автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование влияния параметров катодно-сеточных узлов однолучевых и многолучевых клистродов на их выходные характеристики

На правах рукописи

КАРМАЗИН Виталий Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАТОДНО-СЕТОЧНЫХ УЗЛОВ ОДНОЛУЧЕВЫХ И МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОДОВ НА ИХ ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2004

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Царев Владислав Алексеевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

- доктор физико-математических наук, профессор Григорьев Юрий Алексеевич

Ведущая организация: ФГУП «НПП "Контакт"» (г. Саратов)

Защита состоится «27» декабря 2004 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «26» ноября_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Большое место на рынке приборов для передатчиков телевизионного вещания в диапазоне дециметровых волн занимают вакуумные лампы с сеточным управлением эмиссии, в частности клистроды. Клистрод - гибрид клистрона и тетрода. Клистроды впервые выпустила на мировой рынок телевизионных передатчиков английская фирма EEV в июне 1991 г. под названием ЮТ (Inductive Output Tube) или лампа с индуктивным взаимодействием.

Разработка клистродов, так же как и других приборов СВЧ, невозможна без создания и дальнейшего совершенствования методов аналитического и численного расчета и оптимизации их выходных параметров. Оптимизация всего прибора, как правило, требует многократного применения программ анализа отдельных его клистронной и триодной частей. Наибольшие требования к точности расчета предъявляются к триодной части, содержащей катодно-сеточный узел (КСУ), состоящий из катода, анода и расположенной между ними управляющей сетки.

В отличие от клистрона выходные параметры клистродов во многом определяются параметрами сгустков электронов, поступающих из промежутка катод-управляющая сетка. Особенностью пушек клистродов является то, что расстояние «катод-сетка» сравнимо с шагом сетки. Неоднородность поля между ячейками управляющей сетки приводит к значительному изменению формы импульсов конвекционного тока, его постоянной составляющей и первой гармоники тока по сравнению со случаем идеализированной плоской сетки.

Проведение оптимизационных расчетов сопряжено с большими затратами времени и возможными ошибками из-за необходимости изменения конфигурации электродов ЭОС, корректировки больших по объему числовых массивов, описывающих управляющую сетку и функцию распределения магнитного поля в переходной пушечной области. Это затрудняет нахождение оптимальной связи между параметрами ЭОС и выходными параметрами прибора.

Существенный вклад в достижение значительных успехов в разработке теоретических методов исследования клистродов внесли отечественные ученые Сушков А.Д., Федяев В.К., Козлов В.Н., Победоносцев А.С., Лопин МА.

Созданы специальные программы, позволяющие осуществлять численный расчет клистродов. Среди них следует отметить такие программы как TAU, ТРАЭП, разработанные в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ) и в Рязанской радиотехнической академии.

Для точного расчета ЭОС с мелкоструктурной сеткой в этих программах приходится сильно уменьшать шаг расчетной сетки вблизи катода, что приводит к резкому увеличению времени расчета и требуемого объема оперативной памяти ЭВМ и затрудняет нахождение оптимальной взаимосвязи между параметрами ЭОС и прибора в целом.

Оперативную оптимизацию клистрода целесообразно проводить на основе численного анализа параметров ЭОС с

аналитических соотношений для расчета статических характеристик пушек с мелкоструктурными сетками и определения связи между основными аналитическими соотношениями выходной части прибора, описываемой нелинейными уравнениями теории клистрона и уравнениями его триодной части, в которой действует закон степени трех вторых.

В связи с этим актуальной задачей является создание единого комплекса программного обеспечения, который не только позволял бы оперативно рассчитывать триодную и клистронную части этих приборов в статическом и динамическом режимах, но и включал бы в себя средства их визуального проектирования. Применение этого комплекса программ позволит найти оптимальные (обеспечивающие наибольшую эффективность взаимодействия электронных сгустков с полем выходного резонатора) конструкции ЭОС с сеточным управлением для однолучевых и многолучевых клистродов, а также определить предельно достижимые значения для выбранного типа ЭОС и числа лучей значения выходной мощности, полосы, коэффициента усиления и КПД клистродов.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование влияния параметров и конструкции КСУ на выходные характеристики однолучевых и многолучевых клистродов, а также определение оптимальных параметров ЭОС и прибора в целом с помощью разработанных численно-аналитической модели и программного обеспечения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

• обоснование выбора математических моделей, описывающих процессы в многоэмиттерных ЭОС с сеточным управлением;

• разработка алгоритмов и методов оперативного численного расчета ЭОС однолучевых и многолучевых приборов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой, включая методики визуального проектирования, масштабного моделирования и автоматического задания сеточной структуры по заданным параметрам;

• анализ с помощью разработанного программного обеспечения различных типов ЭОС с сеточным управлением и поиск путей улучшения процесса модуляции катодного тока в многоэмиттерных структурах с сетками и качества фокусировки и разработка на этой основе приближенных аналитических выражений, связывающих основные параметры КСУ с параметрами режима работы прибора;

• оценка на основе этой численно-аналитической модели предельных энергетических параметров многолучевых клистродов с двухзазорными резонаторами;

• разработка рекомендаций для создания новых типов многолучевых клистродов.

Методы исследования

При выполнении работы были использованы аналитические и численные методы исследований, опирающиеся на фундаментальные законы электронной оптики, электродинамики, СВЧ электроники. Оценка точности разработанных алгоритмов и программного обеспечения проводилась путем сравнения результатов расчетов с большим набором экспериментальных данных, а также

путем сравнения полученных результатов с данными расчетов ЭОС по точным аналитическим формулам или с результатами расчетов других авторов.

