Tuburi moderne cu undă, designul lor, principiile fizice și a parametrilor
1. Introducere
Calatorind tuburi cu undă (TWT) sunt dispozitive de vacuum frecvență ultraînaltă (UHF) care realizează transformarea energiei cinetice a electronilor care se deplasează în vid la energia câmpului electromagnetic prin interacțiunea electronilor cu unda electromagnetică. Ca clistroane dispozitivele TWT sunt O-tip - direcția intensitatea câmpului electric coincide cu direcția de intensitatea câmpului magnetic care formează [1]. Dispozitivele de tip M (dispozitive magnetron) se transformă energia potențială a electronilor în energia câmpului electromagnetic sub acțiunea unei „încrucișate“ (perpendicular) a câmpurilor electrice și magnetice.
2. Principiile de bază ale funcționării TWT
TWT sunt dispozitive non-rezonante cu interacțiune pe termen lung, în care sincronismul observată
- viteza de electroni, m / s, (2)
# 965; f - viteza de fază a undei electromagnetice;
- raportul dintre sarcina electronului la masă;
- accelerarea V. tensiune
în (2), am estimat ecuația:
# 965; ≈ 5,95 # 8729; 10 mai
Dacă încercați să pună în aplicare principiul de potrivire în linii de transmisie, în care unda electromagnetică se propagă cu o viteză de fază apropiată de viteza luminii, aceasta va necesita o tensiune de accelerare de aproximativ 250 000 B. Pentru a face astfel de dispozitive nepractice (cu excepția tensiune foarte mare - o masă mare de nesiguranță și de rezistență electrică, dăunătoare # 947; radiații etc.) ..
Prin urmare, linia specială de decelerare utilizate în TWT - încetinirea sistemului (SWS). Ca un exemplu, ia în considerare un mecanism de încetinire într-o spirală.
Fig. 1. Mecanism lent undelor electromagnetice într-o spirală
Într-o anumită aproximație se poate presupune că unda se deplasează printr-un fir la o rată de „c“ de lumină, atunci
Prin urmare, vom găsi coeficientul de decelerare al undei electromagnetice:
Fig. 6. Conducerea sistemului optic de electroni:
I-regiune a tunului de electroni; regiunea II-tranziție; Regiunea partea III-regulată (regiune a interacțiunii fasciculului de electroni cu câmpul electromagnetic); colector IV-area
În ciuda simplității formulei, care include numai magnitudinea curentului de emisie de la catod (Ik) și o tensiune de accelerare (Uo), The perveance - aceasta este pur și simplu un parametru de proiectare a oricăror alte dispozitive electronice. Valoarea sa este determinată de configurația de electrozi din tun de electroni și distanța dintre catod și sistemul retardare. Perveance depinde de alegerea canalelor travee, configurația de focalizare colector câmp magnetic, și așa mai departe. D.
Valorile pentru o singură grindă perveance TWT o gamă largă: de la 0,1 x 10 -6-1.6 × 10 -6 A / B de 3/2.
Pentru valori mici ale perveance fasciculului de electroni scade eficiența interacțiunii cu câmpul electromagnetic (din cauza unui număr insuficient de electroni care interacționează). Aceasta, la rândul său, duce la o scădere a eficienței, crește lungimea geometrică pentru a asigura un câștig predeterminat și la alte fenomene neplăcute, cum ar fi un impact de viteză mai mare răspândire a electronilor în parametrii de ieșire ai TWT.
În ciuda acestui fapt, reducerea perveance necesară doar în cazul unor secțiuni foarte mici cuprind canale, în special în intervalul de milimetri lungime de undă, sau incapacitatea de a oferi un câmp magnetic de focalizare predeterminată.
Mod de preparare valori mari perveance datorită necesității câmpului magnetic focalizare spațierea mari și mici interelectrodic (probabilitate crescută de detalieri interelectrodic). Cu o creștere de întreținere perveance complicată a eficienței interacțiunilor fascicul de electroni cu câmpul electromagnetic, datorită efectului de sarcină spațială (repulsia de electroni crește în fascicul).
În același timp valori ridicate perveance în dispozitive de fază unică sunt necesare în necesitatea de a obține de mare putere, în principal în domeniul de funcționare lungime de undă lungă.
