автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование путей создания мощных усилительных и генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде

На правах рукописи

Трухачев Иван Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ И ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП С ПОВЫШЕННЫМ КПД ЗА СЧЕТ ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ НА АНОДЕ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ДЕК 2009

Москва ~ 2009

003488342

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

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Переводчиков Владимир Иннокентьевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Горбатов Дмитрий Николаевич

Кандидат технических наук, с.н.с. Жуков Сергей Александрович

Ведущая организация:

ЗАО "С.Е.Д. - СПб" (ОАО "Светлана")

Защита состоится 28 декабря 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д217.039.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» Государственном научном центре Российской Федерации по адресу: 111250, Москва Красноказарменная ул., д.12, e-mail: surma@vei.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» Государственного научного центра Российской Федерации.

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

A.M. Сурма

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В настоящее время актуальным является вопрос разработки мощных генераторных ламп для определенных областей применения. К одной из таких областей относится разработка устройств электромагнитного воздействия на электронные схемы управления. Данное применение требует реализации импульсной мощности мегаваттного уровня при работе в диапазоне дециметровых волн. Другой такой областью применения является использование мощных генераторных ламп в системах дальней локации и радиосвязных передающих устройствах, работающих в диапазоне частот 10-100 МГц при уровне постоянной выходной колебательной мощности десятки киловатт. Традиционный подход в создании сеточных генераторных ламп имеет определенные пределы, что не всегда обеспечивает необходимые параметры. В этом случае используется параллельное включение двух и более приборов. Основными параметрами, которые желательно увеличить, чтобы исключить параллельную работу ламп, являются мощность и электронный КПД. В связи с этим целесообразно обратиться к опыту разработки мощных ключевых ламп с высоким электронным КПД - электронно-лучевым вентилям (ЭЛВ). Успехи в разработке ЭЛВ уже позволяют ставить вопрос о применении подобных ламп в преобразователях для силовой электроники и энергетики, где КПД и мощность играют решающую роль. Высокий электронный КПД ЭЛВ достигается за счет торможения электронного пучка на аноде, при этом данный тип приборов характеризуется большой мощностью рассеяния на электродах и высоким значением коэффициента статического усиления при пснтодном характере анодной вольт-амперной характеристики. Малое падение напряжение на аноде и возможность понижать его в 3-4 раза по сравнению с потенциалом на управляющей сетке позволяют надеяться на возможность получения высокого значения КПД и большой мощности в режиме генерации. Этим обусловлена актуальность избранной тематики.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование путей создания мощных усилительных и генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде. Данная цель включает в себя два направления:

1) исследование путей создания высокочастотной импульсной генераторной лампы большой мощности для работы в режиме автогенерации на параметры: выходная импульсная мощность до 5-10 МВт, рабочая частота 400500 МГц.

2) исследование путей создания мощной генераторной лампы непрерывного действия для работы в режиме усиления мощности на параметры: выходная мощность до 40 кВт, диапазон рабочих частот 10-100 МГц.

Задачей диссертационной работы является разработка технических предложений по конструкции генераторных ламп с повышенным КПД на

указанные выше параметры и передача их на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для реализации экспериментальных образцов.

Методика исследования и достоверность результатов.

В рамках данной работы при исследовании структуры высокочастотных полей и электронно-оптических систем приборов широко использовались программные среды Agilent HP HFSS v5.6 и "ЭРА". Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде статических испытаний НИЦ СЭ, а также на вновь созданных в рамках данной работы стенде импульсных испытаний и физической модели генераторного модуля УВЧ колебаний. Достоверность представленных в работе результатов подтверждается совпадением данных, полученных в результате компьютерного моделирования и экспериментального исследования макетных образцов генераторных ламп.

Научные результаты работы:

1. Проведен подробный аналитический обзор существующих генераторных ламп отечественного и зарубежного производства.

2. Проведено экспериментальное исследование электронно-лучевых вентилей существующих типов (ЭЛВ 2/200, ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100) в непрерывном и импульсном режимах на вновь созданном стенде статических и импульсных испытаний. Показана возможность реализации импульсной мощности мегаваттного уровня и средней мощности десятки-сотни киловатт в приборах с торможением электронов на аноде.

3. В ходе исследований показано, что использование принципа торможения электронов на аноде в режимах автогенерации и усиления мощности позволяет увеличить по сравнению с применяемыми в настоящее время лампами амплитуду колебаний при одном и том же напряжении источника питания в цепи анода Еа, либо позволяет снизить величину Еа при одинаковой амплитуде колебаний. Оба этих фактора способствуют увеличению электронного КПД прибора.

4. Предложено два пути создания мощных генераторных ламп. Первый -для работы в режиме усиления мощности с вводом в конструкцию лампы дополнительной управляющей сетки. Данное конструктивное решение снижает в 2-3 раза первеанс по управляющему электроду, что, при прочих равных условиях, способствует уменьшению выходной мощности, но значительно увеличивает крутизну (и как следствие - коэффициент усиления), способствует управлению прибором низким уровнем напряжений, позволяет работать в области отрицательных сеточных напряжений, т.е. без искажений входного сигнала (в случае режима усиления) и без потерь в цепи управления. Второй путь - создание мощных генераторных ламп для работы в автогенераторном режиме с выходной импульсной мощностью мегаваттного уровня. В этом случае использование дополнительной управляющей сетки, уменьшающей первеанс, является нецелесообразным, так как главным критерием в этом случае является максимальная выходная мощность.

5. Проведено исследование путей создания мощной генераторной лампы на параметры: импульсная мощность до 5-10 МВт, рабочая частота 400-500 МГц. Разработан и исследован макет 18-лучевой генераторной лампы, на примере которого показана возможность реализации импульсной мощности мегаваттного уровня, при этом результаты расчета и анализа времяпролетных явлений показывают способность работы данного прибора в заданном диапазоне дециметровых волн. Проведено исследование структуры высокочастотных полей в генераторной лампе посредством компьютерного моделирования. Установлено, что основным условием возбуждения колебаний на заданной частоте является пространственное совпадение максимума высокочастотного поля с местоположением ленточных катодов многолучевой системы. Также целесообразным является отказ от использования в конструкции лампы защитного электрода, ухудшающего связь между контурами, при этом для обеспечения глубокого торможения заменить его можно за счет использования камерного анода.

6. Исследованы пути создания мощной электронно-лучевой генераторной лампы непрерывного действия для работы в режиме усиления мощности в диапазоне частот 10-100 МГц. Проведено экспериментальное исследование разработанного макета 8-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом, выполнен расчет генераторных режимов лампы с многолучевой электронно-оптической системой с торможением электронов на аноде и управляющей сеткой. Результаты исследований показывают, что данное конструктивное решение позволяет сочетать в себе преимущества электронно-лучевых приборов с торможением электронов на аноде (большая выходная мощность и высокий электронный КПД) и ламп с сеточным управлением (высокое значение крутизны анодно-сеточной характеристики, управление малыми амплитудами сеточных напряжений, возможность работы в области отрицательных сеточных напряжений). По результатам данных исследований получен патент на изобретение.

Практические результаты работы:

1. Разработан и создан стенд импульсных испытаний для исследования электровакуумных приборов в импульсном режиме.

2. Разработан и изготовлен макет высокочастотной электронно-лучевой генераторной лампы большой импульсной мощности на параметры: ток до 500 А, коммутируемое напряжение 40 кВ, выходная импульсная мощность до 5-10 МВт. Создана физическая модель мощного генераторного модуля УВЧ колебаний на основе электронно-лучевой генераторной лампы в сочетании с объемными резонаторами.

3. Разработаны технические предложения по конструктивной компоновке импульсной высокочастотной электронно-лучевой генераторной лампы большой мощности и техническое задание на разработку и изготовление экспериментальных образцов, переданные на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для их реализации.

4. Разработан и изготовлен макет мощной электронно-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом на

параметры: ток до 30 А, коммутируемое напряжение 40 кВ, диапазон рабочих частот 10-100 МГц.

5. Разработаны технические предложения по конструктивной компоновке мощной электронно-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом для работы в режиме усиления мощности и техническое задание на разработку и изготовление экспериментальных образцов, переданные на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для их реализации.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основании исследования работы электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ) в усилительном и генераторном режимах показано, что использование принципа торможения электронов на аноде позволяет значительно повысить электронный КПД генераторных ламп (на величину до 10-15 % в зависимости от режима работы).

