Исследование путей создания мощных усилительных и генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Трухачев, Иван Михайлович

• Трухачев, Иван Михайлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трухачев, Иван Михайлович

Введение.

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

1.1 Электронно-лучевые вентили.

1.2 Обзор мощных генераторных ламп.

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

Глава 2. Исследование импульсных характеристик электронно-лучевых вентилей.

2.1 Создание стенда импульсных испытаний.

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

2.3 Модернизация стенда импульсных испытаний.

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

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

3.1.1 Стенд статических испытаний.

3.1.2 Исследование характеристик и параметров ЭЛВ 4/40.

3.1.3 Исследование характеристик и параметров ЭЛВ 50/100.

3.1.4 Исследование характеристик электронно-лучевого вентиля

ЭЛВ 2/200.

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

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

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

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

4.2 Макет генераторной лампы и его исследование в статическом режиме.

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

4.2.2 Результаты исследования ЭЛГ 500/40 в статическом режиме.

4.2.3 Результаты исследования тепловых режимов макета ЭЛГ 500/40.

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

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

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

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

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

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

4.4.2 Анализ пролетных явлений в ЭЛГ 500/40.

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

4.5 Технические предложения по созданию высокочастотной генераторной лампы.

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

4.5.2 Обоснование конструкции модернизированного варианта

ЭЛГ 500/40.

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

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

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование путей создания мощных усилительных и генераторных ламп с повышенным КПД за счет торможения электронов на аноде»

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

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

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

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

1 У^+У^ .

77 = 1—----= 1 ■ Л

V7и. и.

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Трухачев, Иван Михайлович

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трухачев, Иван Михайлович, 2009 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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