автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Магнитные системы многолучевых СВЧ-приборов О-типа

На правах рукописи

005003697

Козырев Денис Васильевич

МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ МНОГОЛУЧЕВЫХ СВЧ-ПРИБОРОВ

О-ТИПА

Специальность 05.27.02 Вакуумная и плазменная электроника.

АВТОРЕФЕРАТ 2 4 НОЯ 2011

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

005003697

Работа выполнена на базе Федерального государственного унитарного предприятия «научно-производственное предприятие «Торий».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, доцент Акимов Павел Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Новичков Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук Дроздов Сергей Сергеевич

Ведущая организация:

ФГУП «НЛП «Исток»

Защита состоится 16 декабря 2011г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: г.Москва, ул.Красноказарменная, д. 13, ауд Е-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г.Москва, ул.Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан «/5> МХ2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н. доц.

603.

Ремизевич Т.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

С развитием наукоемких отраслей техники, таких, как радио, телевидение, радиолокация, спутниковая связь, возрастает потребность в разработке новых и оптимизации существующих электровакуумных усилителей СВЧ-диапазона. Это требует совершенствования методик и технологий разработки и оптимизации основных параметров приборов, таких, как коэффициент полезного действия, коэффициент усиления, диапазон частот. Наряду с этим одним из важнейших требований потребителей современных электровакуумных приборов является улучшение их массогабаритных характеристик.

Ключевым для функционирования ЭВП является процесс взаимодействия СВЧ-сигнала с электронным пучком. Являясь источником энергии для усиления сигнала, электронный пучок в случае оседания на стенках пролетных каналов, способен вывести прибор из строя. Для обеспечения магнитного сопровождения пучка по длине пространства взаимодействия применяются системы магнитной фокусировки и сопровождения. Принцип магнитной фокусировки электронного потока основан на взаимодействии магнитного поля с электронами пучка. В настоящее время наиболее перспективными являются магнитные системы на основе постоянных магнитов, так как позволяют значительно улучшить массогабаритные характеристики современных конструкций ЭВП по сравнению с аналогами, использующими соленоиды. Кроме того, подобные системы не требуют дополнительного источника питания, относительно просты в изготовлении и наладке.

Особенно перспективно использование магнитотвердых материалов на основе сплавов неодима с железом и бором (Кс1РеВ), обладающих по сравнению с магнитами из сплавов самарий-кобальт (БтСо) более высокими энергетическими характеристиками, повышенной объемной однородностью свойств и более низкой стоимостью.

Ограничения на массу и габариты разрабатываемых ЭВП, накладываемые заказчиками современной аппаратуры, и использование в ЭВП фокусирующих систем на постоянных магнитах на основе более дорогостоящих, по сравнению со сплавами АМСо или феррита бария, редкоземельных материалов, вызывают необходимость в оптимизации конструкции этих магнитных систем.

Задача получения необходимого распределения магнитного поля в рабочих областях электродинамических систем ЭВП с использованием постоянных магнитов на основе РЗМ сопряжена с рядом проблем, связанных с особенностями материалов самих магнитов и магнитомягких материалов, входящих в конструкцию прибора, включая специальные покрытия для поглощения паразитных СВЧ-колебаний, а так же особенностями конструкции самой магнитной фокусирующей системы (МФС).

Для получения в рабочих каналах ЭВП требуемого продольного (вдоль оси канала) магнитного поля с высокой однородностью, стабильного по времени и не меняющегося под воздействием внешних факторов, необходимо, основываясь на знании структуры и свойств постоянных магнитов из редкоземельных материалов, использовать обоснованные методы и принципы сборки и настройки магнитных систем ЭВП.

На практике при проектировании, сборке и настройке МФС возникают трудности в связи с отсутствием четко сформулированных методов реализации этих процессов при построении МФС ЭВП. Это особенно заметно при использовании в магнитных системах магнитов на основе сплава ШРеВ. В силу того, что этот сплав является относительно новым материалом при изготовлении магнитов (широкое применение данный сплав получил с 1985 года), возникла необходимость более строгого рассмотрения существующих подходов, моделей и методов проектирования и настройки МС на их основе.

Цель диссертационной работы:

Исследование и совершенствование существующих и разработка новых моделей и методов настройки параметров фокусирующей магнитной системы,

обеспечивающих более эффективное использование магнитного материала, уменьшение негативного влияния поглощающих покрытий на магнитное поле, снижение времени технологических операций настройки МС ЭВП, а также повышение однородности, стабильности параметров магнитного поля МФС, улучшение характеристик приборов.

Исходя из поставленной цели, в диссертационной работе были рассмотрены и решены следующие основные задачи;

1. Разработаны рекомендации по нанесению поглощающего покрытия на внутренние стенки резонаторов, позволяющие уменьшить влияние этого покрытия на магнитное поле вблизи пролетных каналов, и препятствующих оседанию электронного потока.

2. Выработаны рекомендации по настройке магнитных систем с использованием дополнительных внешних магнитопроводов, позволяющих добиться распределения фокусирующего магнитного поля, способствующего наилучшему прохождению электронного потока.

3. Выработаны рекомендации по конструированию МС ЭВП и настройке параметров поля магнитных систем.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием обоснованных алгоритмов расчетов МФС ЭВП и подтверждена соответствием результатов расчетов, полученных в ходе использования различных программных средств, результатам экспериментальных измерений, а так же результатами внедрения в производство ряда образцов МФС ЭВП.

Научная новизна работы;

1. Впервые проведено комплексное исследование с использованием экспериментальных и численных методов влияния альсиферового поглощающего покрытия на магнитное поле и, как следствие, на прохождение электронного потока через пролетные каналы прибора. Предложены методы уменьшения этого влияния и методы

"использования поглощающего покрытия для оптимизации

■ распределения индукции фокусирующего пучок магнитного поля.

