автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование и разработка электронно-оптических систем высоковольтных ключевых приборов с торможением электронного потока на аноде

На правах рукописи

Стальков Павел Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КЛЮЧЕВЫХ ПРИБОРОВ С ТОРМОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА НА АНОДЕ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2009

003463427

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» (ФГУП ВЭИ)

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор В.И. Переводчиков.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор М.Д. Воробьёв

Кандидат технических наук, с.н.с. А.А. Лучин

Ведущая организация:

ФГУП НПП «Торий».

Защита состоится 2 апреля 2009 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д217.039.01 при ФГУП ВЭИ по адресу: 111250, Москва Красноказарменная ул., д.12, e-mail: surma@vei.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ВЭИ

Автореферат разослан февраля 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н.

A.M. Сурма

Актуальность темы

В настоящее время в мощной высоковольтной электротехнической аппаратуре находят всё более широкое применение высоковольтные ключевые устройства. Наряду с использованием вакуумных выключателей с механическим приводом появилась потребность в быстродействующем ключевом устройстве на основе электронных приборов. Высоковольтные коммутаторы и переключатели, созданные на основе электровакуумных ключевых и модулирующих приборов, наряду с традиционными областями применения - мощными радиотехническими устройствами стали применяться в источниках питания технологической аппаратуры, пылеулавливающих установок и других высоковольтных сильноточных устройствах, работающих в непрерывном и частотно-импульсном режимах.

В последние годы особенно интенсивно развивалась преобразовательная техника. Этим развитием определяется существующая тенденция к активному и широкому внедрению приборов силовой электроники в промышленность. Происходит внедрение преобразовательной техники в работу мощных электротехнических схем, использующихся практически во всех отраслях промышленности: от технологического оборудования до электропривода и энергетики. Однако, следует отметить, что до настоящего времени вакуумная электроника не нашла применения в преобразовательной технике. В тоже время, вакуумные электронные приборы имеют ряд преимуществ по сравнению с полупроводниковыми. В частности, единичный вакуумный прибор способен коммутировать высокое напряжение (до 200 кВ), в то время как, для коммутации такого напряжения на полупроводниковых приборах требуется последовательная сборка десятков приборов. Очевидно, что надежность такой системы будет обратно пропорциональна количеству последовательно соединенных полупроводниковых элементов. Вакуумный высоковольтный прибор обладает большим быстродействием в сравнении с полупроводниковым. Следует отметить также важную особенность вакуумных приборов - выделение тепловой энергии в них происходит на поверхности металлических электродов, а не в объёме полупроводниковой структуры. Это приводит более высокой стойкости к пробою, а в случае пробоя вакуумный прибор легко восстанавливает свою работоспособность. Ещё одна важная особенность вакуумных приборов - эти приборы устойчивы к воздействию ионизирующего излучения и способны работать при температуре до 300° С, в то время как полупроводниковые приборы имеют «температурный потолок» в 125° С.

Использование вакуумных приборов будет шагом вперед в развитии как коммутирующей, так и преобразовательной техники. Однако, основным препятствием для широкого использования вакуумных приборов в этих областях являются большие потери энергии в проводящий период и,

соответственно, высокое внутреннее сопротивление по сравнению с полупроводниковыми приборами. Таким образом, разработка вакуумных коммутирующих приборов с минимальными потерями и высоким КПД расширит область их применения в силовой электротехнической и преобразовательной аппаратуре.

Успехи в разработке высоковольтных вакуумных коммутирующих приборов - электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ), которые достигнуты в последние годы в ВЭИ, направлены на решение этой актуальной задачи. Высокие характеристики ЭЛВ обеспечиваются электронно-оптической системой (ЭОС), построенной на принципе формирования электронного потока в луч и торможении его на аноде прибора. Исследование процесса торможения электронов на аноде, совершенствование методов построения ЭОС ЭЛВ и улучшение их характеристик, положенное в основу данной работы, является актуальной задачей.

Цель работы

Целью настоящей работы является исследование особенностей торможения электронов на аноде совершенствование методов расчёта ЭОС вакуумных коммутирующих приборов (ЭЛВ) и существенное улучшение их характеристик. Проведенный в работе анализ свойств различных электронных приборов, показал преимущества ЭЛВ и направление, в котором следует проводить усовершенствование ЭОС. Было показано, что основным направлением совершенствования ЭЛВ является существенное улучшение электронно-оптической системы прибора, направленное на повышение электронного КПД, а также улучшение массогабаритных показателей приборов. Это может быть достигнуто за счёт увеличения глубины торможения электронного потока на аноде при уменьшении потерь тока на ускоряющем электроде. Задачей диссертационной работы является разработка методики оптимизации электронно-оптических систем, приводящей к обозначенным результатам. Полученные в результате оптимизации ЭОС должны быть реализованы в приборах, разрабатываемых ВЭИ совместно с ФГУП НПП «Контакт».

Методика работы и достоверность результатов

Для обеспечения решения поставленной задачи разработана методика оптимизирующего расчёта прибора, наилучшим образом подходящего для заданного применения. При расчете изменяются и оптимизируются геометрические размеры электродов ЭОС, после чего проводится траекторный анализ ЭОС. Для оценки качества прибора введен суммарный коэффициент качества К^, учитывающий все наиболее значимые параметры прибора с учетом их важности для реализации поставленной задачи.

Достоверность полученных при расчёте результатов подтверждается тем, что после проведения численного расчета проводится макетирование рассчитанной ЭОС и экспериментальные исследования её макета. Однолучевой макет ЭОС изготавливается в масштабе 1:1 и со штатным катодом, который будет применяться при изготовлении прибора. Макет помещается в вакуумную камеру, после чего производятся испытания макета с отбором тока в непрерывном режиме, соответствующим току одного луча в многолучевом приборе. Таким образом достигается высокая достоверность полученных результатов. Следовательно, на этом этапе работы можно построить характеристики полноразмерного многолучевого прибора и определить его электрические параметры.

Научные результаты работы

1. Проведен детальный анализ существующих и разрабатываемых в отечественной и зарубежной технике высоковольтных ключевых и модулирующих электровакуумных приборов большой мощности. При анализе использовался коэффициент качества, характеризующий основные параметры ключевого прибора: максимальное коммутируемое напряжение и внутреннее сопротивление прибора К=иком/КЕН. Показано, что максимальным коэффициентом качества обладают предложенные и разработанные в ВЭИ высоковольтные коммутирующие приборы с торможение электронного пучка на аноде - ЭЛВ.

2. Для оптимизации параметров разрабатываемых ключевых приборов, в том числе ЭЛВ предложен суммарный коэффициента качества К2 учитывающий электрические, массо-габаритные и удельные параметры прибора. Предложена функция оптимизации параметров ЭЛВ, весовые коэффициенты, изменяемые в зависимости от целевой задачи при разработке приборов. Показано, что введение коэффициента позволяет достаточно полно характеризовать качество ЭЛВ для различных применений.

3. Разработана методика расчета ЭОС с оптимизацией на основе введения предложенного суммарного коэффициента качества. Методика состоит из многофакторной оптимизации целевой функции, которой является коэффициент Кх .Оптимизация производится расчётным путём с последующей экспериментальной проверкой результатов расчётов на специальном стенде, допускающим изменение геометрических параметров.

4. Создан экспериментальный стенд для исследований ЭОС многолучевых вентилей на основе испытаний однолучевого макета ЭОС. Экспериментальный стенд позволяет подтвердить результаты оптимизирующего расчёта и получить точные значения параметров, плохо определяемых расчетным путем, например токовых потерь.

