Транспортировка интенсивных электронных потоков в магнитных фокусирующих системах со сложной периодической структурой поля в мощных электровакуумных приборах O-типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Дармаев Александр Николаевич

• Дармаев Александр Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Дармаев Александр Николаевич

Введение

Глава 1. Фокусировка интенсивных электронных потоков в знакопеременных магнитных полях со сложной структурой магнитного поля в ячейке

1.1. Исследование фокусировки электронного потока в периодически меняющемся магнитном поле при наличии в нем высших гармонических составляющих

Распределение магнитного поля с одной гармоникой

1.1.2. Распределение магнитного поля с первой и третьей гармоникой

1.1.3. Распределение с первой, третьей и пятой гармоникой

1.1.4. Распределение с первой, третьей, пятой и седьмой гармоникой

1.1.5. Распределение с первой, третьей, пятой, седьмой и девятой гармоникой

1.2. Определение спектра гармоник в распределении магнитного поля МПФС с магнитомягкими вставками между полюсными наконечниками

1.2.1. Решение уравнения Лапласа для магнитного скалярного потенциала в приосевой области, ограниченной полюсными наконечниками МПФС

1.2.2. Определение распределения магнитного поля в МПФС с магнитомягкой вставкой

1.2.3. Определение распределения магнитного поля в МПФС с двумя магнитомягкими вставками

1.2.4. Определение распределения магнитного поля в МПФС с тремя магнитомягкими вставками

1.2.5. Определение распределения магнитного поля в МПФС с произвольным количеством магнитомягких вставок

1.3. Исследование спектрального состава магнитного поля в ячейках МПФС с магнитомягкими вставками

1.3.1. МПФС без магнитомягких вставок

1.3.2. МПФС с одной магнитомягкой вставкой

1.3.3. МПФС с двумя магнитомягкими вставками

1.3.4. МПФС с тремя магнитомягкими вставками

1.4. Решение задачи о распределении магнитного поля в ячейках МПФС с разной намагниченностью магнитов и неодинаковыми магнитомягкими вставками

1.4.1. МПФС с одной вставкой

1.4.2. МПФС с двумя вставками и неодинаковой намагниченностью магнитов в ячейке

1.4.2. МПФС с тремя вставками и неодинаковой намагниченностью магнитов в ячейке

1.5. Исследование влияния спектрального состава магнитного поля в ячейках МПФС с неодинаковой протяженностью магнитомягких вставок и неодинаковой намагниченностью магнитов

Выводы

Глава 2. Экспериментальные исследования фокусировки электронных потоков в периодических магнитных полях с несинусоидальным распределением

2.1. Разработка конструкции ЛБВ с МПФС, содержащей высшие гармонические составляющие

2.2. Расчеты ЭОС с МПФС, содержащей высшие гармонические составляющие и разработка макетов

2.3. Разработка установки контроля термостабильности магнитотвердых материалов

2.4. Модернизация установки для измерения магнитных полей

2.5. Экспериментальное исследование макетов ЭОС с МПФС

Выводы

Глава 3. Фокусировка интенсивных электронных потоков в реверсных магнитных полях одно- и многолучевых приборов О-типа

3.1. Исследование фокусировки электронного потока магнитными фокусирующими системами с реверсной структурой магнитного поля

3.2. Определение спектра гармоник в распределении магнитного поля в ячейке реверсной магнитной системы

3.3. Определение спектра гармоник в распределении магнитного поля в ячейке реверсной магнитной системы с кольцевой вставкой из магнитомягкого материала

Выводы

Глава 4. Исследование транспортировки электронных потоков в многолучевых ЭОС с реверсной фокусировкой

4.1. Управление структурой магнитного поля в реверсных фокусирующих системах с помощью настроечных элементов

4.2. Исследование структуры магнитного поля в реверсных фокусирующих системах с вспомогательными магнитомягкими настроечными элементами в трехмерной постановке

4.3. Исследование транспортировки электронного потока в реверсной фокусирующей системе в трехмерной постановке