Научная новизна я практическая ценность работы:

1) для точного расчета ЭОС с сеточным управлением предложена квазигидродинамическая модель учета объемного заряда электронного потока, отличающаяся от обычной гидродинамической модели тем, что в ней рассматриваются дискретные трубки тока, внутри которых описание зарядов и токов подчиняется гидродинамическим уравнениям, а с внешних границ -уравнению Лагранжа;

2) разработана методика оптимального выбора числа разбиений контура электродов (описывающих заданную ЭОС) на элементарные участки, позволяющая уменьшить время расчета ЭОС с заданной степенью точности;

3) разработано удобное и простое для пользователя программное обеспечение, позволяющее оперативно рассчитывать сложные по конфигурации конструкции ЭОС с сеточным управлением и магнитной фокусировкой;

4) разработана численно-аналитическая модель, адекватно описывающая процессы, протекающие в клистродах. Эта модель позволяет осуществлять исследование физических процессов в клистроде на основе приближенных аналитических уравнений, описывающих взаимодействие пучка и поля выходного клистронного резонатора в нелинейном самосогласованном режиме, и приближенных уравнений, описывающих процесс модуляции электронов по плотности в триодной части клистрода. С ее помощью можно определять оптимальные выходные параметры прибора (коэффициент использования напряжения, размеров зазоров и пролетных труб между зазорами), обеспечивающие требуемую полосу частот, коэффициент усиления и КПД;

5) исследованы зависимости выходных параметров клистродов от статических характеристик триодной части. Для приборов различного уровня мощности, отличающихся числом лучей и конструкцией КСУ, найдены оптимальные значения расстояния сетка-катод и ускоряющего напряжения, которые при выбранных конструкциях резонаторов и параметрах режима обеспечивают получение максимальных значений электронного КПД и выходной мощности клистродов.

Практическая ценность заключается в том, что реализация предложенных математических моделей и разработанных алгоритмов в вычислительной программе КИТ, содержащей программные средства визуального проектирования, позволяет существенно сократить затраты вычислительных ресурсов на решение практических задач при проектировании однолучевых и многолучевых клистродов.

Эта программа может быть также использована при инженерном расчете статических режимов работы ЭОС ЛБВ и клистронов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой.

Внедрение результатов. Материалы диссертационной работы в виде методик и программного обеспечения внедрены и использовались в «ФГУП НПП «Контакт»» и ОАО «Тантал Наука» при проектировании мощных СВЧ приборов, а также используются в учебном процессе на кафедре ЭПУ Саратовского государственного технического университета при чтении

спецкурсов «Мощные приборы СВЧ» и «Компьютерное моделирование ЭОС».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены:

• на Международной научно-технической конференции (Ульяновск, 2001);

• научно-технической конференции «Электронные приборы и устройства нового поколения» (Саратов, 2002);

• Международной научно-технической конференции «Математика. Экономика. Образование» (Ростов-на-Дону, 2002);

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП)» (Саратов, 2002);

• Fourth IEEE International Vacuum Electron Source Conference. Saratov, Russia, 2002;

• научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, 2003);

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП)» (Саратов, 2004);

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная численно-аналитическая модель, включающая в себя полученные на основе проведенных численных расчетов приближенные аналитические выражения, связывающие основные статические параметры триодной части клистрода с выходными параметрами его клистронной части, адекватно описывает процесс взаимодействия пучка с полем в многолучевых клистродах с однозазорными и двухзазорными резонаторами;

2. Разработанные методики инженерного проектирования ЭОС, включающие в себя средства визуального проектирования, масштабное моделирование, автоматическое задание сеточной структуры по заданным параметрам, и основанный на них комплекс программных средств позволяют существенно сократить время и автоматизировать процесс проектирования СВЧ приборов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой;

3. Результаты проведенного в статическом режиме траекторного анализа ЭОС многолучевых клистродов с различными схемами построения катодно-сеточного узла, позволяют определить оптимальные геометрические размеры элементарных пушек с сеточным управлением, а также функцию распределения магнитного поля в области взаимодействия, обеспечивающие требуемый ток и хорошее токопрохождение при различных углах отсечки.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 7 печатных трудах, в том числе 4 докладах на Международных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего ПО наименований. Основная часть работы изложена на 141 странице. Работа содержит 61 рисунок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведено краткое содержание работы, указаны научная новизна и практическая

полезность, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации представлен обзор существующего программного обеспечения и математических моделей для расчета клистродов.

Первый раздел первой главы посвящается особенностям методики расчета ЭОС приборов СВЧ с управляющей сеткой, рассматриваются причины, по которым сложно рассчитывать такие приборы. Отмечается, что при использовании известных программных средств обычному инженеру необходимо иметь соответствующую математическую подготовку и, кроме того, ему необходимо иметь подробное представление об особенностях использования данного программного обеспечения. Эти недостатки предлагается в значительной мере устранить в разрабатываемом программном обеспечении.

Задача расчета клистрода, как и любого СВЧ устройства в статическом режиме, состоит из следующих подзадач:

• расчет распределения магнитного поля;

• определение потенциала и напряженности в любой точке системы на основе известных потенциалов на электродах, в том числе с учетом объемного заряда;

• определение потенциала и напряженности в любой точке системы, наведенных объемным зарядом (задача учета объемного заряда);

• расчет траекторий движения частиц.

Во втором разделе первой главы описаны методы траекторного анализа электронного потока, а также способы описания объемного заряда.

Отмечается, что задача расчета траекторий движения и описания объемного заряда является самосогласованной. Для увеличения скорости сходимости этого итерационного процесса используется метод верхней релаксации при нахождении плотностей заряда и тока пучка:

где |И 7«4.т- плотности заряда и тока пучка, рассчитанные на N+1-11 итерации, а Рц, Рн+\ и - принимаемые в действительности значения

плотности заряда и тока на N й и N+1- й итерациях; 0<0)<1-коэффициент релаксации.

Для математического описания самого объемного заряда служат несколько методик. В основном они связаны с моделью трубок тока. Рассматривается квазиламинарная модель трубок тока, основанная на гидродинамической модели, а также метод функции источника - модифицированный метод функции Грина.