5. Применение методики расчета с оптимизацией и экспериментальной отработкой ЭОС позволило получить существенное

увеличение глубины торможения электронного потока с минимизацией уровня токовых потерь. Так по результатам экспериментальных исследований для разработанной ЭОС достигнут уровень токовых потерь (1уэ/1к) 0,5% при глубине торможения (Ц/иуэ) 15%, против достигнутого ранее уровня потерь 3,5% при глубине торможения 25%. Что является значительным улучшением указанных параметров. На другом варианте электронно-оптической системы, при поставленной цели - получении большей глубины торможения, был получен уровень потерь 2,5% при глубине торможения 10%, что в более чем 2 раза лучше, чем в существующих системах.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по созданию оптимальной ЭОС с дополнительным управляющим электродом, что позволит ЭЛВ работать как в коммутирующем, так и в усилительном режиме с левой сеточной характеристикой. Такая ЭОС может быть применена в усилительных и генераторных лампах с торможением электронного потока на аноде. Показано, что введение дополнительного управляющего электрода в многолучевых системах с ленточным катодом приводит к снижению первеанса в 2-3 раза, по сравнению с прибором с управлением высоким потенциалом ускоряющего электрода. Однако при этом происходит увеличение коэффициента усиления прибора в 2-6 раз. Для использования подобной ЭОС в приборах в усилительных и генераторных режимах необходимы дальнейшие исследования.

Практические результаты работы

1. Разработана методика оптимизирующего расчета с учетом электрических, массо-габаритных и удельных параметров разрабатываемого прибора с весовыми коэффициентами, соответствующими различным областям применения прибора.

2. Создан стенд для экспериментальных исследований, позволяющий проводить испытания однолучевых макетов многолучевых ЭОС, в режимах соответствующих полноразмерным приборам.

3. На основании предложенной методики была проведена разработка ЭОС нескольких типов ЭЛВ, на основе которых совместно ВЭИ и ФГУП "Контакт" разработана конструкция и техническая документация для производства приборов ЭЛВ: 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 50/100М2, ЭЛГ 500/40. На ФГУП «Контакт» налажен выпуск ЭЛВ 4/40М. Изготовлены макеты и полноразмерные образцы приборов ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 50/100М2 и ЭЛВ 500/40.

4. Проведенный анализ устойчивости системы к геометрическим искажениям, вызванными отклонениями размеров электродов от номинальных значений, позволил определить значения допусков изготовления деталей и сборки узлов ЭЛВ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработку ЭОС ЭЛВ целесообразно проводить с использованием методики, основанной на введении суммарного коэффициента качества Кг, учитывающего электрические, массогабаритныс и удельные показатели.

2. Система весовых коэффициентов для учета различных параметров прибора при суммарной оценке качества прибора построена таким образом, что весовые коэффициенты тех параметров прибора, увеличение которых повышает качество прибора - положительные величины. Весовые коэффициенты тех параметров прибора, увеличение которых снижает качество прибора - отрицательные величины. Значения весовых коэффициентов могут быть изменены в зависимости от цели разработки прибора. Применение Кт позволяет найти правильный компромисс при решении задачи проектирования прибора для конкретного применения.

3. Методика разработки ЭОС ЭЛВ наряду с оптимизацией включает в себя траекторный анализ и экспериментальное подтверждение результатов исследований одного луча многолучевой системы. В программу экспериментов входит снятие тех же характеристик, что и для многолучевого прибора. При переводе результатов, полученных на однолучевом макете к полному многолучевому прибору относительные параметры, например токовые потери, сохраняются без изменений, а параметры, зависящие от количества лучей в системе, например первеанс многолучевого прибора, необходимо умножить на количество лучей в полном приборе.

4. В результате экспериментальных исследований получены новые данные по токовым потерям и глубине торможения в ЭОС ЭЛВ. Показано, что может быть достигнута глубина торможения 10^15% при токовых потерях 1,5^-3%, что существенно улучшает достигнутые ранее значения 2(Н25% глубина торможения при токовых потерях 5,5-н4%.

5. На основании траекторного анализа отклонений положения электродов при от номинального значения сборке ЭОС показано, что элементы ЭОС должны быть изготовлены и собраны с точностью не менее чем Н9/Ъ9.

Личный вклад соискателя.

Из 15 работ, опубликованных по теме диссертации, 11 выполнены с соавторами. Работа выполнена в ВЭИ в Научно-Инженерном Центре силовой электроники (НИЦ СЭ), руководитель В.И. Переводчиков. Соискатель проводил исследования, в том числе 100% расчётов и экспериментов, готовил данные и тексты для публикаций. Личный вклад соискателя в работы, опубликованные с соавторами, состоит в выполнении расчетов, проведении экспериментальных исследований разрабатываемых приборов, обработке и систематизации экспериментальных результатов. Соискатель полностью подготовил диссертацию, положения, выносимые на

7

защиту и выводы. Таким образом, личный вклад автора диссертации в работу и получение научных результатов является определяющим.

Апробация работы.

Основные положения данной работы докладывались и обсуждались на:

• Международной конференции БСНЕР 1999 (г. Дубна 15-17 февраля 1999г)

• Четвертом Всероссийском семинаре по проблемам теоретической и прикладной электронной оптики ( Москва, 2628 мая 1999г.)

• Международной конференции 1УЕС 2000 (Моктерей, США, 2-4 мая, 2000)

• Восьмом Всероссийском семинаре по проблемам теоретической и прикладной электронной оптики ( Москва, 29-30 мая 2007г.)

• Международной конференции 1УЕС 2008 (Монтерей, США, 2224 апреля 2008)

Публикации

По основному содержанию и результатам работы опубликовано 15 печатных научных трудов. Из них докладов на конференциях 5 в реферируемых журналах 4, в том числе в Российских 3. На разработанную в процессе выполнения настоящей работы электронно-лучевую лампу получен патент Российской Федерации.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из 4-х глав, заключения и списка литературы. Общий объём составляет 128 страниц. Работа содержит 9 таблиц и 51 рисунок. Список литературы включает 21 наименование.

Содержание работы по главам.

В первой главе работы производится сравнение высоковольтных коммутирующих приборов различных типов и производителей по наиболее простому и очевидному качественному параметру: отношению коммутируемого напряжения к внутреннему сопротивлению прибора в открытом состоянии. Этот параметр был введен ранее в литературе [1] и назван коэффициентом качества ключевой лампы, определяемый по формуле:

¿г _ ^ КОМ

Ят ; (1)

где иком - коммутируемое напряжение в запертом состоянии прибора,

RB„ - внутреннее сопротивление в проводящий период.

Коэффициент К электронного прибора не имеет физического смысла, а является числовым параметром, который отражает качество ключевого элемента и прекрасно подходит для сравнения разнотипных ключевых электронных приборов. Для проведения сравнения был отобран ряд электронных приборов со схожими областями применения, после чего на основании их параметров, заявленных производителем, был определен коэффициент качества К. Паспортные данные для приборов были упорядочены по току в порядке возрастания и представлены в табличной и графической форме.