Valori medii perveance TWT este în intervalul (0, 0,8 ... 3) × 10 -6 A / B de 3/2.
tun electronic
Tunul de electroni generează, de regulă, diametrul fasciculului de electroni convergent. Faptul că, în majoritatea TWT canalului de tranzit cu diametrul mai mic decât diametrul părții care emite catodului. Acest lucru se datorează necesității de a asigura o interacțiune mai eficientă cu cantități suficient de mari de electroni. Dorința de a folosi o suficient de mari catozilor diametru datorită dorinței de a reduce densitatea de curent la catod și pentru a crește distanta dintre electrozii pentru a reduce posibilitatea de avarii. O caracteristică importantă a pistoalelor de electroni este o densitate a curentului catodic (A / cm2). Creșterea densității de curent a catodului, în plus față de dificultățile pur tehnice asociate cu un material de cheltuieli care emit mai rapidă a catodului, prin urmare, la o scădere a duratei de viață a întregului dispozitiv.
Densitatea medie actuală a mai catod TWT singur fascicul nu depășește 3 ... 5 A / cm 2. Aceste valori furnizează câteva zeci de mii de ore de funcționare fără probleme a dispozitivului pe catozii moderne. Pe baza diferenței de diametru de canale care migreaza si catod pentru a asigura buna suprafață convergenta fasciculului catozilor mai făcut TWT formă sferică. În literatura de specialitate, convergența fasciculului este definită ca (Rc / Rn) 2. unde Rk - catod rază, Rj - raza efectivă a fasciculului. În practică, convergența medie a fasciculului este egal cu aproximativ 50, în cazuri rare depășește 100. Uneori experimentele efectuate pentru a realiza convergența în intervalul de la 100 până la 500.
În funcție de modul selectat designul TWT al tunului de electroni. În funcționarea continuă o configurație tipică a tunului electronic prezentat în Fig. 6. Adesea cu electrod numit „anod“ este folosit ca electrod de control. Mai este discutată mai jos.
În modul pulsatoriu, lampa trebuie prevăzută o metodă de modulare a fasciculului de electroni, adică. E. Blocarea completă, pauza dintre impulsuri și asigurând fasciculul de electroni normal, cu un flux de curent bun în timpul impulsului. Există metode pentru modularea ca urmare a fasciculului de electroni: modularea catod; modulării pe electrodul de comandă (anod); Modularea folosind un electrod „pin-inel“; modulării grilă.
De fapt, modulată de o tensiune de accelerare negativă aplicată la catod (AP la pământ). Modularea tensiune conduce catod modularea fasciculului de electroni. Această tehnică de modulare este rar folosit, deoarece în primul rând, în acest caz, ar trebui să fie modulatorului pentru tensiuni la curent de sarcină maximă, rezultând necesitatea unui modulator de mare putere și distrage-l de căldura disipată. În al doilea rând, atunci când impulsurile catod modulare în creștere și declinul oscilația parazitare poate avea loc (la margine), care strică spectrul semnalului amplificat.
Modularea anod
În acest caz, ca și pentru blocarea fasciculului de electroni este necesară pentru a furniza o tensiune aproape completă de blocare. Cu toate acestea, spre deosebire de cazul precedent, modul de modulație este deconectat de la, permițând sarcini termice ușor mai scăzute în modulator. Cu toate acestea, unul dintre principalele obiective ale modularea fasciculului de electroni este de a reduce valoarea absolută a tensiunii modulatoare.
Nu trebuie să uităm că tensiunea de curent alternativ sursa de energie furnizată plăcile condensatorului,
unde C - capacitate condensator; U - tensiune la bornele plăcilor.
Reducerea mărimea tensiunii modulatoare este atins atunci când următoarele două tipuri de modulare.
Modulation folosind un electrod "pin-ring"
Fig. 7 ilustrează schematic un catod cu un „pin“. Modulatoare PIN-ul este la același potențial la electrodul de focalizare și o tensiune modulatoare este aplicată între electrodul catod și „pin-ring“.
Tabelul prezintă valorile medii. Există cazuri în care modularea controlează curenții anodului de până la 99 ... 99,5%, în timp modulare grila - 85 ... 92%.
Pe baza celor de mai sus, putem trage următoarele concluzii.
Apropierea elementului modulatoare la catod conduce la o reducere a tensiunii modulatoare, cu toate acestea, influența sa asupra emisiei deranjante de electroni semnificativ (în special pentru dispozitive de mare putere) reduce curenții fascicul de electroni a colectorului.
Acum există fără succes, caută tehnici de modulație care păstrează avantajele toate cazurile raportate.