2. При использовании электронно-лучевых генераторных ламп с торможением электронов на аноде (ЭЛГ) в усилительных каскадах целесообразно введение в их конструкцию дополнительного управляющего электрода, работающего в области отрицательных сеточных напряжений. Для использования ЭЛГ в автогенераторном режиме целесообразно разрабатывать лампу без дополнительного управляющего электрода, так как при введении его в конструкцию первеанс по ускоряющей (экранной) сетке уменьшается в 2-3 раза (как следствие, увеличение потребляемой мощности), при этом она теряет свои экранные свойства в диапазоне дециметровых волн, что в сочетании с усложнением системы питания прибора ведет к снижению КПД генераторного устройства.

3. На основании проведенных теоретических и экспериментальных макетных исследований предложена конструкция и даны технические предложения по созданию электронно-лучевой генераторной лампы на параметры: импульсная мощность 5-10 МВт, рабочая частота 400-500 МГц. Согласно данной конструкции в основе электронно-оптической системы лампы заложен принцип пространственного совпадения максимума высокочастотного поля в катодно-сеточном контуре с местоположением ленточных катодов многолучевой системы в результате искусственной организации холостого хода и короткого замыкания для высокочастотной волны в соответствующих областях.

4. На основании проведенных теоретических и экспериментальных макетных исследований разработаны технические предложения по созданию усилительно-генераторной лампы с сеточным управлением на параметры: колебательная мощность не менее 40 кВт, рабочая частота до 100 МГц, анодный ток 40 А. Разрабатываемая лампа по сравнению с используемыми в настоящее время генераторными лампами ГУ-36Б-1 дает возможность увеличить выходную колебательную мощность (более, чем в 2 раза) и повысить электронный КПД на величину до 10 % в зависимости от режима работы.

Апробация работы

Основные результаты работ были представлены на следующих конференциях:

• Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, МЭИ (ТУ), 2004.

• Седьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, НПО ОРИОН, 2005.

• Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, НПО ОРИОН, 2007.

• IX Симпозиум. Электротехника 2030. Перспективные технологии электроэнергетики. Истра, ФГУП ВЭИ, 2007.

• Девятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, НПО ОРИОН, 2009.

• Конференция "Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики - 2008", Москва, ОАО "НТЦ электроэнергетики", 2008.

Личный вклад соискателя

Участие в создании испытательных стендов, организации и проведении всех описанных в работе экспериментальных исследований, участие в моделирование электронно-лучевых вентилей и генераторов, обработка и систематизация результатов исследований, выполнение всех расчетов, представленных в работе.

Публикации

По основному содержанию и результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 36 источников. Общий объем диссертации составляет 134 страницы, включая 68 рисунков и 20 таблиц.

Основное содержание работы Во введении дано обоснование актуальности проводимых в работе исследований. Приведено описание разработанных в ФГУП ВЭИ электроннолучевых приборов с торможением электронов на аноде - электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ), их параметров, характеристик и особенностей. Показаны перспективы создания на их основе мощных генераторных ламп с высоким электронным КПД.

Глава 1 посвящена подробному аналитическому обзору существующих мощных генераторных ламп отечественного и зарубежного производства с позиции двух исследуемых областей применения - в качестве автогенераторов с выходными параметрами: импульсная мощность до 5-10 МВт, рабочая частота 400-500 МГц, и в качестве усилителей мощности с выходными

7

параметрами: колебательная мощность в непрерывном режиме до 40 кВт, диапазон рабочих частот 10-100 МГц. В ходе обзора показано, что в настоящее время традиционные генераторные лампы с сеточным управлением импульсной мощностью свыше 1 МВт имеют предельную рабочую частоту до 250 МГц. Из СВЧ приборов параметрам заданного режима автогенерации соответствует клистрон ТП 2118, однако достаточно серьезные массогабаритные показатели и низкий КПД (с учетом всех цепей питания) данного прибора не позволяют использовать его для данного конкретного применения, предполагающего установку и использование генераторного устройства на мобильных носителях. Что касается рассматриваемого режима усиления мощности, то существующие генераторные лампы имеют предельные ограничения по выходной мощности и электронному КПД. В результате аналитического обзора сделан вывод об актуальности проведения разработок многолучевых генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде для рассматриваемых областей применения на основе электронно-лучевых вентилей.

Глава 2 посвящена исследованию импульсных характеристик многолучевых ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100, которые изначально разрабатывались как ключевые лампы и их работа в импульсном и динамическом режимах ранее не исследовалась. В рамках данных исследований разработан и создан стенд импульсных испытаний, описаны его схема и принцип работы. На вновь созданном стенде проведены испытания многолучевых ЭЛВ в импульсном режиме. В результате проведенных исследований показана возможность реализации в единичном приборе импульсной мощности мегаваттного уровня при токе до 500 А.

Глава 3 посвящена исследованию существующих типов ЭЛВ (ЭЛВ 2/200, ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100) с позиции возможности их работы в усилительном и генераторном режимах (ранее данные приборы исследовались только исходя из своих применений в ключевом режиме). Для достижения данной цели были подготовлены и проведены подробные экспериментальные исследования трех типов ЭЛВ в непрерывном режиме на описанном в работе стенде статических испытаний. На основании полученных характеристик определены основные параметры приборов, позволяющие определять эффективность их использования в усилительных и генераторных режимах (такие как крутизна Я, внутреннее сопротивление коэффициент усиления ¿и и др.). Из литературы известно, что максимальная мощность Ртах, которую можно получить в нагрузке при заданной амплитуде сеточного напряжения ист определяется выражением:

(1)

На рис. 1 приведена данная зависимость для трех существующих типов ЭЛВ. Как видно из рисунка, электронно-лучевые вентили с многолучевой конструкцией (ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100) могут реализовывать в непрерывном режиме колебательную мощность десятки-сотни кВт, тогда как при аксиально-симметричной конструкции (ЭЛВ 2/200) из-за более низкого первеанса прибора колебательная мощность составляет не более единиц кВт.

Ршах. кВт

500-

450 400 350 300 250 200 150 100 50

0— - ----- ---- - ------- - МД1 '

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1300 2000

Рис. 1 Зависимости максимальной мощности в нагрузке от амплитуды сеточного напряжения для ЭЛВ 2/200, ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100.

Также в рамках данной Главы проведено качественное и количественное сравнение ЭЛВ и существующих генераторных ламп с точки зрения эффективности их использования в режимах автогенерации и усиления мощности. В результате проведения серии технических расчетов электронных режимов для ЭЛВ 4/40, наиболее близкого к нему по параметрам и конструкции генераторного триода ГК-9А и лампы ГУ-36Б-1, находящей в настоящее время широкое применение в системах дальней локации, установлено, что электронный КПД ЭЛВ 4/40 выше, чем у ламп ГУ-36Б-1 и ГК-9А на величину до 15 % в зависимости от режима работы, причем данная разница увеличивается при уменьшении величины напряжения источника питания в цепи анода. Однако недостатками ЭЛВ с точки зрения работы в режиме усиления мощности являются высокий уровень управляющего напряжения (вследствие малого значения крутизны) и невозможность работы прибора в области отрицательных сеточных напряжений, что усложняет их использование в данном режиме без соответствующих конструктивных изменений.

В рамках качественного сравнительного анализа ЭЛВ и традиционных усилительно-генераторных ламп с позиции их работы в режимах автогенерации и усиления мощности показаны преимущества первых в электронном КПД, выходной мощности и коэффициенте усиления за счет возможности их работы в области глубокого торможения электронов на аноде и особенностей конструкции электронно-оптической системы.

В данной Главе проведен анализ результатов исследований ЭЛВ применительно к двум направлениям разработок мощных генераторных ламп -автогенератора большой импульсной мощности мегаваттного уровня и усилителя мощности непрерывного действия. С этих позиций предложено два пути создания мощных генераторных ламп. При использовании электроннолучевых вентилей в заданном режиме усиления мощности определяющими становятся озвученные выше недостатки ЭЛВ. В работе рассматривается вопрос об устранении данных недостатков за счет введения дополнительного управляющего электрода. При этом показано, что в случае заданного режима

9

-Н-ЭЛВ 50,100 !