2; Исследовано влияние дополнительных внешних магнитопроводов на продольную и поперечные компоненты индукции магнитного поля многолучевых клистронов. Разработана методика настройки ' продольной и радиальной составляющей магнитного поля в рабочих зазорах МФС ЭВП, позволяющая существенно сократить длительность этой операции на стадии производственной наладки прибора.

3; Предложены и реализованы в виде конструктивных решений магнитные системы для ЭВП, защищенные патентами и примененные в разработках ЭВП.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Предложена и апробирована методика нанесения альсиферового поглощающего покрытия, позволяющая уменьшить, оптимизировать или полностью исключить влияние покрытия на магнитное поле МС, улучшив, таким образом, прохождение электронного пучка.

2. Выработаны практические рекомендации по установке дополнительных внешних магнитопроводов на МС, позволяющие учитывать их влияние не только на промежуток, в котором они установлены, но и на остальные рабочие промежутки магнитного поля, предоставляя таким образом возможность оптимизации рабочего времени при производственной наладке ЭВП.

3. На основе обобщенной методики предложены и реализованы конструктивные МФС миниатюрных усилительных клистронов «Малыш», «Форма», спроектирована магнитная система сверхмощного магнетрона «Базис», проведена оптимизация магнитных систем для приборов «Арена», «Аид» и др., позволившая уменьшить объем РЗМ при изготовлении данных МФС.

Личный вклад автора связан с выполнением в полном объеме, либо активном участии во всех приведенных в работе расчетах и экспериментальных исследованиях, анализом полученных результатов. Кроме того ему принадлежит разработка методик проектирования и настройки МФС ЭВП, их практическая реализация. Автор принимал непосредственное участие в процессах сборки и настройки МФС.

Основные положения, выносимые па защиту:

1. Обобщенная методика численного проектирования магнитных систем ЭВП, включающая компьютерное моделирование МФС и траекторный анализ электронного пучка, сопоставленные с результатами экспериментальных исследований трехмерного магнитного поля, полностью описывает цикл разработки магнитных систем для ЭВП и позволяет унифицировать и приблизить к экспериментальным результатам процесс разработки различных типов МЖ.

2. Упрощенная методика настройки магнитных систем клистронов, основанная на использовании принципа суперпозиции полей магнитных колец, с учетом входящих в систему магнитомягких шунтов, используя предварительно определенные для конкретного типа ЭВП зависимости, позволяет ускорить процесс производственной наладки МС.

3. Предложенная методика нанесения альсиферового покрытия позволяет обеспечивать подавление паразитных видов колебаний при отсутствии негативного влияния на магнитное поле МС.

4. Конструктивные решения, реализованные при разработке магнитных систем многолучевых клистронов, подтвердили эффективность разработанных методик.

Апробация результатов работы

По теме диссертации опубликовано: 3 научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК; 6 тезисов докладов на международных конференциях и

семинарах; 2 патента на полезную модель; 1 патент на изобретение; 2 учебных пособия.

Общее число публикаций по теме диссертации - 19

Общее число докладов - 6.

Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Двенадцатая Ежегодная международная научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». ГОУВПО МЭИ (ТУ), Москва, 2006г.

2. Седьмой Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». ФГУП «НПО Орион», Москва 2003г.

3. Восьмой Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики", ФГУП «НПО Орион», Москва 2007 г.

4. Девятый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», ФГУП «НПО Орион», г. Москва, 27 - 29 мая 2009 г.

5. Десятый Всероссийский семинар «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», ФГУП «НПО Орион», г. Москва, 2011г.

6. Шестнадцатая научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», Сочи, 2009 г

7. 8-th International Vacuum Electron Sources Conference and NANOcarbon, Nanjing, China.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 58 наименований.

Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 2 таблицы.

Первая глава содержит обзор и анализ литературных источников, постановку задач, общую методику использования программ численного анализа, использующихся при проектировании МС ЭВП. Приведены примеры использования перспективных сплавов для магнитных систем различных типов ЭВП. Во второй главе приведены методики и результаты численного проектирования и оптимизации МС по заданным параметрам с использованием средств компьютерного моделирования. В третьей главе приведены методики измерения компонент магнитного поля в рабочих зазорах МФС клистронов, необходимые для совместного использования в рамках обобщенной методики с результатами численного проектирования, а также даны рекомендации по настройке МС. В четвертой главе рассмотрены результаты исследования способа применения альсиферового покрытия, позволяющего минимизировать влияние покрытия на магнитное поле МС. В пятой главе приведены результаты исследования влияния внешних магнитопроводов на магнитное поле многореверсных магнитных систем, которое необходимо учитывать при настройке магнитных систем. В шестой главе продемонстрированы примеры некоторых практически реализованных МС ЭВП, спроектированных и настроенных с использованием описанных выше принципов и методов.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цели и задачи диссертационной работы, сформулированы научная новизна и основные защищаемые положения.

В Главе 1 приведены материалы, посвященные обзор и анализу работ по проектированию МФС ЭВП и примеры построения МС на основе перспективного сплава Рс-Ш-В, позволяющего увеличить основные параметры приборов и устройств. В качестве примеров рассматриваются:

1. М С лампы обратной волны с высокой однородностью (не более 1.5%) магнитной индукции в рабочем промежутке и малым весом.

2. МС промышленного гиротрона, в которой применение новых материалов и технологий позволило достичь высоких параметров по амплитуде и однородности магнитного поля в рабочем промежутке.

3. МС спектрометра электронного парамагнитного резонанса, в результате применения новых материалов в которой удалось на 10% увеличить амплитуду индукции магнитного поля без потери однородности, что позволило повысить рабочую частоту.

I

В первой главе приведены примеры численного проектирования в двух- и трехмерном приближении МС многолучевых клистронов (рис.1).