Из рассмотренных данных таблицы следует, что высоковольтные ключевые приборы с торможением электронного потока на аноде (ЭЛВ) имеют более высокий КПД, соответственно меньшее внутреннее сопротивление R„H по сравнению с другими лампами примерно тех же электрических параметров (ЭЛВ 4/40 и ГМИ 34Б; ЭЛВ 200/1 и ГП-11А; ЭЛВ 50/100 и Varían Eimac Х-20062К). Далее было произведено сравнение приборов по массогабаритным показателям. По результатам сравнения можно зафиксировать более высокие габариты и массу у ЭЛВ 4/40 при высоком качестве прибора по электрическим показателям. На основании проведенного сравнения делается вывод о необходимости уменьшения массы и габаритов ЭЛВ при дальнейшем увеличении электронного КПД и коэффициента качества прибора. Это требует не только увеличения удельных характеристик прибора, но и исследования дальнейших путей увеличения глубины торможения электронного потока при минимизации токовых потерь.

Во второй главе работы рассматриваются методы увеличения удельных характеристик ЭЛВ. Так как физические требования к приборам противоречивы, и рост одних параметров оборачивается снижением других, требуется оптимизация. Для этого необходимо наличие критерия оптимизации, по значению которого возможно бы было сравнивать различные варианты приборов и делать выводы о целесообразности вносимых изменений в конструкцию прибора. Использование коэффициента К весьма наглядно показывает преимущества ЭЛВ, построенных на принципах рекуперации энергии над другими лампами, однако связывает между собой всего два параметра: коммутируемое напряжение и внутреннее сопротивление прибора в открытом состоянии. Для детальной оценки качества прибора необходимо учитывать большее количество параметров.

Таким образом, существует необходимость определения нового числового коэффициента, отражающего качество прибора, учитывающего возможно большее количество параметров прибора, с учетом их важности.

Был введен суммарный коэффициент качества ЭЛВ, который может быть использован как для комплексной оценки качества приборов, так и в

виде целевой функции для решения задачи оптимизации при разработке электронно-оптической системы ЭЛВ.

Исходя из поставленной задачи можно сформулировать требования к формуле вычисления суммарного коэффициента качества:

• Однозначность определения;

• Учет возможно большего количества параметров прибора;

• Увеличение любого из параметров, повышающих качество прибора (например первеанса) должно вызывать увеличение значения коэффициента;

• Увеличение любого из параметров, снижающих качество прибора (например потери) должно приводить к уменьшению значения коэффициента.

Для удобства комплексной оценки и возможности дополнительной оптимизации суммарный коэффициент качества целесообразно представлять как сумму коэффициентов, учитывающих группы параметров: электрические, массо-габаритные, удельные.

Важно отметить, что в силу разнородности учитываемых параметров суммарный коэффициент качества не имеет физического смысла, исчисляется в баллах и определяется по формуле

К£=КЭлектр+КмаС|;_габ+Куд (2),

где

Кэлектр = ' Л

(3),

где кг весовой коэффициент, рг электрический параметр.

Значения весовых коэффициентов определяются из значимости учитываемого параметра для качества прибора и характера влияния этого параметра на качество прибора (параметры, определяющие рост потерь учитываются с отрицательным знаком).

Кмасс-габ

' р' (4),

где к,- весовой коэффициент, рг массогабаритный параметр.

Так как целью оптимизации является снижение массы и уменьшение объёма прибора коэффициент качества по массо-габаритным параметрам представляет собой сумму обратных величин.

^уд = Х>< • Р,

> (5),

где кг весовой коэффициент, р; удельный параметр

Важное значение имеют удельные параметры прибора, нормированные как по массе, так и по объёму.

10

Существенным вопросом является определение значений весовых коэффициентов в формулах (2)-(5). Значение коэффициентов К| должно отражать важность параметра р, с точки зрения решаемой задачи. Так, например, для решения задачи построения ЭЛВ с наибольшим торможением значение весового коэффициента при параметре «глубина торможения» должно быть набольшим среди других весовых коэффициентов. В случае же реализации задачи построения ЭЛВ с максимальным коммутируемым напряжением набольшим должен быть коэффициент при июм. В тоже время для параметров, которые не являются первостепенными, весовой коэффициент должен иметь меньшее значение.

В работе приведён пример расчета Кг и значения весовых коэффициентов. Результаты расчёта суммарного коэффициента качества К^ приведены на рис. 1.

Из приведенных в работе примеров расчета видно, как полно

ЭЛВ 50/100М

ЕЗ Кмасс-габ

екя

ИКе

Рис. 1. Пример расчета суммарного коэффициента качества ЭЛВ

суммарный коэффициент качества учитывает особенности каждого прибора. Так, например, для одних приборов наибольший вклад в сумму вносят электрические параметры, для других удельные и массогабаритные. Благодаря этому можно сравнивать между собой приборы различных назначений, (высоковольтные и сильноточные) по едином)' параметру. Например, высоковольтный ЭЛВ 2/200 имеет малый первеанс, но обеспечивает коммутацию напряжения до 200 кВ. Сильноточный ЭЛВ 50/100 способен коммутировать токи до 50 А при коммутируемом напряжении до 100 кВ. Однако по удельным характеристикам приборы близки, что характеризует высокий технический уровень разработки приборов, это и отражает значение суммарного коэффициента качества. Также по суммарному коэффициенту качества возможно сравнение ЭЛВ с приборами- аналогами других типов.

Для оптимизации в процессе создания прибора необходимо расчетным и экспериментальным путем определить электрические параметры одного луча, скомпоновать отельные лучи системы в многолучевой прибор, определив таким образом его минимальный габарит. Далее следует произвести расчет коэффициента качества прибора, который является универсальным критерием оптимизации приборов. Из вносимых

изменений правильными признаются те. которые

Шп :: определяют рост

■ коэффициента качества.

^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ имеет следующие

параметры: ток в Рис. 2. Модификации ЭЛВ 4/40 непрерывном режиме

а) ЭЛВ4/40 б) ЭЛВ 4/40М в) ЭЛВ 4/40М2 8А, максимальное

коммутируемое

напряжение 60 кВ. Доля токовых потерь 3,5-4%. ЭОС ЭЛВ 4/40 состоящая из 8 лучей представлена на рис. 3 Первеанс прибора составляет 68 мкА/ВЗ/2 В процессе оптимизации ЭЛВ 4/40 были разработаны два варианта прибора: ЭЛВ4/40М и ЭЛВ4/40М2. В ЭЛВ 4/40М (см. рис. 26). Была изменена электронно-оптическая система прибора. Вместо индивидуальных прикатодных электродов был применен единый прикатодный электрод для всех 8 лучей. В результате модернизации ЭОС удалось получить более ламинарный электронный пучок, увеличить глубину торможения.

Также было изменено конструктивное решение прибора, использован гладкий изолятор меньшего диаметра, что позволило уменьшить габариты и массу прибора. Сравнение результатов траекторного анализа ЭОС ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ4/40М приведено на рис. 3.

При расчете суммарного коэффициента качества значение для ЭЛВ 4/40 по формуле (4) составило:

Рис. 3. электронно-оптическая система ЭЛВ4/40 (вверху) и 4/40М (внизу) КЕ=Кэле,ар+Кмасс.габ+Куд =712,4+225,5+463,4= 1401

для ЭЛВ 4/40М:

К£= Кэлеетр+Кшсс.га6+Куд =456,5+450,3+873,2=1780

Таким образом, снижение суммарного коэффициента качества по электрическим параметрам было компенсировано повышением коэффициентов качества по массогабаритным и удельным параметрам.

С целью дальнейшего улучшения прибора была переработана электронно-оптическая система. Было сокращено количество пучков с 8 до 6, что позволило расположить катоды ближе к оси симметрии прибора, тем самым уменьшив диаметр прибора. Применение пучков с меньшей компрессией позволило значительно увеличить первеанс системы и добиться большей ламинарности электронного пучка, что, в свою очередь, позволило увеличить глубину торможения. Сравнение элеггронно-

оптических систем ЭЛВ 4/40М (8-лучсвой) и ЭЛВ 4/40М2 (6-лучевой) представлены на рис. 4.