---! ЭЛВ 4 J9

-f - - ЭЛВ 2.-20» i

......-.....f -f........!— .........!-•

f^r^ -- "Г

автогеперации введение дополнительной управляющей сетки, уменьшающей первеанс, является нецелесообразным, так как главным критерием в этом случае является максимальная выходная мощность. В Главе приведены подробные обоснования данных конструктивных решений и рассмотрены вопросы, направленные на повышение эффективности использования ЭЛВ в усилительном и генераторном режимах.

Глава 4 посвящена исследованию путей создания высокочастотной импульсной генераторной лампы большой мощности с высоковольтным управляющим электродом на параметры: выходная импульсная мощность до 510 МВт, рабочая частота 400-500 МГц, ток до 500 А, коммутируемое напряжение 40 кВ. В Главе приведены параметры данного генераторного режима и выдвигаемые на их основании технические требования к разрабатываемой лампе, рассмотрены вопросы, связанные с особенностями использования электровакуумных приборов в СВЧ диапазоне и основными факторами, ухудшающими работу ламп на сверхвысоких частотах. В Главе 2 уже была показана возможность создания на основе ЭЛВ 50/100 генераторной лампы на импульсную мощность мегаваттного уровня. Проведенные в рамках данной Главы расчеты углов пролета промежутков катод-сетка и сетка-анод для ЭЛВ 50/100 показали, что при использовании прибора на максимально заданной частоте 500 МГц пролётные явления не оказывают существенное влияние на эффективную работу лампы. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности создания генераторной лампы для использования в заданном режиме автогенерации на основе ЭЛВ 50/100.

На основании проведенных исследований и рассуждений был разработан и изготовлен на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) макетный образец генераторной лампы на заданные параметры с уменьшенными массогабаритными показателями, обусловленными требованиями ее использования на мобильных носителях. Уменьшение массогабаритных показателей лампы достигается за счет сокращения межэлектродных промежутков и использования высоковольтного изолятора с меньшими массогабаритными показателями, а также за счет перехода от водяной системы охлаждения к воздушной с использованием радиатора на аноде. В работе приведено подробное обоснование данных конструктивных решений. При этом в конструкции лампы используются дисковые вводы, позволяющие присоединить к прибору объемные резонаторы и исключающие влияние индуктивностей вводов на предельную рабочую частоту прибора. Также для заданного режима автогенерации совместно со специалистами Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) разработаны и изготовлены катодно-сеточный и анодно-сеточный колебательные контура на заданную частоту 500 МГц. В работе приведены и подробно описаны конструкции лампы и колебательной системы. На основании экспериментальных исследований ЭЛГ 500/40 в непрерывном режиме определен первеанс прибора Р = 412,5 мкА/В3'2. Данный факт с учетом экспериментально определенной электрической прочностью промежутка катод-сетка до 18 кВ свидетельствует о возможности реализации прибором тока 500 А с достаточным запасом. Экспериментальным и расчетным путем проведено исследование тепловых

режимов макета ЭЛГ 500/40, показавшее возможность реализации прибором тепловых нагрузок при заданном импульсном режиме.

В рамках данных исследований разработана физическая модель генераторного модуля УВЧ колебаний на основе ЭЛГ 500/40. В настоящей Главе приводится подробное описание схемы стенда генераторного модуля и принципа его работы. На вновь созданном стенде проведено более подробное исследование электрических характеристик ЭЛГ 500/40 в импульсном режиме без использования колебательной системы и нагрузки в анодной цепи. Результаты испытаний подтвердили высокое значение первеанса (более 400 мкА/В3'2) при уровне токоотбора в импульсном режиме сотни ампер, при этом оптимальная величина тока накала составила 70-72 А, что соответствует мощности накала порядка 800 Вт. Также предварительно с помощью анализатора цепей фирмы Agiiient типа 8719ЕТ были проведены исследования резонансных характеристик колебательных контуров генератора. Исследования показали, что наибольшая амплитуда колебаний в системе соответствеут частоте 498,9 МГц. Полученные результаты дали основание перейти к "горячим" испытаниям лампы в составе генераторного модуля. Данные экспериментальные исследования проводилось с помощью высокочастотного осциллографа фирмы Tektronix типа TDS 3054 В, позволяющего исследовать сигналы частотой до 1 ГГц. На рис. 2 представлены осциллограммы высокочастотного импульса автогенератора и межэлектродных напряжений катод-сетка и анод-сетка.

Рис. 2 Осциллограммы высокочастотного импульса автогенератора (а) и межэлектродных напряжений (б) катод-сетка (сверху) и анод-сетка.

Как видно из рисунка максимум сеточного напряжения соответствует минимуму напряжения на аноде, что является оптимальным с точки зрения эффективности взаимодействия электронов с высокочастотным полем, однако при этом возникла устойчивая генерация на частоте 87 МГц вместо ожидаемой частоты порядка 400-500 МГц. Введение дополнительной перестраиваемой внешней обратной связи и перестройка катодно-сеточного резонатора (с целью попытки изменения условий самовозбуждения) на частоту генерации не повлияли.

В рамках выявления причин возникновения генерации на более низкой, нежели ожидаемой частоте и поиска путей по оптимизации ЭЛГ и

h Л ; Л А 'А ñ л л

\ !\4-ïirfj vh\ 1 гИ Ч V1 V V у V V У V

а)

б)

колебательной системы с целью повышения частоты генерации проведено дополнительное исследование АЧХ колебательных контуров в более широком диапазоне, показавшее наличие на характеристике пика, соответствующего частоте 90 МГц. Попытка перестройки данной резонансной частоты анодно-сеточного контура за счет изменения его объема привела к ее увеличению до 133 МГц (дальнейшее увеличение частоты невозможно из конструктивных соображений).

Расчетно-графическим путем проведены исследования влияния укорачивающей емкости, имеющей место в конструкции ЭЛГ 500/40 в связи с соосным расположением цилиндрических электродов, и изменения резонансной частоты контуров за счет уменьшения объема резонаторов. Данные исследования показали, что укорачивающая емкость уменьшает резонансную частоту на 15-30 МГц и, таким образом, не оказывает решающего влияния на значительно более низкую по сравнению с ожидаемой рабочую частоту генератора. При этом уменьшение объема (длины) анодно-сеточного резонатора изменяет резонансную частоту на десятки мегагерц.

Для ЭЛГ 500/40 проведен подробный анализ пролетных явлений посредством расчета времен и углов пролета, а также построения пространственно-временных диаграмм для различных режимов работы. Данный анализ показывает, что при рассматриваемом режиме автоколебаний пролетные явления не должны влиять на эффективность генерации, при этом коэффициент взаимодействия электронного потока с электрическим полем зазора стремится к единице.

В рамках исследования колебательной системы генераторного модуля в программной среде Agilent HP HFSS v5.6 было проведено моделирование структуры высокочастотных полей в лампе ЭЛГ 500/40. На рисунке 3 приведены результаты моделирования АЧХ колебательных контуров ЭЛГ 500/40, из которых видно, что в анодно-сеточном контуре присутствуют резонансные частоты 84 и 434 МГц. Там же приведены распределения высокочастотных полей для этих частот в области расположения многолучевого катода.

Чжгтота, МГц

Рис. 3 Результаты моделирования ЭЛГ 500/40

В результате проведенного моделирования установлено, что наиболее благоприятной для возникновения генерации является частота 84 МГц, так как в этом случае катоды по всей своей длине находятся в области максимума СВЧ поля, тогда как при частоте 434 МГц высокочастотное поле в области катода переходит с максимума на минимум (катод работает не полностью). Также в ходе моделирования выявлено, что целесообразным является отказ от использования в конструкции лампы защитного электрода, увеличивающего длину волны (за счет его огибания последней) и ухудшающего связь между контурами. Для обеспечения глубокого торможения электронов на аноде заменить данный электрод, участвующий в формировании электронного пучка, можно за счет использования камерного анода, при этом из-за низкой проницаемости сетки конструктивные изменения в промежутке сетка-анод не оказывают существенного влияния на первеанс прибора, что сохраняет возможности прибора по токоотбору.