Рис.1 Расчетная модель безреверсной магнитной системы многолучевого клистрона в программе трехмерного анализа

В Главе 2 приводятся основные типы проектируемых МС для разрабатываемых приборов:

1. Униполярные магнитные системы на постоянных магнитах с высокими величинами индукции магнитного поля и значительно меньшим весом, чем аналогичные системы на соленоиде. Данный тип

магнитной системы состоит из двух магнитных полюсных наконечников, на которые установлена магнитная система, имеющая возможность реализации как в виде магнитных колец так и в виде плоских магнитов (рис.1). Создаваемое в пролетных каналах магнитное поле такой системы идентично магнитному полю соленоида - имеет однополярную направленность и высокую однородность индукции в рабочем промежутке.

2. Многореверсные магнитные системы, позволяющие осуществлять транспортировку электронного потока на большие расстояния и более эффективно использовать магнитное поле, уменьшая массу и габариты фокусирующей системы с увеличением числа реверсов.

3. Магнитная реверсная фокусирующая система сверхмощного магнетрона (рис.2), каждый однородный участок индукции магнитного поля которой совпадает с рабочей областью прибора. Неоднородность индукции магнитного поля в рабочей области составила ±2%, а расчетный вес - примерно 40кг, что в пять раз меньше существующего аналога на основе соленоида.

Волноводньп'1 вывод Постоянные магниты

Рис.2 Реверсная магнитная система сверхмощного магнетрона

Так же во второй главе дается описание используемых при проектировании расчетных средств и методик.

Метод эквивалентных схем позволяет рассчитывать магнитные системы подобно электрическим цепям. Данный способ используется для первоначальной оценки структуры магнитной системы.

Метод, основанный на принципе оптимального намагничивания, позволяет еще до расчета оценить основные особенности проектируемой системы. При этом «рассеивание рассматривается в среде, распределение восприимчивости которой повторяет распределение дифференциальной восприимчивости материала системы и окружающего пространства», становится возможным существенно сократить процесс определения схемы МС, обеспечивающей заданные параметры поля.

Программные пакеты двухмерного анализа представлены программой численного расчета магнитных систем РЕММЕ-4.2. Программа позволяет для заданной геометрии магнитной системы получить распределение составляющих магнитной индукции вдоль заданной линии, вывести картины силовых линий и картину насыщения деталей магнитным полем. Использование данной программы позволяет первоначально оценить приемлемость конструкции, значение индукции продольной и радиальной составляющих компонент магнитного поля в двухмерном приближении.

Программа трехмерного расчета «Орега-ЗБ» позволяет проводить расчеты магнитных систем в трехмерном приближении, учитывая несимметричные элементы конструкции. В состав пакета программ входят модули для решения задач формирования электронного пучка и анализа распределения магнитного поля фокусирующей системы, кроме того в программе имеется возможность траекторного анализа пучка (с учетом пространственного заряда) в рассчитанном магнитном поле. Таким образом, данный программный пакет позволяет проводить комплексный анализ задач формирования и фокусировки пучков заряженных частиц, обеспечивая тем самым получение целостной картины, начиная от формирования пучка в электронной пушке до выхода пучка в коллекторную область.

Программный пакет «Оптика», работающий на базе установки измерений трехмерных магнитных полей предназначен для работы с экспериментально полученными значениями индукции магнитных полей в трехмерном представлении. Данный пакет позволяет учитывать как продольную, так и поперечную компоненты магнитного поля, проводить траекторный анализ электронного пучка в магнитной системе, а также, изменяя величину полей, подбирать наиболее оптимальную их величину.

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям магнитных систем. В первой части описываются принцип и алгоритмы, используемые в программном комплексе «Медиана», предназначенной для проведения измерений магнитных полей в ручном режиме или под управлением компьютера и решения произвольных задач. Также рассматриваются алгоритмы программного комплекса "ОРТ1КА" предназначенного для расчета траекторий электронов в измеренных полях или расчета пушки методом синтеза.

Кроме того в данной главе описана методика измерений трехмерных магнитных полей на данной установке и описание программы трехмерного численного анализа магнитных систем «Магнит», являющейся модернизированным вариантом ПО «Медиана» и позволяющей провести расчет и вывести в трехмерном виде огибающую электронного пучка, рассчитать плотность мощности при оседании пучка на поверхности коллектора.

В главе 4 приведены результаты исследования влияния магнитомягкого поглощающего покрытия «Альсифер» на магнитное поле МС и прохождение электронного потока.

В рамках работы проводились сравнительные исследования изменений характеристик фокусирующего магнитного поля при продольном и поперечном нанесении альсиферового покрытия на центральные резонаторные вставки двухзазорного резонатора многолучевого клистрона (рис.3а,б).

Результаты сравнения измеренных значений продольной (рис.4а) и поперечной (рис.4б) компонент магнитного поля с двумя вариантами вставок представлены ниже.

Рис.3. Резонаторная вставка: а) с продольно нанесенным слоем альсиферового покрытия; б) с поперечно нанесенным слоем

Рис.4. Результаты измерения влияния альсиферового покрытия на: а) продольную составляющую м.п.; б) на радиальную составляющую м.п.

Показано, что поперечное нанесение альсифера позволяет устранить провал магнитного поля за счет того, что толщина слоя поглощающего

покрытия, нанесенного на боковые поверхности ребер резонаторной вставки, вдоль направления силовых линий магнитного поля будет очень мала. Ввиду этого альсиферовое покрытие будет незначительно искажать магнитное поле и провала на кривой распределения продольной компоненты индукции магнитного поля удастся избежать. Результаты траекторного анализа электронного пучка представлены на рис.5а,б.

