Магнитные системы многолучевых СВЧ-приборов О-типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Козырев, Денис Васильевич

• Козырев, Денис Васильевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козырев, Денис Васильевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитные системы многолучевых СВЧ-приборов О-типа»

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.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Козырев, Денис Васильевич

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козырев, Денис Васильевич, 2011 год

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.