На основании проведенных исследований были разработаны технические предложения по созданию модернизированной конструкции генераторной лампы ЭЛГ 500/40, в основу которой заложен принцип пространственного совпадения многолучевого катода с максимумом высокочастотного поля при искусственной организации холостого хода и короткого замыкания для высокочастотной волны в соответствующих областях. Другими отличиями нового варианта лампы являются конструктивное удаление укорачивающих емкостей, отказ от защитного электрода и использования, в связи с этим, камерного анода. Принцип построения модернизированной конструкции ЭЛГ 500/40 показан на рис. 4.

Рассмотрим сначала катодно-сеточный контур. В поперечной плоскости, проходящей через точку 1, конец катодно-сеточного резонатора открыт, что соответствует режиму холостого хода (при этом здесь будет максимум электрического поля). Для устранения излучения энергии из открытого конца наружную трубку резонатора необходимо сделать длиннее внутреннего стержня, тем самым, образуя запредельный волновод. Таким образом, плоскость через точку 2 на расстоянии I = Ярез/4 от плоскости I соответствует минимуму электрического поля (режим короткого замыкания). Уменьшение размера / достигается за счет использования диэлектрика с диэлектрической проницаемостью е. Данное решение позволяет- уменьшить величину / в раз. Аналогичная ситуация и на другом конце контура - холостой ход в плоскости через точку 4 трансформируется в короткое замыкание в плоскости через точку 3 (при использование того же диэлектрика для уменьшения данного расстояния). В анодно-сеточном контуре в плоскости через точку 5 создается короткое замыкание, при этом "закоротка" для СВЧ поля и развязка для электрического поля между анодом и сеткой осуществляется с помошью блокировочного конденсатора. С другой стороны анодно-сеточного контура в плоскости через точку 6 организуется частичное короткое замыкание, причем кольцевой зазор в этой плоскости обуславливается пробивным напряжением между сеткой и анодом. Также через данный зазор предполагается осуществлять вывод СВЧ энергии. Таким образом, в данной конструкции катод находится в максимуме СВЧ поля. На рис. 5 приведен эскиз новой конструкции ЭЛГ 500/40 с указанием соответствующих точек.

Рис. 5 Эскиз конструкции модернизированного варианта ЭЛГ 500/40

После проверки и оптимизации электронно-оптической системы модернизированного ЭЛГ 500/40 было проведено моделирование данного прибора с позиции исследования частотных характеристик и распределения высокочастотных полей.

На рис. 6 приведены АЧХ катодно-сеточного и анодно-сеточного контуров, а также распределения высокочастотных полей для двух резонансных частот: ! 86 и 400 МГц.

АЧХ

186 МГц

5„. Катодно-сеточный контур

I

400 МГц ВЧ ноле

1 ] [ I | I

■А

-10.0-

Анодно-сеточный ,5.4- контур

1 -¡—4—+-*—I-г-*" Г -■ I

О 10« МО МО 41!« 50« 6Ш1 Ч.н ■ <м -I- МГ ц

Рис. 6 Результаты моделирования модернизированного ЭЛГ 500/40

Как видно из рисунка, основной и оптимальной для возникновения генерации является частота 400 МГц, при этом катод находится в области максимума высокочастотного поля. На основании полученных результатов было составлено техническое задание на разработку и изготовление экспериментальных образцов модернизированного варианта ЭЛГ 500/40, переданное на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для их реализации.

Глава 5 посвящена исследованию путей создания мощной генераторной лампы непрерывного действия для работы в режиме усиления мощности на параметры: выходная мощность до 40 кВт, диапазон рабочих частот 10-100 МГц. В данной Главе приведено подробное описание параметров и характеристик данного режима усиления мощности и выдвигаемых с этих позиций технических требований к генераторной лампе. На основании приведенных технических требований и представленных в Главе 3 результатов исследований ЭЛВ сделан вывод о том, что для реализации заданного режима усиления мощности необходимо введение в конструкцию ЭЛВ дополнительной управляющей сетки, в роли которой предлагается использовать прикатодный (формирующий) электрод при его электрической развязке с катодом.

Моделирование в пакете прикладных программ "ЭРА" электронно-оптической системы (ЭОС) ЭЛВ с прикатодным электродом в роли

управляющей сетки (в качестве предмета рассмотрения была выбрана восьмикатодная ЭОС ЭЛВ 4/40) показало значительное увеличение по модулю напряжения запирания (более чем в два раза). Для уменьшения данной величины было предложено добавить в конструкцию управляющей сетки поперечные витки. Однако данное конструкторское решение, с одной стороны, снижает по модулю напряжение запирания, а с другой - снижает первеанс системы по ускоряющему электроду. В ходе моделирования был выбран оптимальный вариант шага поперечной сетки, соответствующий наилучшему соотношению напряжение запирания/первеанс.

На основании проведенных исследований была разработана конструкция и изготовлен на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) макетный образец восьмилучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом. В работе приведено подробное описание конструкции данного прибора, получившего название ЭЛГ 30/40.

В рамках экспериментального исследования макета ЭЛГ 30/40 были сняты эмиссионная характеристика (мощность накала составила 300 Вт), а также семейство вольт-амперных характеристик. Результаты испытаний показали, что средняя крутизна анодно-сеточной характеристики ЭЛГ 30/40 достигает величины 53 мА/В (данная величина у ЭЛВ 4/40 составляет 5 мА/В), при этом обращает на себя внимание более низкий (примерно в 2 раза) у ЭЛГ, по сравнению с ЭЛВ, первеанс по ускоряющему электроду (второй сетке), что способствует меньшей величине граничной крутизны (8 мА/В против 19 мА/В у ЭЛВ 4/40).

Для количественной оценки проведен технический расчет генераторного режима для ЭЛВ 4/40, ЭЛГ 30/40 и ГУ-36Б-1, находящей широкое применение в рассматриваемых радиотехнических устройствах, на заданные согласно техническим требованиям параметры. Полученные результаты показывают, что в случае ЭЛГ 30/40 и ГУ-36Б-1 для реализации заданного режима требуются амплитуды управляющего сигнала порядка сотен вольт (против единиц киловольт в случае с ЭЛВ 4/40), при этом ЭЛГ может работать в области отрицательных сеточных напряжений (т.е. без потерь в цепи управления). Однако по сравнению с тем же ЭЛВ 4/40 ввод управляющего электрода в конструкцию ЭЛГ снижает первеанс и, как следствие, значение граничной крутизны, что приводит к снижению электронного КПД. В работе рассмотрены возможные пути повышения первеанса: увеличение эмитирующей поверхности, увеличение удельной эмиссии катода (переход на импрешированные катоды), переработка электронной оптики, прежде всего, за счет использования вместо прежних более тонких (трехмиллиметровых) плоских катодов.

В рамках данной работы проведен расчетный анализ оптимизированной электронно-оптической системы (ЭОС) электронно-лучевой генераторной лампы с управляющей сеткой и плоскими катодами с позиции использования ее в режиме усиления мощности. Предварительно, на основании анодно-сеточных характеристик восьми и восемнадцати лучевой ЭОС (в дальнейшем будем называть их ЭЛГ-8 и ЭЛГ-18 соответственно) были определены основные параметры для двух данных типов приборов, приведенные в таблице 1 (там же

для сравнения приведены соответствующие параметры для ГУ-36Б-1), где Р„ -мощность накала, Б - средняя крутизна, Я, - внутреннее сопротивление, ц -коэффициент усиления, Б - проницаемость управляющей сетки, - граничная крутизна.

Таблица 1

Параметры ламп ЭЛГ-8, ЭЛГ-18 и ГУ-36Б-1 _

Рн,Вт S, мА/В Ri, Ом И D Srp, мА/В

ЭЛГ-8 832 40 7519 300,8 0,0033 21

ЭЛГ-18 1872 68 7519 511,3 0,002 37

ГУ-36Б-1 996 83 2000 166 0,006 12

На основании полученных результатов с позиции рассматриваемого режима усиления мощности была проведена серия подробных расчетов электронных режимов ЭЛГ-8 и ЭЛГ-18. Первая часть исследований посвящена расчетам при различных комбинациях заданных техническими требованиями исходных параметров (колебательной мощности, максимального анодного тока, напряжении источника анодного питания, угле отсечки, сопротивлении анодного контура). Результаты расчета показали, что средний для всех рассматриваемых режимов электронный КПД приборов составил более 70 %, при этом данная ЭОС с дополнительным управляющим электродом вполне соответствует требованиям заданного режима усиления мощности. На основании результатов расчета сформулированы требования к разрабатываемым лампам по току, питающим напряжениям, мощностям рассеивания на электродах, определяющие конструкцию прибора.