Третий раздел первой главы посвящен различным методам моделирования электрического поля в ЭОС на основе заданных электрических потенциалов и заданной конфигурации электродов системы. Рассматриваются три таких метода: метод конечных разностей, конечных элементов и интегральный метод и производится оценка их применимости для решения практических задач многолучевой электронной оптики с сеточным управлением. В результате

рассмотрения указанных методов сделан вывод о наибольшей пригодности интегрального метода для расчета электростатических задач

В четвертом разделе описаны достоинства и недостатки различных методов моделирования эмиссии электронов с катода метод плоского или сферического диода, а также метод учета граничных условий на катоде

Сформулированы основные требования, предъявляемые к новому программному продукту для расчета многолучевого клистрода Он должен позволять

- проводить расчет электростатических полей электронно-оптических систем с отображением на экране дисплея поля в виде набора эквипотенциальных линий,

- проводить расчет траекторий электронов с учетом пространственного заряда в электрическом и магнитном полях электронно-оптических систем с отображением траекторий на экране дисплея,

- проводить аналитический расчет взаимодействия электронов с переменными электрическими полями резонаторов в двумерном приближении с учетом пространственного заряда,

- рассчитывать выходные параметры многолучевого прибора,

- иметь облегченный ввод конфигурации электродов и возможность ее оперативного редактирования с использованием техники визуального проектирования и методов масштабного моделирования,

- иметь высокую оперативность расчетов при минимально допустимой для инженерной практики погрешности вычислений.

Во второй главе диссертации в первом ее разделе описана методика решения электростатической задачи с учетом объемного заряда путем решения уравнения Пуассона интегральным методом. Рассмотрен вопрос оптимизации числа разбиений контуров электродов на элементарные участки Проведены специальные численные эксперименты, направленные на исследование характера зависимости погрешности определения напряженности электрического поля от отношения размера отрезка разбиения этого электрода к некоторому расстоянию 8 от электрода (рис 1)

Рис 1. Зависимость напряженности электрического поля в точке наблюдения от отношения расстояния между точкой наблюдения и электродом и длины отрезка разбиения при г=0

Из графика видно, что для точного расчета целесообразно ограничиться величиной 5/1 равной десяти. Дальнейшее увеличение числа разбиений несущественно повышает точность вычислений, однако при этом значительно увеличивается время расчетов. Получены оценки погрешности расчета электростатического поля в зависимости от выбранного количества разбиений контуров электродов на элементарные участки.

Также в этом разделе описывается методика численного расчета величины магнитного поля в заданной точке магнитной фокусирующей системы (МФС), пригодная для непараксиального случая, когда диаметр пучка велик по сравнению с апертурой МФС. Предлагается по аналогии с электростатикой ввести фиктивные магнитные «заряды». Тогда граничное интегральное уравнение относительно плотности «магнитных зарядов» будет иметь вид:

где Г т - координата точки на границе раздела магнетиков; п„ - вектор нормали к границе в этой точке; 8т- полная поверхность границ раздела магнетиков; токовое поле; Нга- поле намагничения.

Уравнение (3) вместе с уравнениями электростатики образуют полную систему уравнений электромагнитного поля в стационарных электронно-оптических системах, формирующих интенсивные пучки заряженных частиц.

Далее описывается предложенная квазигидродинамическая модель учета объемного заряда электронного потока, отличающаяся от обычной гидродинамической модели тем, что в ней рассматриваются дискретные трубки тока, внутри которых описание зарядов и токов подчиняется гидродинамическим уравнениям, а с внешних границ - уравнению Лагранжа.

Методика вычислений сводится к следующим процедурам.

Вся рассматриваемая область движения электронного потока разбивается на слои с определенным шагом в продольном направлении. Наименьший шаг устанавливается в прикатодной области для более точного описания неламинарного движения электронов в области катод-сетка при малых расстояниях сетка-катод. Последующая область движения пучка в продольном направлении равномерно разбивается на слои с большим шагом. Пересечение каждой траектории с плоскостью продольного сечения образует расчетные точки (узлы) криволинейной расчетной сетки.

В каждом продольном сечении пространственный заряд вычисляется от разных кольцевых слоев, на которые дополнительно разбивается электронный поток. Радиус рассматриваемого кольцевого слоя в свою очередь определяется радиусом рассматриваемой траектории. Число задаваемых траекторий определяет точность учета объемного заряда.

В любой расчетной точке ЭОС можно определить суммарную напряженность электрического поля, создаваемую объемным зарядом, являющимся суперпозицией полей от близлежащих узлов криволинейной расчетной сетки, а также электрических полей от элементарных участков огибающей контура электродов.

При гидродинамическом рассмотрении пространственный заряд

присваивается всей области рассматриваемого кольцевого участка электронного потока, разбитого на кольцевые слои, определяемые траекториями электронов.

Проводится дискретизация тока, при которой элементарный гидродинамический ток от конечных в радиальном направлении близлежащих трубок тока, примыкающих к выбранной траектории, пересчитывается в ток бесконечно тонкого кольцевого слоя, лежащего на уровне рассматриваемой траектории (элементарный ток квазигидродинамической модели).

Связь между элементарными токами квазигидродинамической модели и гидродинамической модели определяется следующими соотношениями:

2./-1)

где I- элементарный ток квазигидродинамической модели; ¡- элементарный гидродинамический ток трубки тока; п- число трубок тока; к- число траекторий к=п+1.

Предложенная квазигидродинамическая модель аналогична по физическому смыслу введению так называемых поляризационных переменных (переменных Боброва), устраняющих неадекватность решения самосогласованной задачи определения траекторий движений электронов в переменных Лагранжа и учет пространственного заряда из уравнения Пуассона в гидродинамическом приближении Эйлера. Применение такой модели наиболее целесообразно при расчете ЭОС клистрода с мелкоструктурной сеткой.

Так как реальная сетка клистрода имеет квадратные ячейки, то двумерное представление ячейки сетки в виде кольцевых слоев, разделенных перемычками, является не совсем правомерным. Для устранения этого недостатка в программе производится аналитический пересчет трехмерной задачи в квазидвумерную за счет учета площади перекрытия элементарного кольцевого слоя перемычками в радиальном направлении.

Во втором разделе второй главы описаны методики визуального проектирования, позволяющие улучшить интерфейс программного обеспечения для расчета ЭОС: визуальные средства ввода конфигурации электродов, масштабирование ЭОС; автоматизированное введение конфигурации управляющей сетки по заданным нормированным параметрам; автоматическое создание файлов одной конфигурации ЭОС с изменением одного параметра в заданном диапазоне.