а б

Рис.5 Траекторный анализ прохождения электронного пучка через рабочий

промежуток с:

а) продольно нанесенным слоем альсиферового покрытия; б) поперечно нанесенным слоем

Исследования влияния на характеристики самого резонатора показали, что при числе колец 4-5 можно добиться снижения характеристического сопротивления (из-за введения колец) до 10% без сколь-нибудь заметного изменения распределения магнитного поля в каналах транспортировки пучка многолучевого клистрона.

В пятой главе приводятся результаты исследования влияния внешних магнитопроводов на индукцию магнитного поля в промежутке, в котором они установлены, а так же на соседние промежутки с использованием численного анализа и экспериментов. Приведенные результаты устанавливают зависимость величины и характера магнитного поля (на примере однореверсной магнитной

системы) от количества перемыкателей, установленных в промежутках с однородным магнитным полем. Главной идеей экспериментального исследования является установление взаимосвязи амплитуды и характера распределения магнитного поля и количества магнитомягких шунтов на поверхности магнитных колец (рис.6).

Первмыкатели в обоих зазорах

190 200 2Ю 220 2ЭО 240 250 260 270

Рис.6 Распределения зависимостей продольной составляющей магнитного поля от количества перемыкателей в рабочих зазорах.

Результаты траекторного анализа прохождения электронного пучка через канал транспортировки, показанные на рис.7а,б, так же подтвердили необходимость учитывать влияние изменения полей рассеяния промежутка, в котором устанавливаются шунты на индукцию магнитного поля в зоне пролетных каналов соседних промежутков.

а б

Рис.10 Распределение продольной составляющей магнитного поля однореверсной МС и результат траекторного анализа для МС: а) без установки шунтов б) с установленными шунтами во втором промежутке в количестве 11 шт

На примере пятиреверсной магнитной системы было проведено исследование изменения величины индукции магнитного поля в удаленных промежутках однородного поля (рис.12).

Рис.12 Распределение продольной компоненты индукции магнитного поля в многореверсной МС

Исследование показало, что падение индукции в третьем промежутке при увеличении ее в первом и пятом за счет перемыкателей. Так же воздействие шунтов распространяется на соседние промежутки, искажая магнитное поле таким образом, что это приводит к возникновению радиальной компоненты, направленной в одну сторону и действующей на всем протяжении промежутка. Данное воздействие заставляет пучок отклоняться от оси канала, таким образом, снижая токопрохождение в приборе. Подобное влияние внешних

магнитопроводов на соседние промежутки магнитных систем необходимо учитывать при проведении динамических испытаний. Результатом исследований является полученная с использование численных средств и подтвержденная экспериментально зависимость изменения индукции магнитного поля от количества и положения магнитомягких шунтов на поверхности магнитной системы.

В шестой главе приведены результаты проектирования магнитных систем с использованием описанных методов численного проектирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обобщенная методика, рассмотренная в данной работе представляет собой последовательность операций численного расчета и компьютерного моделирования, результаты которых были соотнесены с экспериментальными исследованиями для подтверждения их достоверности, позволяет ускорить процесс разработки, максимально приблизить результаты к экспериментальным даже для сложных МС с отсутствием аксиальной симметрии.

2. Предложенная методика нанесения слоя поглощающего покрытия позволит повысить характеристики выпускаемых и разрабатываемых ЭВП за счет снижения влияния магнитомягкого поглощающего слоя на характер индукции магнитного поля. В отдельных же случаях, нанесение поглощающего покрытия можно использовать для корректировки магнитного поля. Например, в случае необходимости близкого расположения соседних магнитных колец, для компенсации характерного пика индукции в центре рабочего промежутка.

3. Проведенные исследования влияния магнитомягких шунтов на магнитное поле МС позволяют, установив зависимость для какого-либо типа приборов, учитывать изменение величины индукции магнитного поля во всех рабочих промежутках системы при настройке

МС, добиваясь таким образом уменьшения времени, затрачиваемого на настройку системы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1 А Т"Г ТЛ ---. Т> Нл Т/-_______тт п „ ___ л *.............

х. X xxvxxuxwu XX.*-!., х iuD^nftuD JJ.^., IVU^DIJJWD П Др. ХУШДСЛИриЬОНИС

влияния поглощающих покрытий на параметры фокусирующих систем приборов СВЧ: Сб. тез. VII Всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». М.: 2003. С.32-33.

2. Акимов П.И., Козырев Д.В., Лаврентьев Ю.В. и др. О точности моделирования магнитных фокусирующих систем на постоянных магнитах»: Сб. тез. VII Всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». М.: 2003. С.30-31.

3. Акимов П.И., Козырев Д.В., Невский П.В., и др. К вопросу о возможности улучшения динамического токопрохождения в мощных многолучевых клистронах с реверсной магнитной фокусировкой: Сб. тез. VII Всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». М.: 2003. С.72-73.

4. Акимов П.И., Козырев Д.В. Проектирование мощных клистронов с фокусировкой луча постоянными магнитами: Сб. тез. XII Ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: 2006. С.34-35.

5. P. I. Akimov, А. М. Gjukov, D.V.Kozyrev, etc. Magnetic system characteristics may determine the design of high power magnetrons intended for use in a mobile microwave power source Eighth Seminar on Problems of Theoretical and Applied Electron and Ion Optics, 2008. P.l 15.

л-

6. Акимов П.И., Козырев Д.В., Терентьев Д.А. Магнитная система, как фактор, глияющий на выбор конструкции сверхмощных магнетронов для мобильных источников СВЧ-мощности // Прикладная физика. 2008. №6. С.149-153.

7. Акимов П.И., Козырев Д.В., Терентьев Д.А., Сергеев C.B., и др. Магнитные системы на основе магнитотвердых сплавов неодима с железом и бором // Прикладная физика. 2010. №3. С.127-132.