Вторая часть исследований посвящена сравнительному расчету ЭЛГ-8, ЭЛГ-18 и генераторной лампой ГУ-36Б-1, которая находит в настоящее время широкое применение в области дальней локации. Сравнительный расчет электронного режима для ЭЛГ-8 и ГУ-36Б-1 на максимальный ток 1,шкс 20 А при заданных сопротивлении контура Ra = 250 Ом и угле отсечки 90° (данные параметры характеризуют один из рассматриваемых режимов усиления мощности) показывает, что электронный КПД и полный КПД прибора с учетом всех подводимых к лампе мощностей у ЭЛГ выше на величину 5 %, при этом работа в данном режиме для ГУ-36Б-1 характеризуется необходимостью реализации мощностей рассеивания на аноде и второй сетке 16,4 кВт и 360 Вт соответственно, тогда как согласно паспортным данным на лампу данные величины составляют 15 кВт и 300 Вт (для сравнения мощность рассеяния на аноде для ЭЛГ-8 составила 11,3 кВт). Также, для реализации данного режима в случае ЭЛГ требуется меньший потенциал источника питания в цепи анода (3,5 кВ вместо 4,2 у ГУ). Наибольший интерес представляет собой расчет электронного режима для ЭЛГ-18 и ГУ-36Б-1 на максимальный ток 1аиис 40 А при тех же значениях Ra и угла отсечки (в настоящее время данный режим усиления мощности наиболее востребован). При этом для реализации заданного тока, в настоящее время, на практике используется параллельное включение двух ГУ-36Б-1, при этом суммарная крутизна составляет S = 2-S], внутреннее сопротивление Rj = Rn/2, а коэффициент усиления ц = (индекс 1

соответствует параметрам одной лампы). Результаты расчета показали, что при заданном режиме работы ЭЛГ-18 имеет более высокие (на величину 5 %) электронный КПД и полный КПД прибора с учетом всех подводимых к лампе мощностей по сравнению с использованием двух параллельно включенных ламп ГУ-36Б-1 (при выходной колебательной мощности 54 кВт), причём использование одного npH6ojpa вместо двух повышает надежность всего устройства.

На основании полученных в рамках данного исследования результатов сформулированы требования к разрабатываемому прибору. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что генераторная лампа на основе разработанной электронно-оптической системы с управляющей сеггкой при использовании 18 лучей полностью соответствует техническим требованиям, выдвигаемым с позиции рассматриваемого режима усиления мощности. На основании проведенных исследований получен патент на изобретение и составлено техническое задание на разработку и изготовление электронно-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом, переданное на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для реализации экспериментальных образцов.

Основные результаты и выводы:

1. Проведен подробный аналитический обзор существующих мощных генераторных ламп отечественного и зарубежного производства импульсного и непрерывного действия, работающих в диапазоне от коротких до дециметровых волн. Отмечена существующая потребность в увеличении выходной мощности и электронного КПД генераторных ламп при работе в режимах автогенерации и усиления мощности, в связи с чем целесообразно обратиться к опыту разработки мощных ключевых ламп - электронно-лучевых вентилей, в которых высокие значения электронного КПД и мощности достигаются за счет торможения электронного пучка на аноде.

2. Разработан и создан стенд импульсных испытаний. Проведено экспериментальное исследование многолучевых ЭЛВ (ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100) в импульсном режиме. Показана возможность реализации в единичном приборе импульсной мощности мегаваттного уровня при токе до 500 А.

3. Проведено теоретическое и экспериментальное исследования существующих типов ЭЛВ (2/200, 4/40 и 50/100) с позиции работы их в усилительном и генераторном режимах. В ходе исследований показано, что применение принципа торможения электронов на аноде в данных режимах позволяет увеличить по сравнению с традиционными лампами амплитуду колебаний при одном и том же напряжении источника питания в цепи анода Еа, либо позволяет снизить величину Еа при одинаковой амплитуде колебаний. Оба этих фактора способствуют увеличению электронного КПД прибора.

4. На основании проведенных исследований предложено два пути создания мощных генераторных ламп. Первый - для работы в режиме усиления мощности с вводом в конструкцию лампы дополнительной управляющей сетки. Данное конструктивное решение снижает первеанс по управляющему электроду, однако значительно увеличивает крутизну (и как следствие —

коэффициент усиления), способствует управлению прибором низким уровнем напряжений, позволяет работать в области отрицательных сеточных напряжений, т.е. без искажений входного сигнала (в случае режима усиления) и без потерь в цепи управления. Второй путь - создание мощных генераторных ламп для работы в автогенераторном режиме с выходной импульсной мощностью мегаваттного уровня. В этом случае использование дополнительной управляющей сетки, уменьшающей первеанс, является нецелесообразным, так как главным критерием в этом случае является максимальная выходная мощность.

5. Проведено исследование путей создания мощной генераторной лампы на параметры: импульсная мощность до 5-10 МВт, рабочая частота 400-500 МГц. Показана возможность создания генераторной лампы для работы в дециметровом диапазоне волн при мегаваттном уровне импульсной мощности на основе электронно-лучевого вентиля. Разработан макет 18-лучевой генераторной лампы ЭЛГ 500/40 (500 А, 40 кВ). Проведено экспериментальное исследование данного прибора в непрерывном и импульсном режимах, показана возможность реализации импульсной мощности мегаваттного уровня при первеансе прибора более 400 мкА/В3/2, при этом результаты расчета и анализа времяпролетных явлений показывают способность работы данной лампы в заданном диапазоне дециметровых волн. Исследованы температурные режимы работы прибора посредством расчета и эксперимента. Приведены результаты исследования резонансных характеристик ЭЛГ 500/40 в сочетании с разработанными и изготовленными объемными резонаторами. Создана физическая модель генераторного модуля УВЧ колебаний. Представлены результаты исследования работы ЭЛГ 500/40 в составе генераторного модуля в динамическом режиме.

6. Проведено исследование структуры высокочастотных полей в генераторной лампе ЭЛГ 500/40 посредством компьютерного моделирования. Установлено, что основным условием возбуждения колебаний на заданной частоте является пространственное совпадение максимума высокочастотного поля с местоположением ленточных катодов многолучевой системы. Также целесообразным является отказ от использования в конструкции лампы защитного электрода, ухудшающего связь между контурами, при этом для обеспечения глубокого торможения заменить его можно за счет использования камерного анода. С данных позиций разработан новый вариант конструкции ЭЛГ 500/40, исследование которого показывает, что основной и наиболее оптимальной для возникновения генерации является частота порядка 400 МГц. при этом катод находится в области максимума высокочастотного поля в результате искусственной организации холостого хода и короткого замыкания для высокочастотной волны в соответствующих областях.

7. Проведено исследование путей создания мощной электронно-лучевой генераторной лампы для работы в режиме усиления мощности на параметры: колебательная мощность 40 кВт, рабочий диапазон частот 10-100 МГц. Представлены результаты моделирования электронно-оптической системы многолучевого прибора с дополнительным управляющим электродом, на основании которых разработан и изготовлен восьмилучевой макетный образец

генераторной лампы ЭЛГ 30/40 (30 А, 40 кВ). Проведено экспериментальное исследование макета ЭЛГ 30/40, показаны пути по улучшению параметров ЭЛГ с управляющей сеткой для работы в режиме усиления мощности. Для оптимизированной электронно-оптической системы электронно-лучевой генераторной лампы с управляющей сеткой проведена подробная серия расчетов электронных режимов на заданные параметры, позволивших сформулировать требования к лампе с позиции использования ее в заданном режиме усиления мощности. Анализ полученных результатов показал, что данный прибор сочетает в себе преимущества электронно-лучевых приборов с торможением электронов на аноде (большая выходная мощность и высокий электронный КПД) и ламп с сеточным управлением (высокое значение крутизны анодно-сеточиой характеристики, управление малыми амплитудами сеточных напряжений, возможность работы в области отрицательных сеточных напряжений), при этом разрабатываемая лампа по сравнению с широко используемой в настоящее время генераторной лампой ГУ-36Б-1 будет иметь более, чем двукратное преимущество по выходной колебательной мощности и более высокий электронный КПД (на величину до 10 % в зависимости от режима работы). По результатам данных исследований получен патент на изобретение.