Третий раздел второй главы посвящен методикам минимизации погрешностей вычислений, связанных с численными расчетами ЭОС с сеточным управлением с помощью созданного программного обеспечения.

Оценка точности разработанных алгоритмов и программного обеспечения проводилась путем сравнения результатов расчетов с большим набором экспериментальных данных, полученных при испытании клистрода в ОКБ «ФГУП «НПП Контакт», а также путем сравнения результатов с результатами

расчетов пушки Пирса по точным аналитическим формулам или с результатами расчетов по численным моделям других авторов (Федяев В.К., Козлов В.Н. -программа ТРАЭП).

Полученное вычислительно-экспериментальное обоснование точности определения основных параметров ЭОС приборов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой, свидетельствует об адекватности предложенных моделей, алгоритмов и методик расчета. Погрешность определения тока в плоскости анода не превышает 2%.

В третьей главе проведена классификация ЭОС известных типов клистродов. Среди них можно выделить:

- однолучевые клистроды со сплошным электронным пучком, формируемым сферическим катодом большой площади с мелкоструктурной сеткой;

- однолучевые клистроды с высокопервеансным трубчатым электронным потоком, формируемым одним катодом;

- многолучевые клистроды, в которых катод выполнен в виде совокупности отдельных эмитирующих поверхностей, формирующих индивидуальные электронные пучки, а сетка выполнена в виде совокупности отдельных управляющих сеток, каждая из которых размещена над своей эмитирующей поверхностью, а все вместе они укреплены на едином металлическом сеточном держателе.

Для однолучевых клистродов со сплошным электронным пучком, формируемым сферическим катодом большой площади, используются сетки из пирографита, установленные на расстоянии 0,2-0,3 мм от катода. В качестве примера на рис. 2 приведены результаты траекторного анализа триодной пушки однолучевого клистрода, полученные с помощью расчета по разработанной программе «КИТ».

Рис. 2. Траектории движения электронов в КСУ однолучевого клистрода со сферическим катодом с расстоянием катод-сетка с1кС==0,2мм при потенциале сетки Ц^О В Для получения большей выходной мощности требуется увеличивать первеанс пучка. Это может быть достигнуто за счет применения трубчатых электронных потоков.

4 Г7СВГ

3,2!

1,2 2.4 3,6 4.8 6.00

г,си

Однако недостатком этой конструкции является большая площадь сеточного полотна, требующая выполнения жестких условий сборки и центровки сетки относительно общего катода. В настоящей работе предлагается устранить этот недостаток за счет перехода от одного кольцевого катода к нескольким катодам с отдельными управляющими сетками, расположенными равномерно по радиусу. Такие катоды могут быть расположены параллельно оси прибора и под углом к ней. На рис. 3 и 4 приведены результаты траекторного анализа рассматриваемых ЭОС. Учет дискретности электронного потока по азимуту обеспечивался путем приравнивания площади элементарного катода к эффективной площади секторного элемента, на которые разбивается кольцевой слой эмитирующей поверхности.

Рис. 3. Траектории движения многоструйного потока электронов в КСУ клистрода с катодами, расположенными параллельно оси прибора с расстоянием катод-сетка (1^=0,6 мм при потенциале на сетке Ц.—0 В В отличие от предыдущего случая можно использовать катоды большей площади и соответственно получить увеличенное значение максимального импульса анодного тока.

Общий ток этих многолучевых систем определялся с учетом дискретности электронного потока по азимуту.

Рис. 4. Траектории движения электронов в триодной части клистрода с 6 катодами, обеспечивающими встрел электронных пучков в единый канал с нескольких пушек, расположенных под углом к оси с расстоянием катод-сетка с!|[С:=0,4 мм при потенциале на сетке ис=0 В

Ввиду того, что для описания катодов используется аксиально-симметричное приближение, реальный ток КСУ изображенных на рис.3 и 4 оказывается меньше рассчитанного. Для определения реального тока электронного пучка рассматриваемых приборов рассчитанный ток умножается на коэффициент отношения площадей катодов КСУ и катода аксиально-симметричного приближения.

Найденные в результате разложения максимального импульса анодного тока значения постоянной составляющей лучей и выбранные значения ускоряющего напряжения определяют первеанс потока, от величины которого зависят КПД и выходная мощность прибора.

Разработанное программное обеспечение использовалось при создании многолучевого телевизионного клистрода с четырьмя пространственно разнесенными катодами и управляющими сетками, расположенными на одном радиусе относительно оси. Прибор рассчитан на выходную мощность около 12 кВт.

Найденные в результате расчетов оптимальная конструкция и параметры КСУ позволили разработчикам приборов исключить стадию экспериментальной доработки ЭОС, так как хорошее токопрохождение и требуемые параметры были получены уже на первом макете. Пример расчета ЭОС показан на рис. 5. Микропервеанс одного луча составляет РМ)==0,16 мкА/В3/2.

Рис. 5. Траектории движения электронов в одном канале для четырехлучевого клистрода с расстоянием катод-сетка ё|и!;=0,6 мм

при потенциале на сетке ис=0 В Получено вычислительно-экспериментальное обоснование точности определения статических характеристик и параметров такой ЭОС по методу максимального тока и предложены аппроксимирующие выражения для аналитического вычисления зависимости тока пучка от напряжения на управляющей сетке и ускоряющего напряжения.

Найденные приближенные аналитические зависимости позволяют прогнозировать возможность использования найденной оптимальной конструкции КСУ для создания многолучевых клистродов повышенной мощности.

Рис. 6. Сравнение результатов расчета с экспериментом,

расчет-эксперимент

В качестве примера рассмотрен девятнадцатилучевой клистрод с оптимизированной триодной пушкой. В этом случае при том же ускоряющем напряжении 16 кВ и неизменной конструкции одной элементарной пушки можно получить непрерывную выходную мощность около 80 кВт.

Таким образом, методом масштабного размножения можно с одним и тем же типом однолучевой ячейки ЭОС создавать многолучевые приборы с разным уровнем выходной мощности, определяемой выбранным числом лучей.