4.4 Оптимизация параметров реверсной МФС для транспортировки электронного потока мощного многолучевого клистрона

Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Транспортировка интенсивных электронных потоков в магнитных фокусирующих системах со сложной периодической структурой поля в мощных электровакуумных приборах O-типа»

Введение

Анализ отечественных и зарубежных публикаций о состоянии развития современной электроники сверхвысоких частот (СВЧ) указывает на то, что, несмотря на успехи в разработке твёрдотельных мощных СВЧ модулей, применение их в системах требующих больших и сверхбольших выходных мощностей оказывается нецелесообразным или даже невозможным. Поэтому в таких системах продолжают находить широкое применение мощные электровакуумные приборы (ЭВП) СВЧ типа клистронов и ламп бегущей волны (ЛБВ). Возможность получения с их помощью СВЧ сигналов большой мощности, в широкой полосе частот, большие функциональные возможности в различных радиокомплексах, привлекают к ним внимание разработчиков систем РЭБ, космической связи и ряда других областей прикладной физики и техники. Одним из существенных факторов, сдерживающим дальнейшее развитие мощных вакуумных СВЧ приборов О-типа, является оседание электронного потока на элементы замедляющей или резонаторной системы. Это особенно характерно для приборов (клистронов или ЛБВ) с магнитной периодической (МПФС) и реверсной фокусировкой. Применение магнитных фокусирующих систем (МФС) на постоянных магнитах с периодическим полем позволяет существенно снизить массу прибора. Однако, для таких систем характерно наличие областей устойчивой и неустойчивой фокусировки, положение которых обусловлено параметрами МФС, такими как параметр магнитного поля и структура компонент индукции магнитного поля в ячейке МФС (наличие и величина высших гармонических составляющих).

Близость значений параметров, характеризующих устойчивость фокусировки электронного потока магнитным полем1, к критическому значению характерна

1 Например, для МПФС параметр магнитного поля а пропорциональный произведению амплитуды и периода магнитного поля в МФС и обратно пропорциональный ускоряющему напряжению

практически для всех современных мощных ЭВП СВЧ О-типа, независимо является ли электронный поток параксиальным (в однолучевых приборах) или развитым в радиальном направлении (в многолучевых приборах). Одним из направлений в преодолении этого ограничения является применение фокусирующих полей со сложной периодической структурой.

Исследования, проведенные за последние 25 лет в России, США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии привели к определенным успехам в понимании процессов транспортировки интенсивных электронных потоков в области пролетного канала. К настоящему времени имеется обширная библиография (см., например: [1-27]), в которых исследуются различные аспекты проектирования систем транспортировки аксиально-симметричных электронных пучков с помощью магнитных полей со сложной структурой. Так, рассмотрению вопросов, связанных с созданием магнитных систем со сложной структурой магнитного поля или различными аспектами фокусировки электронного потока в знакопеременных магнитных полях, посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей, таких как: И.В. Алямовский, В.Т. Овчаров, В.В. Пензяков, Ю.А. Калинин, Ю.А. Григорьев, Р.В. Спиридонов, И.И. Голеницкий, А.В. Голдецкий, Г.А. Рехен, В.С. Андрушкевич, Л.Э. Бахрах, Е.Н. Кобец, С.И. Левченко, П.В. Невский, П.И. Акимов, К.Л. Сергеев, И.А. Данович, С. Чен, К. Пёшль и многие другие.

С помощью тщательных экспериментальных исследований удалось создать одно- и многолучевые приборы с фокусировкой интенсивных электронных потоков магнитными полями сложной структуры, в том числе и с реверсным изменением магнитного поля вдоль канала транспортировки потока, с высоким уровнем токопрохождения на коллектор. Результаты анализа литературы в основном сводятся к следующему.

Традиционно в приборах О-типа для транспортировки электронного потока, например, ЛБВ, применялись МПФС с большим количеством периодов магнитного поля, распределением магнитного поля, близким к гармоническому

распределению, и параметром магнитного поля, при котором фокусировка потока происходило в так называемой первой зоне устойчивой фокусировки.