8. На основании проведенных исследований разработаны технические предложения по конструктивным компоновкам импульсной высокочастотной электронно-лучевой генераторной лампы большой мощности и мощной электронно-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом, составлены технические задания на разработку и изготовление экспериментальных образцов данных типов генераторных ламп, переданные на ОАО "НПП Контакт" (г. Саратов) для их реализации.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Трухачев И.М. Электронно-лучевой вентиль для коммутирующих устройств. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", М., МЭИ (ТУ), 2004.

2. Шапенко В.Н., Стученков В.М., Трухачев И.М. Импульсные характеристики электронно-лучевых вентилей. Седьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2005.

3. Трухачев И.М. Экспериментальные исследования возможности работы электронно-лучевых вентилей в генераторном режиме. Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2007.

4. Шапенко В.Н., Стученков В.М., Трухачев И.М. Импульсные характеристики электронно-лучевых вентилей. Прикладная физика №1, 2007, с. 144-146.

5. Щербаков А.В., Трухачев И.М. Работа электронно-лучевого вентиля в сильноточных устройствах генерирования УВЧ-колебаний. IX Симпозиум.

Электротехника 2030. Перспективные технологии электроэнергетики. Истра, 2007.

6. Переводчиков В.И., Трухачев И.М., Шапенко В.Н., Стальков П.М. Перспективы использования электронных ламп с торможением электронов на аноде в режиме генерирования УВЧ колебаний. Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2007.

7. Трухачев И.М. О возможности использования электронно-лучевых вентилей в генераторном режиме. Сборник научных трудов ВЭИ "Высоковольтная вакуумно-плазменная электроника", Москва, 2008. с. 198-206.

8. Шапенко В.Н., Стученков В.М., Трухачев И.М. Импульсные характеристики электронно-лучевых вентилей. Сборник научных трудов ВЭИ "Высоковольтная вакуумно-плазменная электроника", Москва, 2008. с. 194-197.

9. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Трухачев И.М, Мурашов A.C., Стальков П.М. Патент Российской Федерации RU 2 338 292 С1 на изобретение "Электронно-лучевая лампа" от 10.11.2008.

10. Трухачев И.М., Корунов Н.И. "Высоковольтные компенсирующие приборы для систем энергетики". Конференция "Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики - 2008".

И. Трухачев И.М. Исследование возможности использования электрокно-лучевых приборов с торможением электронного пучка на аноде в режиме усиления мощности. Девятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2009.

12. Щербаков A.B., Трухачев И.М.. Исследование работы электроннолучевого вентиля в автогенераторном режиме. Девятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2009.

13. Щербаков A.B., Сухов А.В, Корунов Н.И., Трухачев И.М. Высоковольтный высокочастотный униполярный коммутатор на основе электронно-лучевого вентиля. Электро№1,2009, с. 34-38.

Подписано в печать:

20.11.2009

Заказ № 3114 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1. Обзор современных генераторных ламп и ключевых приборов с торможением электронов на аноде.

1.1 Электронно-лучевые вентили.

1.2 Обзор мощных генераторных ламп.

1.3 Области применения генераторных ламп, исследуемые в рамках данной работы, выводы из обзора с этих позиций.

Глава 2. Исследование импульсных характеристик электронно-лучевых вентилей.

2.1 Создание стенда импульсных испытаний.

2.2 Исследование ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100 в импульсном режиме.

2.3 Модернизация стенда импульсных испытаний.

Глава 3. Исследование характеристик и особенностей работы ЭЛВ в усилительном и генераторном режимах.

3.1 Исследование характеристик и параметров ЭЛВ с позиции оценки возможности использования их в усилительном и генераторном режимах.

3.1.1 Стенд статических испытаний.

3.1.2 Исследование характеристик и параметров ЭЛВ 4/40.

3.1.3 Исследование характеристик и параметров ЭЛВ 50/100.

3.1.4 Исследование характеристик электронно-лучевого вентиля

ЭЛВ 2/200.

3.2 Количественная оценка эффективности использования ЭЛВ и существующих генераторных ламп традиционной конструкции в генераторном режиме.

3.3 Сравнительный анализ ЭЛВ и традиционных ламп с позиции их работы в усилительном и генераторном режимах, определение путей создания мощных генераторных ламп с торможением электронов на аноде.

Глава 4. Исследование путей создания высокочастотной импульсной генераторной лампы большой мощности с высоковольтным управляющим электродом.

4.1 Технические требования к разрабатываемой лампе, выбор структуры электронно-оптической системы и конструкции.

4.2 Макет генераторной лампы и его исследование в статическом режиме.

4.2.1 Конструкция макета генераторной лампы ЭЛГ 500/40 и колебательной системы.

4.2.2 Результаты исследования ЭЛГ 500/40 в статическом режиме.

4.2.3 Результаты исследования тепловых режимов макета ЭЛГ 500/40.

4.3 Исследование макета ЭЛГ 500/40 в составе генераторного модуля в динамическом режиме.

4.3.1 Схема генераторного модуля УВЧ колебаний и исследование ЭЛГ 500/40 в импульсном режиме.

4.3.2 Исследование резонансных характеристик колебательных контуров ("холодные испытания").

4.3.3 Исследование генераторного модуля в динамическом режиме, ("горячие" испытания).

4.4 Исследование и анализ резонансных характеристик, пролетных явлений и структуры ВЧ полей колебательной системы ЭЛГ 500/40.

4.4.1 Дополнительное исследование резонансных характеристик колебательной системы ЭЛГ 500/40.

4.4.2 Анализ пролетных явлений в ЭЛГ 500/40.

4.4.3 Анализ структуры ВЧ полей колебательной системы ЭЛГ 500/40.

4.5 Технические предложения по созданию высокочастотной генераторной лампы.

4.5.1 Выбор конструкции ЭЛГ 500/40 с позиции структуры ВЧ полей.

4.5.2 Обоснование конструкции модернизированного варианта

ЭЛГ 500/40.

Глава 5. Пути создания мощной генераторной лампы непрерывного действия для работы в режиме усиления мощности.

5.1 Технические требования к разрабатываемой лампе и определение с этих позиций структуры электронно-оптической системы.

5.2 Конструкция и характеристики макета электронно-лучевой лампы с дополнительной управляющей сеткой.

5.3 Технические предложения по созданию электронно-лучевой генераторной лампы с управляющим электродом.

В настоящее время достаточно актуальным является вопрос разработки мощных генераторных ламп для определенных областей применения. К одной из таких областей относится разработка устройств электромагнитного воздействия на электронные схемы управления. Данное применение требует реализации импульсной мощности мегаваттного уровня при работе в диапазоне дециметровых волн. Другой такой областью применения является использование мощных генераторных ламп в системах дальней локации и радиосвязных передающих устройствах, работающих в диапазоне частот 10-100 МГц при уровне постоянной выходной колебательной мощности десятки киловатт. Традиционный подход в создании сеточных генераторных ламп не в состоянии в должной мере обеспечить необходимые параметры для реализации данных областей применения, при этом в данных случаях используется параллельное включение двух и более приборов. Поэтому необходимо обратиться к опыту разработки мощных ключевых ламп с высоким электронным КПД - электронно-лучевым вентилям (ЭЛВ), успехи в разработке которых уже позволяют ставить вопрос о применении подобных ламп в преобразователях для энергетики, где КПД и мощность играют решающую роль. Остановимся подробнее на рассмотрении особенностей электроннолучевых вентилей.

