазорами L12
Рис.3.17.(в). Зависимость выходного  КПД hе3  от амплитуды на выходном зазоре x3  

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 hе12  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.
Таблица 3.1.
Описание  вычислительных моделей
Модель ЕТ Критерий установления скоростей электронов
EF критерий установления потенциала в узлах разностной сетки
FPER число рядов  электронов на периоде
FBUF число начальных буферных электронов
FHR число разностныхклеток по радиусу
G 0.0005 0.0001 18 2 19
T 0.0005 0.0001 24 2 28
ST 0.0001 0.00005 32 2 56

Рис.3.1. Зависимости hе и I1max/I0 от вычислительного параметра ЕТ 

Рис.3.2. Зависимости hе и I1max/I0 от вычислительного параметра ЕF
Рис.3.3. Зависимости hе и I1max/I0 от вычислительного параметра FPER
Рис.3.4. Зависимости hе и I1max/I0 от вычислительного параметра FHR
Рис.3.5. Зависимости hе и I1max/I0 от вычислительного параметра FBUF 

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 "p" 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  hеa=65-66%

4. ДВУХРЕЗОНАТОРНЫЙ  КЛИСТРОН С РЕЗОНАТОРОМ "0" ВИДА И С q1»3p

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, Рm=0.30 мкА/В3/2 , 2а=3.5 мм., b=1.05 мм., b/a=0.6. Переменное напряжение на резонаторе изменялось в пределах x1=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. В [15] активная составляющая электронной проводимости описывается выражением:

где
Решение уравнения:   Ge/Go=0    дает корни q1=2p, q2=2.86p
       Проведем  расчет соответствия между шириной  зазора и углом пролета для данной ЭОС:

где d измеряется в метрах.
Таким образом  углу пролета равному q=2p соответствует ширина зазора, равная 21.6 мм.
       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 hе = 0 при увеличении амплитуды x1 смещается вправо. Но амплитуда смещения небольшая и равна 0.4 мм. Это составляет 2.1% от ширины зазора при изменении амплитуды x
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.