ЭЛВ 4/40М2 рис. 2в) предназначен для коммутации статических и импульсных напряжений значением до 40кВ и токов до 10А. Основной задачей при разработке этого прибора являлось улучшение массогабаритных параметров. Так как требования по коммутируемому напряжению были ограничены 40 кВ, было принято решение уменьшить высоковольтный зазор до 9 мм, что вполне достаточно. Для уменьшения диаметра прибора катодно-подогревательные узлы необходимо сдвинуть к оси симметрии, центру многолучевого прибора. Так как ширина катодов неизменна, при смещении катодов к оси симметрии необходимо уменьшить количество катодов, а для реализации требуемого тока необходимо увеличить токоотбор с каждого луча.

В ЭОС 4/40М2 количество лучей было уменьшено с 8 до 6. ЭОС обладает следующими расчетными параметрами: Р=178 мкА/Взя, глубина торможения 14,4%. Напряжение запирания на ускоряющем электроде при анодном напряжении Ua=40 кВ составляет 600 В. По результатам расчета для реализации тока 8А необходимо подать на ускоряющий электрод напряжение 1260 В, при этом потенциал на аноде составит 180 В. Очевиден рост параметров прибора по сравнению с ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 4/40М. При уменьшении количества катодных узлов с 8 до 6 ток каждого луча увеличился с 1 до 1,3А, что привело к росту средней удельной нагрузки на катод с 0,18 А/см2 до 0,24 А/см2.

Таким образом суммарный коэффициента качества прибора, учитывающий все наиболее важные параметры прибора, применим для комплексной оценки качества коммутирующих приборов ЭЛВ. Также суммарный коэффициент качества может быть использован в качестве целевой функции при комплексной оптимизации электронно-оптических систем ЭЛВ. Для прибора ЭЛВ 4/40М2 значение суммарного коэффициента качества по формуле 2 составит:

Kz= Кмепр+Кмсс.га6+Куд =1794,2+899,8+1671,5=4357.

Очевиден рост значения суммарного коэффициента качества, отражающий улучшение качества прибора в результате проводимой оптимизации. Сравнение приборов ЭЛВ 4/40, 4/40М, М2 по приведено на рис. 1.

Рис. 4. Электронно- оптическая система ЭЛВ4/40М (вверху) и 4/40М2 (внизу)

В третьей главе описывается созданный экспериментальный стенд, методика испытаний и результаты экспериментальных исследований разработанных ЭОС. Стенд представляет собой вакуумную систему для получения высокого вакуума с безмасляными средствами откачки. Для получения предварительного вакуума используется сухой спиральный безмаслянный насос, для высокого турбомолекулярный и магниторазрядный насосы. Вакуумная схема установки приведена в работе. Установка позволяет получать давление ниже 3-10'7 мм. рт. ст. и поддерживать давление ЗТО"6 мм. рт. ст. при значительном газовыделении. Объектом исследований является макет одного луча многолучевой ЭОС, изготовленный в масштабе 1:1. Конструкция макета позволяет производить исследования макета с отбором тока, соответствующего току одного луча в многолучевом приборе в непрерывном режиме. Использование непрерывного режима токоотбора позволяет повысить точность измерений и получить удельные нагрузки на электроды макета, соответствующие удельным нагрузкам в реальном приборе. Таким образом параметры, определенные при исследованиях на макете, наиболее точно соответствуют параметрам реального прибора.

Были проведены экспериментальные исследования для всех разработанных ЭОС, в том числе и для ЭОС с управляющей сеткой. В работе приведены результаты экспериментов.

Основным параметром, определяемым экспериментально является уровень токовых потерь, так как на сегодняшний день нет методики,

позволяющий определить его расчетным путём. Для наглядности представления на графике (рис. 5) по оси X показаны потери по напряжению Ц/и^ (глубина торможения), а по оси У по току 1уз/1к. Идеальный график соответственно должен совпадать с осями координат. На рис. 5 приведены результаты испытаний ЭОС ЭЛВ 4/40М2, а на рис. 6 ЭОС ЭЛВ 50/100М. Результаты испытаний макета ЭОС ЭЛВ 4/40М2 полностью подтвердили первоначальные предположения об уровне токовых потерь не более 8% от тока катода. Реально достигнута глубина торможения электронного потока 15% против 25% у предыдущей модели.

5 ;; :: \ :: ::: ::; : г.: ■.

:: :;; ::: :::

л-Н- •¡-Ц- -П-г

. ■ 1 -1.. 1"Я" -И-!- -¡-ту

'' М : ; ;;: ::: : ;;

::; ;:: ::: : I; : ;; :::

М'Г" * "I'?"?■" М"«1"

:!; ;:: ;:'. : ;;: ; ::: ::: ;::

; ; \ ; ; ;:; ! ::: : :!: :;:

-Ш--Н44 -;4н -:4 ::: ::: :::

;;; < ! ;!; '.;'.

::: :: ::; :::

0 10 20 30 40 50 60 70 60 90 100 110 13> 130 140

рис. 5. Токовые потери ЭОС ЭЛВ 4/40М2

Результаты испытаний макета ЭОС 50/100М показали низкое значение токовых потерь. Реальный уровень токовых потерь составил 0,50,7%, что значительно ниже уровня потерь 3,5%, достигнутого ранее.

70 I „I I :— и ::.—и,.:..-!-...!—-.—...—|

40

30

80 100 ЦуэШа, %

рис. 6. Токовые потери ЭОС ЭЛВ 50/100М

На рис. 7 приведены экспериментальные вольт-амперные характеристики прибора ЭЛВ 4/40М.

1а,А

♦— 1—* -- ►

*— *-!

" 1

0.25 0.5 0.75 1 1.25 1,5 1,75

3000 1уа,мА

2000 1500 1000

-!а при 1_>уэ=2,4 кВ —■к—1а при Цуэ=1.5 кВ ■1уэ при Цуэ=2.4 кВ - ■*- '|уэ при Цуэ=1.5 КВ

2 2.25

Ца.кВ

Рис. 7. Экспериментальные характеристики ЭЛВ 4/40М

Четвертая глава посвящена разработке конструкции многолучевого прибора, в частности такому важному требованию, как определение допустимых отклонений размеров электродов ЭОС, что является основным при изготовлении приборов.

При изготовлении и сборке прибора неизбежно накапливаются погрешности геометрических размеров электродов и межэлектродных расстояний. В многолучевом приборе это может приводить к существенному отличию результирующих характеристик от расчетных. В частности это может означать существенный рост, увеличение или уменьшение первеанса. Поэтому необходимо специальное исследование с целью определения допустимых отклонений геометрических размеров ЭОС о расчетных значений.

Накопленный опыт тректорного анализа и экспериментальных исследований ЭОС позволяет сделать вывод о существенной зависимости параметров электронно-оптической системы (ЭОС) электронно-лучевого вентиля (ЭЛВ) от отклонений размеров, формы и местоположения электродов относительно их номинального положения. В частности, смещение катода относительно прикатодного электрода на 0,5 мм дает рост токовых потерь более чем в два раза. В то же время, достигнутый уровень точности при расчете ЭОС позволяет, в случае ЭОС ЭЛВ, утверждать, что несовершенство методов расчета вносит существенно меньший вклад в искажение результата, чем несовершенство в изготовлении, и особенно, в сборке деталей. Поэтому существует возможность при помощи расчетных методов симулировать дефекты при изготовлении и сборке ЭОС. Для этого производится расчет ЭОС с умышленно искаженными геометрическими

параметрами и анализ их влияния на конечный результат. На основании этих расчетов делается вывод о допустимых отклонениях.