Четвертая глава посвящена моделированию процесса взаимодействия электронов с высокочастотными полями выходного двухзазорного резонатора клистрода. Рассмотрены физические явления в тетродной и клистронной частях клистрода и даны основные соотношения для расчета условий, определяющих оптимальный режим усилителя. Указан порядок и дан пример расчета режима клистродного усилителя. В результате численного расчета по программе «КИТ», для заданных геометрических и электрических параметров сферической пушки с сеточным управлением определяется максимальное значение импульса анодного тока- Imtx¡ электронного сгустка, сформированного в пространстве «сетка -катод» за счет модуляции эмиссии катода внешним входным сигналом. Методом гармоник вычисляются амплитуда первой гармоники конвекционного тока Ja¡ на выходе из сетки и постоянная составляющая тока луча 1,0. Далее в анодной области учитываются эффекты, связанные с инерцией электронов и пространственным зарядом. Так как электроны движутся к центру зазора выходного резонатора с конечной скоростью, то импульс тока на входе в резонатор шире импульса входного конвекционного тока на время прохождения последнего слоя, поэтому амплитуда первой гармоники выходного тока 1„| меньше амплитуды первой гармоники вшдного конвекционного тока Ja¡.

h\=Ja\HcPie "> (5)

где Д.- параметр пролетного режима на участке катод-сетка;

Д,(£)- параметр пролетного режима в промежутке между управляющей

сеткой и центром первого зазора выходного резонатора; коэффициент использования напряжения.

Клистронная часть расчета основана на двумерной модели процесса взаимодействия электронов с высокочастотными полями выходного резонатора. Расчет ведется с учетом пространственного заряда, реального характера распределения электрического поля в бессеточных зазорах выходного резонатора и нелинейного характера физических процессов отбора энергии от электронных сгустков. Для расчета выходных параметров клистрода используются следующие соотношения:

Для электронного КПД:

^ _ ' ^П^дущрп (6)

Выходная мощность:

Нормированное сопротивление выходного резонатора:

где - сопротивление луча по постоянному току.

Приводится пример расчета выходных параметров режима четырехлучевого клистродного усилителя ДМВ диапазона, рассчитанного на получение выходной мощности 12 кВт. Характеристическое сопротивление выходного двухзазорного резонатора было принято равным 100 Ом. При переходе к трехзвенному фильтру считалось, что эквивалентное резонансное сопротивление такой резонаторной системы увеличится примерно в 2,6 раза . Относительные размеры двухзазорного резонатора: ширина зазора с1=24 мм, длина центральной пролетной втулки ЬВ1;=24 мм, радиус пролетного канала а=9 мм. Коэффициент заполнения пролетного канала Ь/а=0.8.

Результаты, касающиеся расчета выходной части прибора, именно: зависимости нормированных значений 1-й гармоники конвекционного тока 1|Ло, амплитуды высокочастотного напряжения на выходном резонаторе иш/Ш; эквивалентного резонансного сопротивления рС?„/К<) и коэффициента эффективности взаимодействия М от ускоряющего напряжения приведены на рис. 7.

При увеличении ускоряющего напряжения растет амплитуда высокочастотного напряжения на входном резонаторе.

В результате будут расти токи 1атИ и 1ао, и относительная амплитуда первой гармоники конвекционного тока 1|/1о. Соответственно будут изменяться сопротивление электронного потока Ло =иоЛао , подводимая мощность Р0 и первеанс лучей. При изменении будут также меняться углы пролета различных участков взаимодействия, эквивалентное резонансное сопротивление выходной резонансной системы и электронные параметры двухзазорного

активного резонатора (коэффициент эффективности взаимодействия М и относительная активная электронная проводимость 0,/0о).

Рис. 7. Зависимости нормированных значений: 1-й гармоники конвекционного тока 1|/1о (кривая-1), амплитуды высокочастотного напряжения на выходном резонаторе итДЬ (кривая- 2); эквивалентного резонансного сопротивления р<3„/Ко (кривая-3) и коэффициента эффективности взаимодействия М (кривая- 4) от ускоряющего напряжения Ц) На этом же рисунке приведены зависимости оптимальных значений относительной амплитуды высокочастотного напряжения на зазоре резонатора £ ЧУЦ,, то есть таких, при которых коэффициент полезного действия Т| е был

максимальным.

За счет нелинейных эффектов взаимодействия, связанных с торможением электронов в зазорах выходного резонатора в режиме большого сигнала, при увеличении ускоряющего напряжения уменьшается коэффициент эффективности взаимодействия М и растет активная электронная проводимость С^а, что, в свою очередь, приводит к появлению участка насыщения в зависимости Т]е от ускоряющего напряжения (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость электронного КПД от ускоряющего напряжения для различных значений расстояния сетка-катод: 1) ¿«==0,6 мм, 2) ^==0,5 мм, 3)^=0,4 мм

На этом же рисунке показано, как влияет выбор величины зазора «сетка -катод». При уменьшении этого расстояния по сравнению с первоначальным значением эффект насыщения Т| е от 1Т0 проявляется более сильно.

Рассчитанные значения электронного КПД и подводимой мощности однозначно определяют и выходную мощность прибора. На рис. 9 показана зависимость выходной мощности Р,ы|( от ускоряющего напряжения для различных значений расстояния сетка-катод.

. кВт ,___,_,

30. се

20.00

i0.ee

Рис. 9. Зависимость выходной мощности Р>ых от ускоряющего напряжения для различных значений расстояния сетка-катод: 1) (^,=0,6 мм, 2) с1ск:=0,5мм, 3) бсК:=0,4 мм

Аналогичные зависимости получены и для девятнадцатилучевого клистрода. Показано, что в этом случае при том же ускоряющем напряжении 16 кВ и неизменной конструкции одной элементарной пушки можно получить непрерывную выходную мощность около 80 кВт.

Сравнение полученных расчетных и экспериментальных данных показывает, что ошибка расчета выходных параметров клистрода не превышает 10%.

В заключении диссертации приведены основные результаты диссертационной работы.

1. Разработана методика определения оптимального количества разбиений контуров электродов на элементарные отрезки при решении уравнения Пуассона интегральным методом. Проведены численные эксперименты для вычисления погрешности определения электрического потенциала и напряженности поля в любой точке системы при различном разбиении контуров электродов на отрезки.