8. Акимов П.И., Гузилов И.А., Козырев Д.В., Сенатов О.И., и др. Магнетрон с длинным анодом. Патент РФ № 82932. Дата регистрации 10.05.2009г.

9. Акимов П.И., Гузилов И.А., Козырев Д.В., Сенатов О.И., и др. Многорезонаторный магнетрон Патент РФ №2341844. Дата регистрации 20.12.2008г.

Ю.Козырев Д.В., Невский П.В., Фрейдович И.А. Многолучевой пакетированный клистрон. Патент РФ №78986. Дата регистрации 10.12.2008г.

11. Акимов П.И., Козырев Д.В., Лукин A.A., Сергеев К.Л. Методы снижения уровня радиальной составляющей магнитной индукции на оси рабочих каналов магнитных фокусирующих систем электровакуумных приборов // Прикладная физика. 2010. №3. С.79-83.

12. Акимов П.И., Воробьев М.Д., Козырев Д.В. Анализ и синтез узлов мощных электровакуумных приборов: Лаб. работы по курсу «Компьютерное моделирование и проектирование электронных приборов и устройств» МЭИ (ТУ) -М.: Изд.дом МЭИ, 2010. -20с.

13. Акимов П.И., Воробьев М.Д., Козырев Д.В. Трехмерное магнитное поле в магнитной фокусирующей системе и транспортировка многолучевого электронного пучка: Уч. пособие по дисциплине «Компьютерное моделирование и проектирование электронных приборов и устройств»

МЭИ (ТУ). -М.: Изд.дом МЭИ, 2009 -20с.

Подписано в печать ¿, Ц. // Зак. Тир. JCС П л 3>

Полиграфический центр МЭИ(ТУ) '

Красноказарменная ул.,д.13

Введение.

Глава 1. Проблемы расчета, проектирования и настройки магнитных систем мощных электровакуумных приборов.

1.1 Примеры применения перспективного материала для МФС ЭВП на базе редкоземельного сплава Иё-Ге-В в ООО «НПК «Магниты и Магнитные системы».

1.2 Процесс проектирования МС с использованием программ двухмерного анализа.

1.3 Процесс проектирования МС с использованием программ трехмерного анализа.

1.4 Выводы.

Глава 2. Расчет, проектирование и оптимизация конструкций МС мощных пакетированных усилительных клистронов.

2.1 Типы разрабатываемых магнитных систем.

2.2 Используемые расчетные средства.

2.3 Методики и результаты расчетов и оптимизации.

2.3.1 Метод эквивалентных электрических цепей.

2.3.2 Метод оптимального намагничивания.

2.3.3 Методы расчета с использованием программ двухмерного численного проектирования.

2.3.4 Методы расчета с использованием программ трехмерного численного проектирования.

2.4 Выводы.

Глава 3. Методика и результаты экспериментального исследования разрабатываемых магнитных систем.

3.1 Методика и программное обеспечение автоматизированного комплекса «Медиана».

3.2 Измерение и настройка магнитных систем, проблемы устранения влияния на электронный пучок неоднородности продольной, радиальной и азимутальной составляющих распределения магнитного поля.

3.3 Выводы.

4. Исследование влияния поглощающих покрытий внутренних стенок резонаторов на магнитное поля МС.

4.1 Методика уменьшения влияния слоя поглощающего покрытия на магнитное поле МС.

4.2 Применение поглощающих покрытий для корректировки магнитного поля МС.

4.3 Выводы.

Глава 5. Исследование влияния дополнительных внешних магнитопроводов на магнитное поле МС.

5.1 Влияние внешних магнитопроводов на радиальную компоненту магнитного поля МС.

5.2 Влияние внешних магнитопроводов на продольную компоненту магнитного поля МС.

5.3. Выводы.

Глава 6. Практические результаты реализаций магнитных систем для модернизации выпускаемых приборов и новых разработок.

С развитием наукоемких отраслей техники, таких, как радио, телевидение, радиолокация, спутниковая связь, возрастает потребность в разработке новых и оптимизации существующих электровакуумных усилителей СВЧ-диапазона. Это требует совершенствования методик и технологий разработки и оптимизации основных параметров приборов, таких, как коэффициент полезного действия, коэффициент усиления, диапазон частот. Наряду с этим одним из важнейших требований потребителей современных электровакуумных приборов является улучшение их массогабаритных характеристик.

Ключевым для функционирования ЭВП является процесс взаимодействия СВЧ-сигнала с электронным пучком. Являясь источником энергии для усиления сигнала, электронный пучок в случае оседания на стенках пролетных каналов, способен вывести прибор из строя. Для обеспечения магнитного сопровождения пучка по длине пространства взаимодействия применяются системы магнитной фокусировки и сопровождения. Принцип магнитной фокусировки электронного потока основан на взаимодействии магнитного поля с электронами пучка [1]. В настоящее время наиболее перспективными являются магнитные системы на основе постоянных магнитов, так как позволяют значительно улучшить массогабаритные характеристики современных конструкций ЭВП по сравнению с аналогами, использующими соленоиды. Кроме того, подобные системы не требуют дополнительного источника питания, относительно просты в изготовлении и наладке [2].

Как следует из анализа публикаций в отечественной и зарубежной литературе за последние 30 лет, получение высоких выходных характеристик клистронов, ламп бегущей и стоячей волны, магнетронов, гиротронов и других ЭВП невозможно без тщательной проработки отдельных функциональных узлов ЭВП. В связи с этим разработка такого важного функционального узла, как магнитная система, остается актуальной задачей, определяющей в конечном счете конкурентоспособность и востребованность приборов.

Особенно перспективно использование магнитотвердых материалов на основе сплавов неодима с железом и бором (ЪТс1РеВ), обладающих по сравнению с магнитами из сплавов самарий-кобальт (8тСо) более высокими энергетическими характеристиками, повышенной объемной однородностью свойств и более низкой стоимостью [3,4].