В работе проведены произведены расчеты для ЭОС ЭЛВ 50/100М для различных видов деформаций.

На основании расчётов и макетирования делается вывод о том, что допустимое линейное отклонение положения катода относительно номинального должно быть менее 0,2 мм при размерах катода 6 х 100 мм, допустимое угловое отклонение не более 0,25°. Полученные значения допустимых отклонений соответствуют технологическим возможностям предприятия изготовителя НПО «Контакт».

В результате исследований, проведенных на основании созданной методики оптимизированного расчета и экспериментальной проверки разработаны ЭОС для модернизации приборов ЭЛВ 4/40 и созданы ЭОС для новых приборов ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 50/100М2, ЭЛГ 500/40.

На основании разработанных ЭОС в конструкторских бюро ВЭИ и НПО «Контакт» была разработана конструкция, которая была реализована в экспериментальных образцах приборов.

В разделе заключение сформулированы основные практические и научные результаты, полученные в ходе работы над диссертацией:

1. Показано, что при создании высоковольтных ключевых электронных приборов с высоким коммутируемым напряжением (20-200кВ) и относительно малыми средними токами (2-50А) явное преимущество имеют вакуумные электронные приборы. Как по сравнению с газоразрядными (тиратроны) так и силовыми полупроводниковыми (ЮВТ, тиристоры). Определяющим является возможность коммутировать высокое напряжение в единичном приборе, полное (жесткое) управление током за счет управляющей сетки, наличие пологой вольтамперной характеристики -ограничение перехода к пробою в нагрузке, стойкость к электромагнитному излучению высокой частоты и возможность кратковременного рассеяния мощности при пробоях. Из проведенного анализа существующих и разрабатываемых вакуумных ключевых приборов следует, что явным преимуществом обладает электроино-лучевой вентиль (ЭЛВ) с торможением пучка электронов на аноде.

2. При разработке электровакуумных ключевых приборов в силу противоречивости требований часто сложно бывает определить, достигнуто ли улучшение параметров прибора в целом, так как рост одних параметров вызывает снижение других. Поэтому для комплексной оценки качества ЭЛВ необходимо ввести суммарный коэффициент качества Ке, учитывающий все наиболее важные параметры прибора. Суммарный коэффициент качества коммутирующего прибора может быть использован как для комплексной оценки качества приборов, так и в качестве целевой функции для решения задачи оптимизации при разработке электронно-оптической системы ЭЛВ.

3. Весовые коэффициенты, применяющиеся при расчете К2, определяются исходя из важности соответствующих им параметров с точки зрения решаемой задачи. Так например для решения задачи построения ЭЛВ с наибольшим торможением значение весового коэффициента при параметре глубина торможения должно быть набольшим среди других весовых коэффициентов. В случае же реализации задачи построения ЭЛВ с максимальным коммутируемым напряжением набольшим должен быть коэффициент при иком.

4. На созданном в процессе выполнения данной работы стенде, были проведены экспериментальные исследования макетов единичного луча многолучевых ЭОС. По результатам испытаний сделан вывод о низком значении потерь и хорошем соответствии расчетным значениям. Подтверждены результаты, полученные расчетным путём, и достигнуты рекордно низкие относительные токовые потери 0,5% от тока катода при глубине торможения 15% против ранее достигнутых 3,5% при глубине торможения 25%.

5. На основании разработанных ЭОС в конструкторском ВЭИ и ОАО «Контакт» была разработана конструкция, которая была реализована ОАО «Контакт» в экспериментальных и опытных образцах приборов. Была проведена комплексная оптимизация ЭЛВ 4/40, приведшая к увеличению суммарного показателя качества. Были созданы модернизированные приборы ЭЛВ 4/40М и ЭЛВ 4/40М2, предназначенные для использования в качестве ключевого элемента в мощной передающей радиоаппаратуре. Были разработаны ЭОС для прибора ЭЛВ 50/100М, предназначенного для источника питания гиротронов и электрофильтров пылегазоочистки, ЭЛВ 50/100М2, предназначенного для использования в энергетике, ЭЛВ 500/40 для создания мощных радиосигналов УВЧ.

6. Были произведены расчетные и экспериментальные исследования ЭОС с дополнительной управляющей сеткой. Целью разработки этой ЭОС являлось увеличение коэффициента усиления ЭЛВ и управление ЭЛВ меньшим по амплитуде управляющим сигналом отрицательной полярности. На основании проведенных исследований была разработана ЭОС с управляющей сеткой для прибора ЭЛВ 30/40, предназначенного для применения в качестве усилительной лампы в передающей радиостанции. Показано, что благодаря этому можно получить рост коэффициента усиления ЭЛВ при работе ЭЛВ 30/40 в усилительном режиме.

7. Для определения величин допусков при производстве, было проведено расчетное и экспериментальное определение допустимых отклонений расстояний между электродами. Установлено, что при отклонении положения катода и прикатодного электродов менее 0,2 мм относительно номинального параметры системы практически не отличаются от номинальных. При отличии размеров 0,2-0,5 мм от номинальных значений происходит рост потерь в 1,5-2 раза. При больших

отличиях размеров происходит недопустимый рост потерь. Эти данные были использованы при конструировании и изготовлении ЭЛВ.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Perevodchikov V.I., Shapenko V.N., Stalkov Р.М. "Limiting current at the electron-optical systems switching valve with braking of the electron beam at the anode. "Proceeding of SCHEF '99, INR, Dubna 1999, pp 51-58

2. В. Переводчиков, В. Шапенко, В. Мартынов, П. Стальков, А. Шапиро. "Новый класс мощных электронных приборов - электронно-лучевые вентили (ЭЛВ)." Приклад/гая физика №2 2000, стр 86-92.

3. V.I. Perevodchikov, V.N. Shapenko, V.F. Martynov, P.M. Stalkov, A.L. Shapiro "New type of high-power switching electron tubes - electron-beam valves (EBV)" Proceeding SPIE (The international Society for Optical Engineering), 2000. Fourth All-Russian Seminar on Problems of Theoretical and Applied Electron Optics Volume: 4187 ISBN: 9780819438508 DOI: 10.1117/12.394153

4. V. Perevodchikov, V. Shapenko, P. Stalkov "Forming of electron beams in high voltage switching tubes with electron beam deceleration at anode." конференция IVEC2000 (International Vacuum Electronic Conferece) 2000, PI. 17. Perevodchikov, V.; Shapenko, V.; Stalkov, P Digital Object Identifier 10.1109/OVE:EC.2000.847447

5. В.И.Переводчиков, В.Н.Шапенко, П.М.Стальков «Сравнительный анализ высоковольтных коммутирующих приборов» Сб.научных трудов ВЭИ 2001г.

6. В. И. Переводчиков, В. Н. Шапенко, П. М. Стальков, А. С. Мурашов «Разработка электронно-лучевых вентилей с уменьшенными массогабаритными параметрами» Прикладная физика, 2004, № 1

7. П. М. Стальков «Проблемы оптимизации электронно-оптических систем электроннолучевых вентилей» Прикладная физика, 2004, № 3

8. Р. М. Stalkov «Problems of optimization of electron-optical systems of electron beam valves» (Proceedings Paper) Proceedings Vol. 5398 DOI: 10.1117/12.552064

9. V. I. Perevodchikov, V. N. Shapenko, P. M. Stalkov. «Development of electron-beam valves with reduced mass-dimensional parameters» (Conference Proceedings Paper) Proceedings Vol. 5398 DOI: 10.1117/12.563193

10. Стальков П.М. « Проблемы оптимизации электронно-оптических систем электроннолучевых вентилей.» Сб.научных трудов ВЭИ 2008г. с. 85.