2. Предложена квазигидродинамическая модель учета объемного заряда электронного потока, отличающаяся от обычной гидродинамической модели тем, что в ней рассматриваются дискретные трубки тока, внутри которых описание зарядов и токов подчиняется гидродинамическим уравнениям, а с внешних границ - уравнению Лагранжа.

3. Разработана методика оперативного проектирования ЭОС, включающая визуальное проектирование, масштабное моделирование, автоматическое задание сеточной структуры по заданным параметрам, и обеспечивающая

/

/1 / / /

> £ £ /

00 12 м "М ее "<8 00 20 00 22.

высокую оперативность расчетов при минимально допустимой для инженерной практики погрешности вычислений.

4. Создано программное обеспечение для расчета ЭОС, включающее в себя средства визуального проектирования, которое позволяет ускорить разработку ЭОС и упростить работу с программой. Программа позволяет проводить расчет электростатических полей электронно-оптических систем с отображением на экране дисплея поля в виде набора эквипотенциальных линий; рассчитывать траектории электронов с учетом пространственного заряда в электрическом и магнитном полях электронно-оптических систем с отображением траекторий на экране дисплея; проводить аналитический расчет взаимодействия электронов с переменными электрическими полями резонаторов в двумерном приближении с учетом пространственного заряда; рассчитывать выходные параметры многолучевого прибора.

5. Получено вычислительно-экспериментальное обоснование точности определения статических характеристик и параметров ЭОС по методу максимального тока и предложены аппроксимирующие выражения для аналитического вычисления зависимости тока пучка от напряжения на управляющей сетке и ускоряющего напряжения для различных конструкций КСУ однолучевых и многолучевых клистродов.

6. Получены приближенные аналитические выражения, связывающие основные параметры триодной части клистрода с выходными параметрами прибора, на основе которых разработана численно-аналитическая модель расчета параметров многолучевого клистрода с двухзазорными резонаторами.

7. Определены предельные энергетические параметры четырехлучевого телевизионного клистрода ДМВ диапазона с двухзазорными резонаторами.

8. Даны рекомендации для создания новых типов многолучевых клистродов повышенной мощности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кармазин В.Ю. К вопросу моделирования и расчета электронно-оптических систем/ В.Ю. Кармазин, В.А. Царев // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: Труды Четвертой Междунар. науч.-техн. конф./ УлГУ. Ульяновск, 2001.-С. 47-48.

2. Кармазин В.Ю. Расчет многолучевых электронно-оптических систем с управляющей сеткой/ В.Ю. Кармазин, В.А. Царев// Электронные приборы и устройства нового поколения: Материалы науч.-техн. конф. Саратов, 2002. -С.114-116.

3. Кармазин В.Ю. Об исследовании одной модели работы элемента СВЧ -прибора/ В.Ю. Кармазин, В.А. Царев// Математика. Экономика. Образование: Материалы X Междунар. конф./ РГУ. Ростов-н/Д., 2002. - С. 181.

4. Кармазин В.Ю. Математическое моделирование режимов работы катодно-сеточного узла в многолучевом клистроде/ В.Ю. Кармазин, В.А. Царев// Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП): Материалы Пятой Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2002. - С. 123-128

5. Peculiarities of electron flow formation in multi-beam klystrodes/ V.Yu.Karmazin, V.K. Semenov, V.V. Perov, O.V. Kazakov, VA Tsarev// Fourth IEEE International Vacuum Electron Source Conference. Saratov, Russia, 2002. -P. 192-194.

6. Кармазин В.Ю. Моделирование электронно-оптической системы для пучково-плазменных приборов/ В.Ю. Кармазин, В.А Царев, СП. Чижов, В.И.Ширшин// Электронные приборы и устройства нового поколения: Материалы науч.-техн. конф. Саратов, 2003. - С. 41-43.

7. Кармазин В.Ю. Расчет электронно-оптической системы клистрода/

B.Ю.Кармазин, ВА Царев//Электронные приборы и устройства нового поколения: Материалы науч.-техн. конф. Саратов, 2003. - С. 43-46.

8. Кармазин В.Ю. Способ математического моделирования распределений поля МФС/В.Ю. Кармазин, Р.В. Спиридонов// Электронные приборы и устройства нового поколения: Материалы науч.-техн. конф. Саратов, 2003. -

C. 58-62.

9. Определение предельных энергетических параметров многолучевых клистродов с двухзазорными резонаторами/ В.Ю. Кармазин, АЮ.Мирошниченко, ГА. Пчелинцев, ВА Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы Междунар. науч.-техн. конф./ СГТУ. Саратов, 2004. - С.138-148.

Лицензия ИД № 06268 от 14.11.01

Подписано в печать Бум. тип. Тираж 400

25. И. 04

Формат 60x841/16 Уч.-изд.л. Бесплатно

экз.

Усл.печл.

Заказ 548

Саратовский государственный технический университет

410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Копипринтер СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

127008

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Особенности конструкции и расчета катодно-сеточного узла и электронно-оптической системы клистродов.

1.1 Особенности методики расчета ЭОС с управляющей сеткой.

1.2 Траекторный анализ электронного потока. Учет объемного заряда.

1.2.1. Квазиламинарная модель трубок тока.

1.2.2 Метод функции источника.

1.2.3 Описание пространственного заряда.

1.3. Методы расчета электростатического поля.

1.3.1. Метод конечных разностей.

1.3.2 Метод конечных элементов.

1.3.3 Метод зарядовой плотности (интегральный метод).

1.4 Методы моделирования эмиссии с катода.

1.4.1 Модель плоского или сферического диода.

1.4.2 Метод граничных условий на катоде.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка алгоритмов и методик расчета ЭОС однолучевых и многолучевых приборов с сеточным управлением.

2.1 Численное моделирование ЭОС с сеточным управлением.

2.1.1 Методика расчета электростатического поля.

2.1.2 Численное моделирование магнитного поля в программе «КИТ».

2.1.3 Учет пространственного заряда в ЭОС с сеточным управлением.

2.2 Описание интерфейса программы «КИТ».