Развитие техники мощных электронных ламп и принципов формирования интенсивных электронных пучков способствовало созданию мощных высоковольтных коммутирующих электровакуумных приборов -электронно-лучевых вентилей [1]. Данный тип приборов характеризуется высоким КПД (до 99 % в ключевом режиме), что достигается за счет тщательного формирования электронного пучка и последующего его торможения вблизи анода, а также малым временем коммутации (единицы мкс), пентодной вольтамперной (анодной) характеристикой (со слабой зависимостью тока, отбираемого с катода, от анодного напряжения в рабочей области), высоким коммутируемым напряжением в единичном приборе (до 200 кВ). Схема прибора и распределение потенциалов на его электродах в проводящий момент времени схематически изображены на рис. 1.

Рис. 1 Схема прибора с торможением пучка на аноде и распределение потенциалов на его электродах (К - катод, А - анод, УЭ - ускоряющий электрод (сетка)).

Полезная коммутируемая мощность электронной лампы, работающей в ключевом режиме, определяется произведением напряжения источника питания или коммутируемого напряжения на ток коммутации, при этом потери составляет сумма потерь на аноде и ускоряющем электроде (сетке). Таким образом, выражение для КПД прибора г| выглядит следующим образом:

1 У^+У^ .

77 = 1—----= 1 ■ Л

V7и. и.

1) а -V где 1а и 1уз - токи в цепях анода и ускоряющего электрода (сетки), иа и Ц^ -напряжения на аноде и ускоряющем электроде, иком - напряжение коммутации или напряжение между анодом и катодом в непроводящий период.

Как видно из (1), КПД ключевой лампы определяется глубиной торможения электронного потока (Ц/Луз), долей тока (1уэ/1а) на ускоряющий электрод, и отношением напряжений (и^АДком). По физическому смыслу это означает, что для создания прибора с высоким КПД необходимо решать проблему обеспечения максимально глубокого торможения электронного пучка и тщательного формирования интенсивного электронного потока при минимальном уровне напряжения (максимальном первеансе), что и реализуется в ЭЛВ, обеспечивая КПД прибора до 99 %. Современные электронно-лучевые вентили имеют первеанс до 200 мкА/В торможение (1^/1^) до 20 % при токоперехвате (1уэ/1к) не более 5%. Автор данной работы, в свое время, принимал участие в разработке и модернизации ЭЛВ, заключающееся в расчете электронно-оптических систем приборов и их экспериментальном исследовании. Соответствующие результаты нашли свое отражение в [2] и [3].

Благодаря своим озвученным выше преимущественным особенностям, электронно-лучевые вентили и устройства на их основе находят, в настоящее время, широкое применение в силовой электронике и энергетике и широко используются, в частности, для формирования длинных импульсов (1-100мс), в качестве стабилизаторов и регуляторов тока в нагрузке питания мощной радиоэлектронной аппаратуры, в качестве защитных элементов и др.

Высокие электронный КПД ЭЛВ за счет торможения электронного пучка на аноде, первеанс, коммутируемые напряжения и токи, мощности рассеивания на электродах электронно-лучевых вентилей, а также высокое значение коэффициента статического усиления при пентодном характере анодной вольт-амперной характеристики в сочетании с основными преимуществами электровакуумных приборов: высоковольтностью (высокой электрической прочностью в единичном приборе), устойчивостью к воздействию различных видов помех и к последствиям высоковольтных пробоев, большим сроком службы (не менее 10000 часов), высокой достоверностью прогнозируемости отказа и безинерционностью позволяют ставить вопрос о возможности создания на основе данного типа приборов мощных генераторных ламп с высоким КПД для указанных выше применений.

Данная работа посвящена исследованию и разработке путей создания мощных генераторных ламп с высоким электронным КПД за счет торможения электронов на аноде для работы в диапазоне коротких и дециметровых волн.

Заключение

Настоящая работа посвящена исследованию путей создания мощных усилительных и генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде. В ходе исследований в рамках данной работы были получены следующие научно-практические результаты:

1. Проведен подробный аналитический обзор существующих генераторных ламп отечественного и зарубежного производства, в ходе которого показано, что в настоящее время практически не существует генераторных ламп с приемлемыми массогабаритными параметрами, способных работать в режиме автогенерации при мегаваттном уровне импульсной мощности и рабочей частоте 400-500 МГц. При этом существует целый ряд ламп, способных реализовывать заданный режим усиления мощности (мощность до 40 кВт, рабочая частота 10-100 МГц). Однако все они имеют ограниченный КПД, прежде всего, из-за невозможности работы в режиме торможения электронного пучка на аноде.

2. Разработан и создан стенд импульсных испытаний. Проведено экспериментальное исследование импульсных характеристик мощных многолучевых ЭЛВ (ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100), которые изначально разрабатывались как ключевые лампы и их работа в импульсном и динамическом режимах ранее не исследовалась. Показана возможность реализации в единичном приборе импульсной мощности мегаваттного уровня при токе до 500 А.

3. Проведено теоретическое и экспериментальное исследования существующих типов ЭЛВ (2/200, 4/40 и 50/100) с позиции возможности их работы в усилительном и генераторном режимах. На основании полученных результатов определены основные параметры приборов, позволяющие оценить эффективность их использования в заданных режимах. Установлена возможность реализации электронно-лучевыми вентилями в непрерывном режиме колебательной мощность десятки-сотни кВт. В ходе исследований показано, что применение принципа торможения электронов на аноде в данных режимах позволяет увеличить по сравнению с классическими лампами амплитуду колебаний при одном и том же напряжении источника питания в цепи анода Еа, либо позволяет снизить величину Еа при одинаковой амплитуде колебаний. Оба этих фактора способствуют увеличению электронного КПД прибора. Количественным и качественным путем проведен сравнительный анализ ЭЛВ и традиционных ламп, на основании которого показано, что ЭЛВ характеризуются сочетанием высоких значений электронного КПД и выходной мощности за счет торможения электронов на аноде, при этом основными недостатками их с точки зрения работы в режиме усиления мощности являются малая крутизна, невозможность работы в области отрицательных сеточных напряжений, управление прибором достаточно высоким потенциалом. Также установлено, что для реализации наиболее эффективной работы ЭЛВ в режимах генерации и усиления большой мощности необходимо увеличение первеанса и крутизны по управляющей сетке и, как одно из следствий, этого, — уменьшение межэлектродных зазоров приборов.

4. На основании проведенных исследований предложено два пути создания мощных генераторных ламп. Первый - для работы в режиме усиления мощности с вводом в конструкцию лампы дополнительной управляющей сетки. Данное конструктивное решение снижает первеанс по управляющему электроду, что, при прочих равных условиях, способствует уменьшению выходной мощности, но значительно увеличивает крутизну (и как следствие -коэффициент усиления), способствует управлению прибором низким уровнем сеточных напряжений (единицы-десятки вольт), позволяет работать в области отрицательных сеточных напряжений, т.е. без искажений входного сигнала (в случае режима усиления) и без потерь в цепи управления. Второй путь -создание мощных генераторных ламп для работы в автогенераторном режиме с выходной импульсной мощностью мегаваттного уровня. В этом случае использование дополнительной управляющей сетки, уменьшающей первеанс, является нецелесообразным, так как главным критерием в этом случае является максимальная выходная мощность.

5. Проведено исследование путей создания мощной генераторной лампы на параметры: импульсная мощность до 5-10 МВт, рабочая частота 400500 МГц. Показана возможность создания генераторной лампы для работы в дециметровом диапазоне волн при мегаваттном уровне импульсной мощности на основе электронно-лучевого вентиля. Разработан макет электровакуумной 18-лучевой генераторной лампы ЭЛГ 500/40 (500 А, 40 кВ). Проведено экспериментальное исследование данного прибора в непрерывном и импульсном режимах, показана возможность реализации заданной импульсной мощности при первеансе прибора более 400 мкА/В3/2, при этом результаты расчета и анализа времяпролетных явлений показывают способность работы данной лампы в заданном диапазоне дециметровых волн. Исследованы температурные режимы работы лампы посредством расчета и эксперимента. Приведены результаты исследования резонансных характеристик ЭЛГ'500/40 в сочетании с разработанными и изготовленными объемными резонаторами. Создана физическая модель генераторного модуля УВЧ колебаний. Представлены результаты исследования работы ЭЛГ 500/40 в составе генераторного модуля в динамическом режиме. Проведено исследование структуры высокочастотных полей в генераторной лампе посредством компьютерного моделирования. Установлено, что основным условием возбуждения колебаний на заданной частоте является пространственное совпадение максимума высокочастотного поля в катодно-сеточном контуре с местоположением ленточных катодов многолучевой системы. С этих позиций разработан новый вариант конструкции ЭЛГ 500/40, исследование которого показывает, что основной и наиболее оптимальной для возникновения генерации является частота порядка 400 МГц, при этом катод находится в области максимума высокочастотного поля.