Metodele de magnetice de focalizare a fasciculului de electroni
Este cunoscut faptul că raza Brillouin raporturi de curgere de electroni
Această relație poate fi utilizată pentru calcularea Brillouin cel mai mic câmp magnetic posibil este necesară pentru a focaliza raza fasciculului
cu un curent I și tensiunea U (câmpul Brillouin, al cărui inducție este notată WB):
;
Desigur, obiectivul principal în timpul formării câmpului magnetic de focalizare este, în mod ideal, nu conține componente de câmp transversal (componentele câmpului magnetic transversal trebuie să fie minim).
Există patru magnetice de sistem generator de câmp electromagnetic în TWT:
2) magneți permanenți;
3) Sistem magnetic reversibil;
4) sistem magnetic periodic focalizare (MPFS).
Cel mai aproape de ideal este posibil să se formeze un câmp magnetic în solenoid. Fasciculul de electroni devine aproape de un flux laminar (uniform fără swirl). Crește raza efectivă a fasciculului de electroni, eficiența crește interacțiune. Cu toate acestea, până de curând, utilizate pe grele solenoizi TWT de câteva zeci de kilowați sau mai mult. Utilizarea lor este limitată la dimensiuni mari și caracteristici de greutate, necesitatea de a utiliza de mare curent de alimentare cu energie suplimentară reglementată.
așa-numitele solenoizi „integrale“ Recent, a fost utilizat, t. folie E. Busbar sau sârmă este înfășurat pe corpul TWT efectiv (sârmă rana reală pe un „biscuit“, etanș lămpi coajă). Acest lucru ne-a permis să TWT ambalate cu solenoid oarecum reduce greutatea acesteia și, astfel, extinde sfera de aplicare a acesteia.
magneți permanenți
Componentele din transversali magneți permanenți este puțin mai mare decât solenoid, dar este posibil să se formeze un domeniu mai mult sau mai puțin omogenă. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, nu este folosit, din cauza nevoii de o masă mare de magneți. TWT se referă la dispozitive cu un spațiu de interacțiune extinse. De aceea, de exemplu, creșterea lungimii dispozitivului de N ori în comparație cu alte dispozitive conduce la o creștere a greutății magneților 3 N ori.
magneți permanenți sunt folosiți în intervalul partea scurtă de funcționare (lungimi de undă milimetrice) și tuburi scurte, în cazul în care obținerea de rezultate semnificative este mai importantă decât creșterea masei.
Sistem magnetic reversibil și MPFS
Aceste sisteme magnetice sunt construite prin crearea unui magnet inelar pe bază de celule de-a lungul spațiului de interacțiune. Diferența este că sistemul de inversă numărul de astfel de celule este mult (și, uneori, un ordin de mărime) mai mică de MPFS. Câștigul în greutate se obține prin schimbarea polarității inducției magnetice la marginea fiecărui magnet inelar. În acest caz, o creștere a lungimii dispozitivului de N ori duce la o creștere a greutății în N ori. Desigur, reducerea numărului de perioade conduce la necesitatea de a crește greutatea magneților, adică. Sistemul invers E. Masa pentru aceeași lampă înainte MPFS.
Fig. 9 prezintă o construcție MPFS schematică și distribuție sinusoidală a inducției câmpului magnetic.
Fig. 9. Conducerea și MPFS distribuție sinusoidală a inducției magnetice
Trebuie remarcat faptul că în fig. 9, diametrul magnetului inelar este mai mică decât piesa polară (de fapt, o diferență de 0,2 ... 0,4 mm). Desigur, o astfel de construcție duce la creșterea dispersiei câmpurilor și pierderea inducției magnetice la 10 ... 15%. Dar, pentru același motiv, devine setarea mai confortabilă a dispozitivului în modul dinamic curenții maxime de. In plus designul TWT devine mai rezistent la factorii mecanici externi (șoc, vibrații, și așa mai departe. D.).
zone MPFS de aplicare conduce la stabilă (bună focalizare) și instabilă (dispersare cu fascicul de electroni) a instrumentului.
Aceste zone sunt determinate de amploarea U0 tensiune de accelerare. valoarea maximă a inducției magnetice la sistemul de axa L. Perioada și sistemul magnetic este introdus așa-numitul parametru de câmp magnetic
Teoretic, prima regiune de stabilitate este în intervalul de valori # 947; 0-0.66. Aproape limita acestei zone este aproape de 0,43.
Existența unor regiuni stabile și instabile de funcționare al aparatului poate fi explicată după cum urmează. În imediata apropiere a punctelor 1, 2, 3, 4, 5 (Fig. 10), valoarea inducției magnetice este aproape de zero.