Ограничения на массу и габариты разрабатываемых ЭВП, накладываемые заказчиками современной аппаратуры, и использование в ЭВП фокусирующих систем на постоянных магнитах на основе более дорогостоящих, по сравнению со сплавами АГ№Со или феррита бария, редкоземельных материалов, вызывают необходимость в оптимизации конструкции этих магнитных систем.

Задача получения необходимого распределения магнитного поля в рабочих областях электродинамических систем ЭВП с использованием постоянных магнитов на основе РЗМ сопряжена с рядом проблем, связанных с особенностями материала и конструкции.

Для получения в рабочих каналах ЭВП требуемого продольного (вдоль оси канала) магнитного поля с высокой однородностью, стабильного по времени и не меняющегося под воздействием внешних факторов, необходимо, основываясь на знании структуры и свойств постоянных магнитов из редкоземельных материалов, использовать обоснованные методы и принципы сборки и настройки магнитных систем ЭВП [2-4].

Анализ специальной литературы, описывающей различные способы проектирования, создания и настройки магнитных систем из постоянных магнитов показал, что на практике при проектировании, сборке и настройке

МФС возникают трудности в связи с отсутствием четко сформулированных методов реализации этих процессов при построении МФС ЭВП. Это особенно заметно при использовании в магнитных системах магнитов на основе сплава КсШеВ. В силу того, что этот сплав является относительно новым материалом при изготовлении магнитов (широкое применение данный сплав получил с 1985 года), возникла необходимость более строгого рассмотрения существующих подходов, моделей и методов проектирования и настройки МС на их основе. Поэтому целью диссертационной работы являлось исследование и совершенствование существующих и разработка новых моделей и методов настройки параметров фокусирующей магнитной системы, обеспечивающих более эффективное использование магнитного материала, уменьшение негативного влияния поглощающих покрытий на магнитное поле, снижение времени технологических операций настройки МС ЭВП, а также повышение однородности, стабильности параметров магнитного поля МФС, улучшение характеристик приборов.

Исходя из поставленной цели, в диссертационной работе были рассмотрены и решены следующие основные задачи:

1. Разработаны рекомендации по нанесению поглощающего покрытия на внутренние стенки резонаторов, позволяющие уменьшить влияние этого покрытия на магнитное поле вблизи пролетных каналов, и препятствующих оседанию электронного потока.

2. Выработаны рекомендации по настройке магнитных систем с использованием дополнительных внешних магнитопроводов, позволяющих добиться распределения фокусирующего магнитного поля, способствующего наилучшему прохождению электронного потока.

3. Выработаны рекомендации по конструированию МС ЭВП и настройке параметров поля магнитных систем.

При решении поставленных задач в настоящей работе использованы численные методы анализа стационарных магнитных полей и моделирования электронных пучков, основанные на методах конечно разностных сеток и конечно-разностных элементов, реализованные в существующих на данный момент программных комплексах «Оптика», «Алмаз», «ЭРА», «ВЕМБ» и др [37-39].

Экспериментальные исследования магнитных систем осуществлялись с использованием программно-аппаратного комплекса «Медиана-М»[36], обеспечивающего измерение продольной составляющей магнитного поля в диапазоне 100-20000Гс и поперечной составляющей в диапазоне 10-500Гс с точностью не хуже ±1.5%.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием обоснованных алгоритмов расчетов МФС ЭВП и подтверждена соответствием результатов расчетов, полученных в ходе использования различных программных средств, результатам экспериментальных измерений, а так же результатами внедрения в производство ряда образцов МФС ЭВП.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые проведено комплексное исследование с использованием экспериментальных и численных методов влияния альсиферового поглощающего покрытия на магнитное поле и, как следствие, на прохождение электронного потока через пролетные каналы прибора.

Предложены методы уменьшения этого влияния и методы использования поглощающего покрытия для оптимизации распределения индукции магнитного поля.

2. Исследовано влияние дополнительных внешних магнитопроводов на продольное и поперечные компоненты индукции магнитного поля многолучевых клистронов. Разработана методика настройки продольной и радиальной составляющей магнитного поля в рабочих зазорах МФС ЭВП, позволяющая существенно сократить длительность этой операции на стадии производственной наладки прибора.

3. Предложены и реализованы в виде конструктивных решений магнитные системы для ЭВП, защищенные патентами [7,8,46] и примененные в разработках для ЭВП.

Практическая значимость диссертационной работы связана с тем, что:

1. Предложена и апробирована методика нанесения альсиферового поглощающего покрытия, позволяющая уменьшить, оптимизировать или полностью исключить влияние покрытия на магнитное поле МС, улучшив, таким образом, расчетное прохождение электронного пучка.

2. Выработаны практические рекомендации по установке дополнительных внешних магнитопроводов на МС, позволяющие учитывать их влияние не только на промежуток, в котором они установлены, но и на остальные рабочие промежутки магнитного поля, предоставляя, таким образом, возможность оптимизации рабочего времени при производственной наладке ЭВП.

3. Согласно описанной обобщенной методике, найдены и реализованы конструктивные решения МФС миниатюрных усилительных клистронов «Автокатод-ТТ», «Форма-М» [46], спроектирована магнитная система сверхмощного магнетрона «Базис» [7,8], проведена оптимизация магнитных систем для приборов «Арена», «Аид» и др., позволившая провести оптимизацию объема РЗМ при изготовлении данных МФС.

Предложенные методики и выводы из проведенных в работе исследований могут использоваться для дальнейших разработок и совершенствования МС ЭВП на постоянных магнитах.