2.3. Методики минимизации погрешности вычислений, связанных с численными расчетами по программе «КИТ».

Методические указания пользователю программы.

Выводы по второй главе.

Глава 3 Расчет и оптимизация ЭОС однолучевых и многолучевых клистродов.

3.1 Классификация существующих типов КСУ однолучевых и многолучевых клистродов.

3.2 Траекторный анализ КСУ телевизионных клистродов различных конструкций.

3.3 Исследование ЭОС клистрода с трубчатым электронным потоком.

3.4 Анализ ЭОС многолучевого клистрода.

3.5 Тестирование полученных результатов расчета.

3.6 Оценка возможности использования оптимальной конструкции КСУ для создания многолучевых клистродов повышенной мощности.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Расчет и оптимизация параметров и характеристик однолучевых и многолучевых клистродов.

4.1 Методика расчета тетродной части СВЧ прибора клистродного типа.

4.2 Методика расчета клистронной части прибора.

4.2.1 Расчет электронных параметров.

4.3 Алгоритм поиска оптимального решения.

4.4 Результаты расчета выходных параметров 4-хлучевого клистрода по численно-аналитической модели.

4.5 Расчет и оптимизация девятнадцатилучевого клистрода.

Выводы по четвертой главе.

Существенную долю представленных на рынке приборов для передатчиков телевизионного вещания в диапазоне метровых волн и УКВ занимают вакуумные лампы с сеточным управлением эмиссии, в частности, клистроды. Клистроды впервые выпустила на мировой рынок телевизионных передатчиков английская фирма EEV в июне 1991 г. под названием ЮТ (Inductive Output Tube) или лампа с индуктивным взаимодействием.

Разработка клистродов, так же как и других приборов СВЧ, невозможна без создания и дальнейшего совершенствования методов аналитического и численного расчета и оптимизации их выходных параметров. Оптимизация всего прибора, как правило, требует многократного применения программ анализа отдельных его клистронной и триодной частей. Наибольшие требования к точности расчета предъявляются к триодной части, содержащей катодно-сеточный узел (КСУ), состоящий из катода, анода и расположенной между ними управляющей сетки.

В отличие от клистрона выходные параметры клистродов во многом определяются параметрами сгустков электронов, поступающих из промежутка катод-управляющая сетка. Особенностью пушек клистродов является то, что расстояние «катод-сетка» сЦ сравнимо с шагом сетки. Неоднородность поля между ячейками управляющей сетки приводит к значительному изменению формы импульсов конвекционного тока, его постоянной составляющей и первой гармоники тока по сравнению со случаем идеализированной плоской сетки.

Проведение оптимизационных расчетов сопряжено с большими затратами времени и возможными ошибками из-за необходимости изменения конфигурации электродов ЭОС, корректировки больших по объему числовых массивов, описывающих управляющую сетку и функцию распределения магнитного поля в переходной пушечной области. Это затрудняет нахождение оптимальной связи между параметрами ЭОС и выходными параметрами прибора.

Существенный вклад в достижение значительных успехов в разработке теоретических методов исследования клистродов внесли отечественные ученые

Сушков А.Д., Федяев В.К., Козлов В.Н, Победоносцев А.С., Лопин М.А.

Созданы специальные программы, позволяющие осуществлять численный расчет клистродов. Среди них следует отметить такие программы как ТА U, ТРАЭП, разработанные в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ) и в Рязанской радиотехнической академии.

Для точного расчета ЭОС с мелкоструктурной сеткой в этих программах приходится сильно уменьшать шаг расчетной сетки вблизи катода, что приводит к резкому увеличению времени расчета и требуемого объема оперативной памяти ЭВМ и затрудняет нахождение оптимальной взаимосвязи между параметрами ЭОС и прибора в целом.

Оперативную оптимизацию клистрода целесообразно проводить на основе численного анализа параметров ЭОС с сеточным управлением, определения аналитических соотношений для расчета статических характеристик пушек с мелкоструктурными сетками и определения связи между основными аналитическими соотношениями выходной части прибора, описываемой нелинейными уравнениями теории клистрона и уравнениями его триодной части, в которой действует закон степени трех вторых.

В связи с этим актуальной задачей является создание единого комплекса программного обеспечения, который не только позволял бы оперативно рассчитывать триодную и клистронную части этих приборов в статическом и динамическом режимах, но и включал бы в себя средства их визуального проектирования. Применение этого комплекса программ позволит найти оптимальные (обеспечивающие наибольшую эффективность взаимодействия электронных сгустков с полем выходного резонатора) конструкции ЭОС с сеточным управлением для однолучевых и многолучевых клистродов, а также определить предельно достижимые значения для выбранного типа

ЭОС и числа лучей значения выходной мощности, полосы, коэффициента усиления и КПД клистродов.

Цель работы:Целью настоящей работы является исследование влияния параметров и конструкции КСУ на выходные характеристики однолучевых и многолучевых клистродов, а также определение оптимальных параметров ЭОС и прибора в целом с помощью разработанных численно-аналитической модели и программного обеспечения.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

• обоснование выбора математических моделей, описывающих процессы в многоэмиттерных ЭОС с сеточным управлением;

• разработка алгоритмов и методов оперативного численного расчета ЭОС однолучевых и многолучевых приборов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой, включая методики визуального проектирования, масштабного моделирования и автоматического задания сеточной структуры по заданным параметрам;

• анализ с помощью разработанного программного обеспечения различных типов ЭОС с сеточным управлением и поиск путей улучшения процесса модуляции катодного тока в многоэмиттерных структурах с сетками и качества фокусировки и разработка на этой основе приближенных аналитических выражений, связывающих основные параметры КСУ с параметрами режима работы прибора;

• оценка на основе этой численно-аналитической модели предельных энергетических параметров многолучевых клистродов с двухзазорными резонаторами;

• разработка рекомендаций для создания новых типов многолучевых клистродов.