11. Стальков П.М. . «ЭОС с торможением на аноде ленточного электронного пучка с управляющей сеткой.» Сб.научных трудов ВЭИ 2008г. с. 91.

12. Переводчиков В.И., Стальков П.М., Шапенко В Н. «Состояние и перспективы разработки электронно-лучевых вентилей.» Сб.научных трудов ВЭИ 2008г, с.174.

13. Стальков П.М. «Экспериментальные исследования макетов электронно-оптических систем ЭЛВ» Сб.научных трудов ВЭИ 2008г, с 188.

14. Perevodchikov, V.I. Stalkov, P.M. Shapenko, V.N. «Electrons deceleration on the anode and prospects of powerful switch tubes for converting technics» Vacuum Electronics Conference, 2008.1VEC 2008. IEEE International On page(s): 324-325 ISBN: 978-1-42441715-5 INSPEC Accession Number: 10072981 Digital Object Identifier: 10.1109/1VELEC.2008.4556538

15. Переводчиков В.И., Стальков П.М., Шапенко B.H., Мурашов. А.С, ТрухачСв И.М. Патент Российской Федерации RU 2 338 292 С1 на изобретение «Электронно-лучевая лампа» от 10.11.2008.

Цитированная литература:

1. Переводчиков В .И. II Электротехника. 1980. № 6. С. 87.

20

Подписано в печать:

20.02.2009

Заказ № 1619 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Глава 1. Анализ существующего положения с разработкой высоковольтных ключевых электронных приборов.

1.1. Введение.

1.2 Области применения высоковольтных вакуумных коммутирующих приборов и состояние их разработки.

1.3 Электронно-лучевые вентили и их особенности.

1.4. Существующий уровень разработок ЭЛВ и задача диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Траекторный анализ электронно-оптических систем и оптимизация параметров ЭЛВ.

2.1 Критерии оптимизации параметров ЭОС, суммарный коэффициент качества.

2.2 Применение суммарного коэффициента качества при проектировании ЭЛВ.

2.3 Модернизация ЭЛВ 4/40.

2.3 Расчёт ЭОС ЭЛВ 4/40М2.

2.4 Расчет ЭОС ЭЛВ 50/100М.

2.5 Расчёт ЭОС ЭЛВ 500/40.

2.6 ЭОС ЭЛВ с управляющей сеткой.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования макетов Электронно-оптических систем ЭЛВ.

3.1. Установка для экспериментальных исследований.

3.2 Исследование ЭОС ЭЛВ 4/40М2.

3.3 Исследование ЭОС ЭЛВ 50/100М.

3.4. Испытание ЭОС ЭЛВ 50/100М режиме управления прикатодным электродом.

3.5. Исследования ЭОС ЭЛВ 500/40.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Конструкция ЭЛВ с модернизированной ЭОС, изготовление приборов и их исследование.

4.1. Разработка конструкции ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100.

4.2 Определение допустимых отклонений геометрических параметров ЭОС.

4.2.1 Определение допустимого поворота катода оносительно оси симметрии прибора.

4.2.2 Влияние смещения катода по оси X катода на параметры системы.

4.2.3 Влияние смещения катода по оси У катода на параметры системы.

4.3 Результаты модернизации ЭЛВ 4/40.

Выводы по главе 4.

Развитие электротехники требует решения задач коммутации токов и высоких напряжений при высоком быстродействии. Наилучшим способом решения задачи являются приборы, в которых управление выходными электрическими величинами (током и напряжением) осуществляется при помощи входной электрической величины. Также крайне желательно, чтобы управляющая величина была возможно меньшей, а управляемая величина возможно большей. Это прежде всего относится к электронным коммутирующим приборам, которые будут рассмотрены ниже.

При этом значения коммутируемых токов и напряжений изменяются в весьма широких диапазонах. Так, значения коммутируемых токов расположены в интервале единиц ампер до 10 кА, а значения коммутируемых напряжений достигают сотен киловольт.

Для решения поставленной задачи при столь широком диапазоне значений созданы разнообразные электронные приборы, которые можно разделить на три основных класса. Для каждого вида приборов характерны собственные достоинства и недостатки.

Вакуумные электронные приборы, в которых преобразование управляющей величины в управляемую осуществляется при помощи носителей отрицательного заряда - электронов. Эти приборы обладают высоким быстродействием, но наличие пространственного заряда электронов ограничивает максимальный ток. Также отличительной чертой вакуумных электронных приборов является их высокая устойчивость к пробоям и действию ионизирующего электромагнитного излучения.

В газоразрядных или ионных приборах, пространственный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. Это приводит к увеличению коммутируемого тока, но вносит такие ограничивающие факторы, как увеличение времени коммутации, низкая помехоустойчивость, ограничение максимального коммутируемого напряжения. Газоразрядные приборы обладают высоким первеансом и способны реализовывать высокие токи. Ионизация газа приводит к образованию плазмы в прианодном пространстве. Сопротивление участка, заполненного плазмой, минимально, поэтому весь перепад напряжения сосредотачивается в прикатодном пространстве, что существенно увеличивает первеанс. Таким образом наличие плазмы в приборе приводит к снижению внутреннего сопротивления прибора. Однако наличие плазменного столба с его подвижной границей ограничивает высоковольтную прочность такого прибора. На практике коммутируемое напряжение таких приборов составляет не более 50-60 кВ. Также из-за постоянной ионной бомбардировки катода в таком приборе сокращается срок его службы.

Твердотельная электроника получила за последнее время огромное распространение, вызванное её низкой ценой и простотой в эксплуатации. Сильным положительным качеством полупроводниковых приборов является возможность коммутации больших токов (сотни ампер). Однако недостатком твердотельных приборов является низкое значение коммутируемого напряжения в единичном приборе (до 6 кВ). На практике это означает, что для коммутации высокого напряжения (десятки киловольт и выше) необходимо последовательное соединение нескольких полупроводниковых приборов, при одновременном управлении всеми ими. Надежность такой схемы обратно пропорциональна количеству последовательных элементов. Кроме того, крайне высоки требования к синхронности переключения. Ведь если хотя бы один из ключевых элементов сработает раньше, на остальных элементах напряжение превысит максимально допустимое. Конечно, цепочки приборов выбираются с запасом, как по коммутируемому напряжению, так и по количеству приборов, но первое снижает параметры системы, а второе еще приводит к ещё большему усложнению системы управления.

Рассмотрим параметры вакуумных электронных приборов, газоразрядных (водородные тиратроны) и силовых полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров типа JGBT, JGCT), применяющихся при создании высоковольтных схем.

В таблице 1 приводятся данные по коммутируемому напряжению, импульсному току в единичном приборе, оценивается количество полупроводниковых элементов для реализации высокого напряжения, (например, 100 кВ), прямое падение и суммарные потери, возможность ограничения тока и долговечность при токе -500А.

Из таблицы 1 следует, что использованию ключа на уровень напряжения 100 кВ в объеме единичного прибора соответствует только вакуумный прибор, обладающий к тому же высоким быстродействием и возможностью ограничения тока (пентодной характеристикой).