Личный вклад автора связан с выполнением в полном объеме, либо активном участии во всех приведенных в работе расчетах и экспериментальных исследованиях, анализом полученных результатов. Кроме того ему принадлежит разработка методик проектирования и настройки МФС ЭВП, их практическая реализация. Автор принимал непосредственное участие в процессах сборки и настройки МФС.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 58 наименований. Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 2 таблицы. Приложения изложены на 3-х страницах машинописного текста.

Основные результаты, представленные в данной работе ,можно сформулировать в виде следующих выводов:

1. Обобщенная методика, рассмотренная в данной работе представляет собой последовательность операций численного расчета и компьютерного моделирования, результаты которых были соотнесены с экспериментальными исследованиями для подтверждения их достоверности, позволяет ускорить процесс разработки, максимально приблизить результаты к экспериментальным даже для сложных МС с отсутствием аксиальной симметрии.

2. Предложенная методика нанесения слоя поглощающего покрытия позволит повысить характеристики выпускаемых и разрабатываемых

ЭВП за счет снижения влияния магнитомягкого поглощающего слоя на характер индукции магнитного поля. В отдельных же случаях, нанесение поглощающего покрытия можно использовать для корректировки магнитного поля. Например, в случае необходимости близкого расположения соседних магнитных колец, для компенсации характерного пика индукции в центре рабочего промежутка. 3. Проведенные исследования влияния магнитомягких шунтов на магнитное поле МС позволяют, установив зависимость для какого-либо типа приборов, учитывать изменение величины индукции магнитного поля во всех рабочих промежутках системы при настройке МС, добиваясь таким образом уменьшения времени, затрачиваемого на настройку системы.

Вопросы, рассматриваемые в настоящей диссертации, а также полученные практические результаты обсуждались на НТС ФГУП «НПП «Торий» и получили положительную оценку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С.И.Молоковский, А.Д.Сушков Интенсивные электронные и ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1991. 303 с.

2. Дормидонтов А.Г. Применение магнитов типа Nd-Fe-B в электровакуумном приборостроении // Бюллетень Магнитного Общества. 2003. №1. Т.4.

3. Мищенко A.C., Тишин A.M. Перспективные материалы для постоянных магнитов. URL: http://www.ndfeb.ru/articles/permmag.hlm

4. Лукин A.A., Дормидонтов А.Г., Егоров.М. Перспективные материалы для постоянных магнитов. Обзор. Сер.8. М.: Поиск. 1992. с. 100

5. Лебедев А.Н., Шальнов А.Н. Основы физики и техники ускорителей: Учеб. пособие для вузов. В 3-х т. Т. 2. Циклические ускорители. — М.: Энергоиздат, 1982.

6. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы / И.Е. Иродов. — 4-е изд., испр., — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.

7. Акимов П.И., Гузилов И.А., Козырев. Д.В., Сенатов О.И., и др. Магнетрон с длинным анодом. Патент РФ № 82932. Дата регистрации 10.05.2009г.

8. Акимов П.И., Гузилов И.А., Козырев Д.В., Сенатов О.И., и др. Многорезонаторный магнетрон. Патент РФ №2341844. Дата регистрации 20.12.2008г.

9. Buschow K.H.J. New development in hard magnetic materials Rep. Prog. Phys. -1991. vol.54, №9. - P. 1124-1214

10. Коген-Далин B.B., Комаров E.B. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977

11. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М.: Энергия,1964.

12. М. А. Тиунов, Б. М. Фомель Расчет трехмерных магнитных систем с железом. Новосибирск: ИЯФ, 1983

13. Фролов В.Н., Маслов А.Н., Кудреватых Н.В. Расчет магнитного поля в системах из постоянных магнитов и магнитно-мягких элементов. «Электротехника». №10. 1999.

14. И.И. Голеницкий. Электронно-оптические системы электровакуумных приборов СВЧ и методы их расчета. // Сб. лекций в 4-х томах под редакцией Королева А.Н. М.: ФГУП «НЛП «Исток». 2004.

15. Кошаев Б.Г.,Молоковский С.И. Расчет аксиально-симметричных магнитных фокусирующих систем с постоянными магнитами. // Электронная техника, сер.1 СВЧ-техника.1975. Вып. 7, С. 51-63.

16. Г.А. Шнеерсон Конфигурации осесимметричных квазибессиловых магнитных систем. ЖТФ. 2008. Т.78. Вып. 10. С. 19-28.

17. Д. Норри, Ж де Фриз Введение в метод конечных элементов. М.: «Мир». 1981.

18. Ж. К. Сабоннадьер, Ж. JI. Кулон Метод конечных элементов и САПР. Hermes Publishing, 1986. Пер. к. т. н В. А. Соколова, М. Б. Блеер. Под ред. д.т.н Э.К. Стрельбицкого. М.: «Мир». 1989

19. LIU Jin-fang, Heeju Choi, Michael Walmer «Design of Permanent magnet systems using Finite element Analysis» , Proceeding of 19th International Workshop on Rare Earth Permanent Magnets& Their Applications, Beijing. China, 2006.

20. Е.П. Жидков, О.И. Юлдашев, М.Б. Юлдашева ОИЯИ Дубна О контроле точности вычислений при моделировании пространственных магнитных полей // Вестник РУДН, Сер. «Прикладная и компьютерная тематика». Т.4. №1. 2005. С. 93-101.

21. Halbach «Design of permanent multipole magnets with oriented rare eath cobalt material», Nuclear instruments and methods 169 (1980) 1-10

22. K. Halbach «Accelerator», Conf, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-26 (1979)3882.

23. Клевец Н.И. Синтез систем с высококоэрцитивными магнитами по максимуму потока: Кандидатская диссертация. Киев. 1989.

24. Klevets N.I. «Synthesis of magnetic systems producing field with maximal scalar haracteristics», JMMM,285 (2005) 401.