6. Проведено исследование путей создания мощной электронно-лучевой генераторной лампы для работы в режиме усиления мощности на параметры: колебательная мощность 40 кВт, рабочий диапазон частот 10-100 МГц. Представлены результаты модельного исследования многолучевой электронно-оптической системы электронно-лучевого прибора с управляющей сеткой, на основании которых разработан и изготовлен восьмилучевой макет генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом ЭЛГ 30/40 (30 А, 40 кВ). Проведено исследование макета ЭЛГ 30/40 посредством эксперимента и расчета, показавшее увеличение крутизны по сравнению с лампой-прототипом ЭЛВ 4/40 в 10,6 раз (53 против 5 мА/В) при возможности работы в области отрицательных сеточных напряжений и значительном снижении амплитуды управляющего сигнала. На основании полученных результатов показаны пути по улучшению параметров ЭЛГ с управляющей сеткой для работы в режиме усиления мощности. Для разработанной в лаборатории НИЦ СЭ ВЭИ электронно-оптической системы многолучевой генераторной лампы с управляющей сеткой проведена подробная серия расчетов различных электронных режимов, позволивших сформулировать требования к лампе с позиции использования ее в заданных режимах усиления мощности. Анализ полученных результатов показал, что данный прибор сочетает в себе преимущества электронно-лучевых приборов с торможением электронов на аноде (большая выходная мощность и высокий электронный КПД) и ламп с сеточным управлением (высокое значение крутизны анодно-сеточной характеристики, управление малыми амплитудами сеточных напряжений, возможность работы в области отрицательных сеточных напряжений), при этом разрабатываемая лампа по сравнению с используемыми в настоящее время генераторными лампами ГУ-36Б-1 будет иметь более, чем двукратное преимущество по выходной колебательной мощности и более высокий электронный КПД (на величину до 10 % в зависимости от режима работы). На основании результатов данных исследований получен патент на изобретение.

7. На основании проведенных исследований разработаны технические предложения по конструктивным компоновкам импульсной высокочастотной электронно-лучевой генераторной лампы большой мощности и мощной электронно-лучевой генераторной лампы с дополнительным управляющим электродом, составлены технические задания на разработку и изготовление экспериментальных образцов данных типов генераторных ламп, переданные на завод "Контакт" (г. Саратов) для их реализации.

1. Переводчиков В.И. "Электронно-лучевые вентили". Электротехника №6, с. 5 - 7. Москва "Энергия" 1980.

2. Трухачев И.М. "Модернизация электронно-лучевого вентиля для работы в генераторном режиме". Выпускная квалификационная работа инженера (специалиста). Москва, 2005. 66 с.

3. Трухачев И.М. Электронно-лучевой вентиль для коммутирующих устройств. Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", М., МЭИ (ТУ), 2004.

4. Переводчиков В.И. "Формирование интенсивных электронных пучков в мощных электронно-лучевых приборах". Москва, Издательство МЭИ, 2000. -84 с.

5. Переводчиков В.И и др. Электронно-лучевые вентили высоковольтные коммутирующие лампы для мощных электротехнических схем. Аналитический обзор, Приложение 6 к НИР шифр "Анализ", Москва, ХХХХ г.

6. Электровакуумные приборы. Справочник. Том XVII "Генераторные лампы". Генераторные лампы большой мощности. НИИ, 1972.

7. Электровакуумные приборы. Справочник. Том XVI "Генераторные лампы". Генераторные лампы средней мощности. НИИ, 1972.

8. Вараксина Р.Я. и др. Отчет по теме "Состояние и перспективы развития электронных приборов СВЧ за рубежом" (НИР "ФОБОС"). Книга I "Мощные электронные СВЧ приборы различных классов". Москва, 1964.9. Каталог ламп Уапап (СР1).

9. Электровакуумные приборы. Справочник. Том XXI "Приборы СВЧ" Атомно-лучевые трубки. НИИ, 1972.

10. Электровакуумные приборы. Справочник. Том XXII "Приборы СВЧ" Магнетроны непрерывного действия. НИИ, 1972.

11. Кудинцева Г. А. и др. Термоэлектронные катоды. М. Л., 1966 г.

12. Трухачев И.М., Шапенко В.Н., Стученков В.М. Импульсные характеристики электронно-лучевых вентилей. Прикладная физика №1, 2007. с. 144-146.

13. Трухачев И.М., Шапенко В.Н., Стученков В.М. Импульсные характеристики электронно-лучевых вентилей. Сборник научных трудов ВЭИ "Высоковольтная вакуумно-плазменная электроника", Москва, 2008. с. 194-197.

14. Трухачев И.М., Шапенко В.Н., Стученков В.М. Импульсные характеристики электронно-лучевых вентилей. Седьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2005.

15. Клейнер Э.Ю. Основы теории электронных ламп.- М.: Высшая школа, 1974. -368 с.

16. Нейман В.С. Курс радиопередающих устройств. М.: Советское радио, 1965. 595 с.

17. Трухачев И.М. Экспериментальные исследования возможности- работы электронно-лучевых вентилей в генераторном режиме. Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и. ионной оптики", Москва, 2007.

18. Трухачев И.М. О возможности использования электр онно-лучевых вентилей в генераторном режиме. Сборник научных трудов ВЭИ "Высоковольтная вакуумно-плазменная электроника", Москва, 2008. с. 198-206.

19. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 2. Электровакуумные приборы СВЧ. М.: Высшая школа, 1972. 376 с.

20. В.И.Переводчиков и др. "Разработка технических путей создания генераторного модуля мощного электромагнитного излучения" отчет по аванпроекту "Лимонник И", Москва, 2005.

21. Л.И.Ройзен, И.Н.Дулькин "Термическая характеристика прямого ребра постоянной толщины при повторно-кратковременной нагрузкепрямоугольными импульсами". Сборник научных трудов "Тепловые процессы в электротехническом оборудовании". Москва, 1996.

22. В.М.Кэйс, А.Л.Лондон "Компактные теплообменники". М.: Энергия, 1967.

23. Щербаков A.B., Трухачев И.М. Работа электронно-лучевого вентиля в сильноточных устройствах генерирования УВЧ-колебаний. IX Симпозиум. Электротехника 2030. Перспективные технологии электроэнергетики.

24. Щербаков A.B., Трухачев И.М. Исследование работы электронно-лучевого вентиля в автогенераторном режиме. Девятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", Москва, 2009.

25. Стальков П.М. Экспериментальные исследования макетов электронно-оптических систем ЭЛВ. Сборник научных трудов "Высоковольтная вакуумно-плазменная электроника", Москва, 2008.

26. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Трухачев И.М, Мурашов A.C., Стальков П.М. Патент на изобретение № 2338292.

27. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. Техника сверхвысоких частот. М.: Высшая школа, 1970. 440 с.

28. Трухачев И.М., Шапенко В.Н., Лифанова E.H., Подколзина Е.А. Патентные исследования, от 10.10.2005. Архивный номер 8519-1000. Москва, 2005.

29. Трухачев И.М., Корунов Н.И. "Высоковольтные компенсирующие приборы для систем энергетики". Конференция "Разработки молодых специалистов в области электроэнергетики 2008".

30. Щербаков A.B., Сухов А.В, Корунов Н.И., Трухачев И.М. Высоковольтный высокочастотный униполярный коммутатор на основе электронно-лучевого вентиля. Электро №1, 2009, с. 34-38.

31. Е.А. Краснощеков, A.C. Сукомел Задачник по теплопередаче. M.-JL, Госэнергоиздат, 1963, с. 215

32. Л.И. Ройзен, И.Н. Дулькин Тепловой расчет оребренных поверхностей. М., Энергия, 1977, с. 32.