Водородный тиратрон по своим электрическим параметрам не обладает возможностью полного управления и ограничения тока. Кроме того, максимальное напряжение на закрытом тиратроне не более 50 кВ. Также недостатком этого прибора является ограниченный срок службы.

Прогресс в развитии полупроводниковой техники в последние десятилетия огромный. Особенно бурно развивались слаботочные приборы, предназначенные для быстрой коммутации малых напряжений 1-2 В, использующихся в современной цифрой технике. Но и в силовой полупроводниковой электронике прогресс весьма значителен. Современные тиристоры и транзисторы (JGBT и JGCT) способны коммутировать токи 1,2 кА и 4 кА соответственно. При этом коммутируемое напряжение составляет 3,3 кВ и 4.5 кВ. Таким образом, для коммутации напряжения 100 кВ требуются последовательные наборы из -25-30 шт. таких приборов.

Разумеется, для каждого из последовательно соединенных приборов требуется система управления. Основное требование к такой системе -синхронность управления всеми приборами, иначе, как это отмечалось выше, напряжение на отдельных элементах последовательной цепи может превысить максимально допустимое. В этом случае происходит необратимое разрушение всех или части приборов, что при последовательном их соединении означает полную неработоспособность. Таким образом, недостаточный уровень максимально напряжения на единичном приборе приводит к существенному снижению надежности и усложнению системы управления. Тем не менее, оценка показывает, что СПП целесообразно по критерию надежности и ценовым характеристикам использовать до 30-40 кВ, когда еще возможна конкуренция с коммутирующими лампами.

Следует отметить также важную особенность вакуумных приборов. Выделение тепловой энергии в вакуумном приборе происходит на электродах, а не в объёме прибора, как это происходит в силовых полупроводниковых приборах, в результате возрастает стойкость к пробою, а в случае пробоя прибор легко восстанавливает свою работоспособность. Таким образом, даже в случае пробоя не происходит необратимого выхода вакуумного прибора из строя. Поэтому вакуумный прибор способен работать при высоких напряжениях на единичном приборе. Также следует отметить важную особенность вакуумных приборов — эти приборы устойчивы к воздействию ионизирующего излучения. Таким образом, из сравнения вакуумных ключевых приборов с водородным тиратроном и СПП следует, что для перечисленных выше применений предпочтительнее использование вакуумных электронных коммутирующих приборов.

Учитывая приведённое выше, задачей данной работы является изучение ситуации с разработкой вакуумных высоковольтных коммутирующих приборов и создание научных основ их усовершенствования.

Таблица 1

Сравненительные характеристики вакуумных ключевых ламп типа ЭЛВ, водородных тиратронов и Clill при использовании их для коммутации напряжений 100 кВ. п/п Тип прибора Коммутируемое напряжение Имп. ток в ед. пр. Кол-во элементов для 100 кВ Прямое падение Суммарные потери Долговечность при токе 500А Возможность ограничения тока

1 Вакуумный прибор до 200кВ 5 00А 1шт 1,2 кВ 6 кВт 103ч есть

2 Водородный тиратрон до 50кВ ЗОООА 1 шт 1 кВ 4,5 кВт 5-102ч нет

3 Транзистор IGBT 3,3 кВ 1200 А -40 шт 3 В в ед.пр. 4.5 кВт 50«Ю3ч нет

4 Тиристор IGCT 4,5 кВ 4500 А -25 шт 3 В в ед.пр. 3,3 кВт Ю3ч нет

Выводы по главе 4

На основании разработанных ЭОС были спроектированы приборы ЭЛВ 4/40М, ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 500/40.

Характеристики изготовленного прибора ЭЛВ 4/40М полностью соответствуют расчетным, приборы ЭЛВ 4/40М выпускаются малыми партиями на НПО «Контакт» и применяются в аппаратуре РЛС.

Для приборов ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, и ЭЛВ 500/40 на НПО «Контакт» изготовлены экспериментальные опытные образцы и технологические макеты. С целью более точного соответствия характеристик приборов расчетным значениям, было проведено специальное исследование, с целью определения допустимых отклонений. В результате определено, что допустимые отклонения положения катода в приборе составляют:

1. по оси X не более 0,2 мм

2. по оси У не более 0,2 мм

3. поворот катода относительно оси симметрии прибора не более 0,25°, Что соответствует допускам, реализуемым на НПО «Контакт» при изготовлении электронных приборов.

При этом необходимо отметить, что одновременном сочетании нескольких отклонений допустимых по отдельности, характеристики прибора ухудшаются весьма значительно.

На основании полученных данных были разработаны рекомендации по изготовлению прибора и разработана конструкторская документация, переданная на завод изготовитель.

Заключение 1

Анализ областей применения высоковольтных вакуумных электронных приборов показывает, что в настоящее время возникла потребность в широком использовании высоковольтных коммутирующих приборов в мощных электрических схемах. К ним относятся модуляторы и защитные коммутаторы радиоэлектронных схем постоянного и импульсного режимов с высоким уровнем средней мощности, электроннолучевые технологические установки, источники питания пылегазоочисных установок (электрофильтры, установки очистки окислов с помощью коронного разряда), а также начинающая своё развитие высоковольтная преобразовательная техника. Эта область ориентирована на уровень напряжения 20-200 кВ и коммутацию в нагрузке средней мощности от 100 кВт до 10 МВт, и это направление будет в будущем существенно расширяться.

Показано, что в области параметров указанных применений: высокое коммутируемое напряжение (20-200кВ) и относительно малые средние токи (2-50 А) явное преимущество имеют вакуумные электронные приборы по сравнению с газоразрядными (тиратроны) и силовыми полупроводниковыми (IGBT, тиристоры). Определяющим является возможность коммутировать высокое напряжение в единичном приборе, полное (жесткое) управление током за счет управляющей сетки, наличие пологой вольтамперной характеристики ограничение перехода к пробою в нагрузке, стойкость к электромагнитному излучению высокой частоты и возможность кратковременного рассеяния мощности при пробоях (что расширяет диапазон применения подобных приборов).

Сравнительный анализ высоковольтных электронных приборов, разработанных для разных целей (короткоимпульсные модуляторы, регуляторы тока) с высоковольтными коммутирующими лампами с торможением электронно-лучевыми вентилями (ЭЛВ) показывает, что ЭЛВ обладают более высокими показателями по внутреннему сопротивлению и КПД; однако, по коммутируемой мощности, отнесенной к объему прибора они уступают некоторым другим разработкам со сравнительно низкими показателями по электрическим параметрам для данного применения.

Проведенное рассмотрение характеристик и конструкции 3-х разработанных типов ЭЛВ показало, что основным направлением совершенствования ЭЛВ наряду с увеличением электронного КПД является улучшение массогабаритных показателей. При этом очевидно, что достоинством этих приборов, по сравнению с традиционными решениями триодами и тетродами, является высокий коэффициент полезного действия, достигаемый за счёт глубокого торможения электронного потока на аноде (уменьшение внутреннего сопротивления) и тщательное формирование электронного пучка в луч (уменьшение токовых потерь на управляющем электроде).

Следовательно, основной задачей работы по совершенствованию ЭЛВ и задачей диссертации является разработка оптимизированных электронно-оптических систем, обеспечивающих как повышение электронного КПД, так и уменьшение массо-габаритных показателей. 2

При разработке приборов в силу противоречивости требований часто сложно бывает определить, достигнуто ли улучшение параметров прибора в целом, так как рост одних параметров вызывает снижение других. Поэтому для комплексной оценки качества ЭЛВ необходимо ввести коэффициент, учитывающий все наиболее важные параметры прибора. На сегодняшний день существует необходимость определения нового числового коэффициента, отражающего качество прибора, учитывающего возможно большее количество его параметров, с учетом их важности с точки зрения вклада в общее качество прибора.