25. Klevets N.I. Optimal design of magnetic systems. JMMM, 306 (2006)281

26. Н.И. Клевец, И.А. Афанасьева Синтез магнитной системы вентиля Фарадея // XVII Международная конференция по постоянным магнитам. Суздаль. 2009.

27. Копелиович Д.Б., Мельников Ю.П. Регулируемый генератор магнитного поля на основе структур Хальбаха. Патент РФ №: 2008101943. Дата регистрации 25.01.2008.

28. Каневский Е.И., Майорова Е.А., Романов О.И. Связь между поперечной составляющей фокусирующего магнитного поля и токооседанием электронного потока // Электронная техника. Сер.1: «СВЧ-техника». 1970 Вып. 6. С.51-59.

29. И.В. Лебедев Техника и приборы СВЧ. Т. 1,2. М.: Высшая школа. 1970.314с.

30. И.В. Алямовский, Электронные пучки и электронные пушки. М.: Советское радио. 1966. 287с.

31. Рабинович Я. Д., Герберг А. Н. Машинное проектирование оптимальных магнитов из материала с постоянной намагниченностью. М.: Электромеханика. №10. 1973.

32. Рабинович Я.Д., Герберг А.Н. Принцип взаимности и оптимальные конструкции постоянных магнитов. М.: Электромеханика. №7. 1980.

33. Курбатов П.А., Аринчин С.А Численный расчет электромагнитных полей. М.: Энергоатомиздат. 1984.

34. Е.И. Каневский Определение оптимальности конструкций магнитных систем // XVII Международная конференция по постоянным магнитам. Суздаль. 2009.

35. Лаврентьев Ю.В. Методика приближенного расчета составляющих индукции трехмерного магнитного поля и особенность ее применения в установке «Медиана-1». М.: «Электроника СВЧ» Вып.7. 1979. С.85-88.

36. Ильин В.П. Численные методы решения задач электрофизики. М.: Наука. 1985. С.334

37. Горбенко Н.И., Ильин В.П., Попова Г.С., Свешников В.М. Пакет программ ЭРА для автоматизации электрооптических расчетов // Численные методы решения задач электронной оптики. Новосибирск. 1979. С.34-60.

38. Акимов П.И., Панибрацкий В.А., Свешников В.М. Пакет прикладных программ расчета вакуумных и плазменных источников зараженных частиц на персональных ЭВМ. // Тез.докл Всесоюзного семинара по методам расчета ЭОС. Львов, 1990, cl 14.

39. Акимов П.И. Особенности проектирования электронных пушек для пучково-плазменных СВЧ-приборов // Сб. научных трудов. Научная сессия МИФИ-2001. Т.8. Москва, 2001. С.54-55.

40. Дзагуров Л.Ю., Коваленко Ю.А. Численное моделирование электронно-оптических систем с газовым наполнением // Радиотехника и электроника. 1987. Т.32. №4. С.847.

41. Westermann Т. Numerical modeling of the stationary Maxwell-Lorentz system in technical devices // Internat. J. Numerical Modeling Electronic Networks, Devices and Fields. 1994. -vol.7. P.43.

42. Овчаров В.Т., Невский П.В., Соколов А.И. Синтез электронно-оптических систем с удобными для практики формами электродов // Электрон, техника. Сер. Электроника СВЧ. 1978. Вып.8. С.54.

43. Козырев Д.В., Невский П.В., Фрейдович И.А. Многолучевой пакетированный клистрон. Патент РФ №78986. Дата регистрации 10.12.2008г.

44. Акимов П.И., Сыровой В.А., Цхай А.Б. Синтез электродов, формирующих осесимметричные электронные потоки // «Радиотехника и электроника», вып.7, 1985. С 1409-1417.

45. Акимов П.И., Цхай А.Б. Расчет электронно-оптических систем, формирующих осесимметричные потоки // «Современные методы расчета ЭОС» Доклады VIII Всесоюзного семинара по методам расчета электронно-оптических систем. Ленинград, 1986.

46. Акимов П.И., Осипова Т.П. Исследование вопросов точности численного анализа высокопервеансных ЭОС // Тезисы докладов XI Всесоюзной научной конференции по электронике СВЧ. Орджоникидзе. 1986., С.177.

47. Акимов П.И., Осипова Г.П., Сыровой В.А. Проблемы повышения точности программ траекторного анализа интенсивных электронных пучков // Ж. вычислит, математики и математ. Физики, т.29, ТЗ, 1989, С.405-422.

48. Глебов В.В., Жаринов A.B., Малафаев В.А., Новичков Д.Н. Проблемы транспорта энергии электронным пучком // Труды ВЭИ, 1984.

49. Малафаев В.А., Новичков Д.Н., Равновесные состояния заряженного электронного пучка в продольном магнитном поле Материалы Всесоюзной научно-технической конференции. М.: ВЭИ им. Ленина, 1981, с.79.

50. Копелиович Д.Б., Мельников Ю.П. Регулируемый генератор магнитного поля на основе структур Хальбаха, Патент РФ №: 2008101943. Дата регистрации 25.01.2008.

51. Акимов П.И., Козырев Д.В., Сенатов О.Ю., Терентьев Д.А. Магнитная система, как фактор, влияющий на выбор конструкции сверхмощных магнетронов для мобильных источников СВЧ-мощности. «Прикладная физика». М.: 2008. С 149-153

52. Акимов П.И., Козырев Д.В., Терентьев Д.А., и др. Магнитные системы на основе магнитотвердых сплавов неодима с железом и бором «Прикладная физика» №3. М.: 2010. С 127-132

53. Акимов П.И., Козырев Д.В., Лукин A.A., Сергеев К.Л. Методы снижения уровня радиальной составляющей магнитной индукции на оси рабочих каналов магнитных фокусирующих систем электровакуумных приборов «Прикладная физика» №3, 2010, с.79-83.