Научная новизна и практическая ценность работы:

1. для точного расчета ЭОС с сеточным управлением предложена квазигидродинамическая модель учета объемного заряда электронного потока, отличающаяся от обычной гидродинамической модели тем, что в ней рассматриваются дискретные трубки тока, внутри которых описание зарядов и токов подчиняется гидродинамическим уравнениям, а с внешних границ -уравнению Лагранжа;

2. разработана методика оптимального выбора числа разбиений контура электродов (описывающих заданную ЭОС) на элементарные участки, позволяющая уменьшить время расчета ЭОС с заданной степенью точности;

3. разработано удобное и простое для пользователя программное обеспечение, позволяющее оперативно рассчитывать сложные по конфигурации конструкции ЭОС с сеточным управлением и магнитной фокусировкой;

4. разработана численно-аналитическая модель, адекватно описывающая процессы, протекающие в клистродах. Эта модель позволяет осуществлять исследование физических процессов в клистроде на основе приближенных аналитических уравнений, описывающих взаимодействие пучка и поля выходного клистронного резонатора в нелинейном самосогласованном режиме, и приближенных уравнений, описывающих процесс модуляции электронов по плотности в триодной части клистрода. С ее помощью можно определять оптимальные выходные параметры прибора (коэффициент использования напряжения, размеров зазоров и пролетных труб между зазорами), обеспечивающие требуемую полосу частот, коэффициент усиления и КПД;

5. исследованы зависимости выходных параметров клистродов от статических характеристик триодной части. Для приборов различного уровня мощности, отличающихся числом лучей и конструкцией КСУ, найдены оптимальные значения расстояния сетка-катод и ускоряющего напряжения, которые при выбранных конструкциях резонаторов и параметрах режима обеспечивают получение максимальных значений электронного КПД и выходной мощности клистродов.

Практическая ценность заключается в том, что реализация предложенных математических моделей и разработанных алгоритмов в вычислительной программе КИТ, содержащей программные средства визуального проектирования, позволяет существенно сократить затраты вычислительных ресурсов на решение практических задач при проектировании однолучевых и многолучевых клистродов.

Эта программа может быть также использована при инженерном расчете статических режимов работы ЭОС ЛЕВ и клистронов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены:

• на Международной научно-технической конференции (Ульяновск, 2001);

• научно-технической конференции «Электронные приборы и устройства нового поколения» (Саратов, 2002);

• Международной научно-технической конференции «Математика. Экономика. Образование» (Ростов-на-Дону, 2002);

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП)» (Саратов, 2002);

• Fourth International Vacuum Electron Source Conference. Saratov, Russia, 2002;

• научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, 2003);

• Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП)» (Саратов, 2004);

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная численно-аналитическая модель, включающая в себя полученные на основе проведенных численных расчетов приближенные аналитические выражения, связывающие основные статические параметры триодной части клистрода с выходными параметрами его клистронной части, адекватно описывает процесс взаимодействия пучка с полем в многолучевых клистродах с однозазорными и двухзазорными резонаторами;

2. Разработанные методики инженерного проектирования ЭОС, включающие в себя средства визуального проектирования, масштабное моделирование, автоматическое задание сеточной структуры по заданным параметрам, и основанный на них комплекс программных средств позволяют существенно сократить время и автоматизировать процесс проектирования СВЧ приборов с сеточным управлением и магнитной фокусировкой;

3. Результаты проведенного в статическом режиме траекторного анализа ЭОС многолучевых клистродов с различными схемами построения катодно-сеточного узла, позволяют определить оптимальные геометрические размеры элементарных пушек с сеточным управлением, а также функцию распределения магнитного поля в области взаимодействия, обеспечивающие требуемый ток и хорошее токопрохождение при различных углах отсечки.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 9 печатных трудах, в том числе 4 доклада на международных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 110 наименований. Основная часть работы изложена на 141 странице. Работа содержит 61 рисунок.

Основные результаты и выводы по диссертации

В диссертационной работе получили развитие теория и методы расчета однолучевых и многолучевых клистродов на основе разработанной численно-аналитической модели и созданного по ней программного обеспечения. В соответствии с задачами исследований в работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика определения оптимального количества разбиений контуров электродов на элементарные отрезки при решении уравнения Пуассона интегральным методом. Проведены численные эксперименты для вычисления погрешности определения электрического потенциала и напряженности поля в любой точке системы при различном разбиении контуров электродов на отрезки.

2. Предложена квазигидродинамическая модель учета объемного заряда электронного потока, отличающаяся от обычной гидродинамической модели тем, что в ней рассматриваются дискретные трубки тока, внутри которых описание зарядов и токов подчиняется гидродинамическим уравнениям, а с внешних границ - уравнению Лагранжа.

3. Разработана методика оперативного проектирования ЭОС, включающая визуальное проектирование, масштабное моделирование, автоматическое задание сеточной структуры по заданным параметрам, и обеспечивающая высокую оперативность расчетов при минимально допустимой для инженерной практики погрешности вычислений.

4. Создано программное обеспечение для расчета ЭОС, включающее в себя средства визуального проектирования, которое позволяет ускорить разработку ЭОС и упростить работу с программой. Программа позволяет проводить расчет электростатических полей электронно-оптических систем с отображением на экране дисплея поля в виде набора эквипотенциальных линий; рассчитывать траектории электронов с учетом пространственного заряда в электрическом и магнитном полях электронно-оптических систем с отображением траекторий на экране дисплея; проводить аналитический расчет взаимодействия электронов с переменными электрическими полями резонаторов в двумерном приближении с учетом пространственного заряда; рассчитывать выходные параметры многолучевого прибора.

5. Получено вычислительно-экспериментальное обоснование точности определения статических характеристик и параметров ЭОС по методу максимального тока и предложены аппроксимирующие выражения для аналитического вычисления зависимости тока пучка от напряжения на управляющей сетке и ускоряющего напряжения для различных конструкций КСУ однолучевых и многолучевых клистродов.

6. Получены приближенные аналитические выражения, связывающие основные параметры триодной части клистрода с выходными параметрами прибора, на основе которых разработана численно-аналитическая модель расчета параметров многолучевого клистрода с двухзазорными резонаторами.

7. Определены предельные энергетические параметры четырехлучевого телевизионного клистрода ДМВ диапазона с двухзазорными резонаторами.

8. Даны рекомендации для создания новых типов многолучевых клистродов повышенной мощности.