Для комплексной оценки качества прибора и многофакторной оптимизации удобно ввести специальный параметр, зависящий от многих параметров прибора — суммарный коэффициент качества прибора.

Суммарный коэффициент качества коммутирующего прибора может быть использован как для комплексной оценки качества приборов, так и в качестве целевой функции для решения задачи оптимизации при разработке электронно-оптической системы ЭЛВ. 3

Основываясь на использовании суммарного коэффициента качества, проведена комплексная оптимизация ЭЛВ 4/40, приведшая к увеличению суммарного показателя качества. Были созданы модернизированные приборы ЭЛВ 40/М и ЭЛВ 4/40М2, предназначенные для использования в качестве ключевого элемента в мощной передающей радиоаппаратуре. Разработаны и рассчитаны ЭОС для приборов ЭЛВ 50/100М предназначенного для источника питания гиротронов и электрофильтров пылегазоочистки, ЭЛВ 50/100М2 предназначенного для использования в энергетике (системах гибких линий электропередач), ЭЛВ 500/40 для создания мощных радиосигналов УВЧ и ЭЛВ 30/40 с дополнительной управляющей сеткой для применения в качестве усилительной лампы в передающей радиостанции. Было проведено расчетное определение допустимых отклонений размеров электродов при изготовлении и сборке ЭОС. 4

На созданном в процессе выполнения этой задачи стенде, были проведены экспериментальные исследования макетов единичного луча многолучевых ЭОС. По результатам испытаний сделан вывод о низком значении потерь и хорошем соответствии расчетным значениям. На основании результатов испытаний определены ожидаемые параметры приборов, и дано задание на разработку конструкции приборов. При проведении испытаний на стенде подтверждены результаты, полученные расчетным путём, и достигнуты рекордно низкие относительные токовые потери 0,5% от тока катода против ранее достигнутых 3,5%. 5

Были произведены расчетные и экспериментальные исследования ЭОС с дополнительной управляющей сеткой. Целью разработки этой ЭОС являлось увеличение коэффициента усиления ЭЛВ и управление ЭЛВ меньшим по амплитуде управляющим сигналом отрицательной полярности. Показано, что благодаря этому можно получить рост коэффициента усиления ЭЛВ в 10 раз при снижении первеанса в 3 раза.

В результате исследований, проведенных на основании созданной методики оптимизированного расчета и экспериментальной проверки, разработаны ЭОС для модернизации приборов ЭЛВ 4/40 и созданы ЭОС для новых приборов ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 50/100М2, ЭЛГ 500/40.

На основании разработанных ЭОС в конструкторском ВЭИ и НПО «Контакт» была разработана конструкции, которые были реализованы в экспериментальных образцах приборов.

Для определения величин допусков при производстве, было проведено расчетное и экспериментальное определение допустимых отклонений расстояний между электродами. Установлено, что при отклонении положения катода и прикатодного электродов менее 0,2 мм относительно номинального параметры системы практически не отличаются от номинальных. При отличии размеров 0,2-0,5 мм от номинальных значений происходит рост потерь в 1,5-2 раза. При больших отличиях размеров происходит недопустимый рост потерь. Эти данные были использованы при конструировании и изготовлении ЭЛВ.

I к

•iit

P* TVr

Таким образом, в результате проведенных исследований создана методика расчёта ЭОС, являющаяся инструментом для оптимизации ЭОС ЭЛВ. При помощи этой методики проведена модернизация нескольких типов ЭОС, направленная на снижение потерь и уменьшение массо-габаритных показателей приборов. После экспериментального подтверждения расчётных результатов на специально созданном стенде, размеры электродов и другие параметры ЭОС были переданы в конструкторское бюро для разработки конструкторской документации и последующего изготовления на предприятии-изготовителе ФГУП НПО «Контакт» новых приборов. Испытания изготовленных образцов ЭЛВ показали хорошее совпадение характеристик с расчетными.

1. Переводчиков В.И. 1. Электротехника. 1980. № 6. С. 87.

2. Будкер Г.И. Переводчиков В.И. А. с. 367482. БИ. 1973. № 8. MKHHOI 21/10.

3. Нагучев О.Ю. Рекуперация энергии при торможении электронного потока на аноде как средство повышения мощности и эффективности электронных коммутирующих приборов. "Радиотехника и электроника", т.26,в.12,1981г.

4. В. И. Переводчиков, В. Н. Шапенко, П. И. Акимов Электронно-оптические системы высоковольтных коммутирующих электронных приборов. Радиотехника и электроника, 1997. том 42. № 3, с. 361-370

5. Скибитянский Д. Экспериментальное исследование процесса глубокого торможения электронных потоков в коллекторе типа цилиндра Фарадея. "Электронная техника", сер. 1, Электроника СВЧ, вып.7, 1970 г.

6. Логинов Л.В. Шапенко В.Н. Скибитянский Д. Яковлев А.Н. Рачицкий Д.ГЭлектронно-лучевой вентиль на ток 1 А и напряжение 200 кВ. "Электротехника",N 4,1983г.

7. Акимов П.И. Переводчиков В.И. // Задачи физической электроники. М.: Наука, 1982. С. 144.

8. Акимов П.И., Верстакова Е.А., Данилов В.А. Цхай А.Б. II Импульсные электромеханические в полупроводниковые преобразователи энергии. Куйбышев, 1978. С. 135.

9. Акимов П.И. Разработка электронно-оптических систем электронно-лучевых вентелей. Дис. канд. техн. наук. М.: ВЭИ, 1974.

10. Чернов З.С. Бернашевский Г. А. II Задачи физической электроники. М.: Наука, 1982. С. 175.

11. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Стальков П.М. Предельный ток в электронно-оптических системах коммутирующих ламп с торможением электроного пучка на аноде.

12. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н. Ц Задачи физической электроники. М.: Наука, 1982. С. 218.

13. Переводчиков В.И., Нагучев О.Ю. Ц РЭ. 1983. Т. 28. №б. С.1198.

14. Переводчиков В.И.Логинов Л.В., Шапенко В.Н. и др. II Электротехника. 1983. № 4.

15. Куклинский Б.Д. Нагучев 0. Ю. Шапенко В. Н. Яковлев А.Н. Электронно-лучевой вентиль на то 50 А и напряжение 160 кВ Электротехника", М., N 9,1987г

16. Промышленное применение электронных пучков под общей редакцией В.И. Переводчикова Сб.научных трудов. Изд. Минэлектротехпрома, ПМБВЭИ, 1986г.

17. Richard В. True, Fellow, IEEE, Robert J. Hansen, and Gwen R. Good The Hobetron—A High Power Vacuum Electronic Switch, Ieee transactions on electron devices, VOL. 48. NO. I. JAN. 2001

18. В.И. Переводчиков, О.Ю. Нагучев. " Рекуперация энергии при торможении электронного потока на аноде как средство повышения мощности и эффективности электронных коммутирующих приборов". "Радиотехника и электроника" №12 1981.

19. З.С. Чернов "Система с центробежно электростатической фокусировкой пучка".

20. В.И.Переводчиков, В.Н.Шапенко, П.И.Акимов "Электронно-оптические системы высоковольтных коммутирующих электронных приборов". "Радиотехника и электроника" 1997 том, 42 №3.