Одним из факторов, ограничивающих применение магнитных фокусирующих систем со сложной периодической структурой поля к моменту постановки диссертационной работы, являлось отсутствие, развитого в достаточной мере для практики проектирования, единого подхода к расчету устойчивости фокусировки электронного потока для различных систем со знакопеременным магнитным полем. Транспортировка интенсивных электронных потоков в магнитных полях со сложной структурой, в особенности в вакуумных многолучевых мощных СВЧ приборах, изучена далеко не полностью. Поэтому и в настоящее время появляются работы, в которых анализируется поведение подобных потоков. В связи с этим представляется весьма важным изучение таких систем транспортировки протяженных электронных потоков, где влияние структуры магнитных полей особенно велико. Это системы транспортировки потоков, использующих МПФС, при значениях параметров магнитного поля а, характеризующих эти системы, близким к критическим значениям, системы транспортировки одно- и многолучевых ЭОС с реверсной фокусировкой.

Актуальность исследования систем транспортировки протяженных электронных потоков указанных типов с практической точки зрения обусловлена тем, что именно они находят в последнее время наиболее широкое применение в приборах О-типа. Несмотря на достаточно большое количество теоретических работ, посвященных исследованию устойчивости транспортировки электронного потока в фокусирующих системах с отличающимся от гармонического распределением магнитного поля, а также ряд патентов, на момент постановки диссертационной работы отсутствовали простые, но математически обоснованные и одновременно удобные для применения соотношения для расчетов распределений магнитного поля и конструкций магнитных систем со сложной структурой поля. В этой связи разработка математических моделей и методик проектирования, позволяющих на основе исследований создавать

оптимальные магнитные периодические системы со сложной периодической структурой магнитного поля, которые способны обеспечить устойчивую транспортировку электронного потока при повышенных параметрах магнитного поля в современных мощных вакуумных СВЧ приборах - является актуальной задачей.

Все вышесказанное определило цель диссертационной работы, заключающуюся в исследовании физических процессов транспортировки интенсивных электронных потоков с помощью магнитных фокусирующих систем со сложной периодической структурой поля и разработке систем фокусировки электронных потоков, обеспечивающих устойчивую транспортировку электронных потоков в однолучевых или многолучевых приборах О-типа с низким уровнем оседания потока на пролетный канал.

Для достижения указанной цели представлялось необходимым решить следующие основные научно-технические задачи:

Получить приближенное аналитическое выражение, позволяющее определить гармонический состав фокусирующего поля, исключающий зоны параметрического резонанса при относительно высоких значениях параметра магнитного поля;

Получить приближенные аналитические выражения, позволяющие по заданным геометрическим размерам полюсных наконечников и магнитомягких вставок, а также расстояний между ними, определить гармонический состав фокусирующего поля;

Разработать методику, позволяющую по заданному гармоническому составу фокусирующего поля определить геометрические размеры полюсных наконечников и магнитомягких вставок, а также расстояния между ними, которые обеспечат такое поле;

Получить экспериментальное, а также с помощью строгих численных моделей, расчётное подтверждения тому, что использование фокусирующего поля со сложной периодической структурой, реализованное с помощью приведённых

аналитических выражений позволяет обеспечивать устойчивую транспортировку электронного потока по сравнению с гармоническим полем;

Создать методику оценки с единых позиций электронно-оптических систем с аксиально-симметричным пучком и систем с фокусировкой знакопеременными магнитными полями со сложной структурой. Данная методика прошла проверку на созданных мощных одно- и многолучевых приборах О-типа.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списков цитированной литературы и собственных работ автора. Материалы диссертации изложены на 202 страницах, содержат 86 рисунков и список цитированной литературы из 99 наименований.

В первой главе проведено теоретическое исследование вопросов, связанных с фокусировкой интенсивных электронных потоков в знакопеременных магнитных полях со сложной структурой магнитного поля в ячейке. В первом параграфе представлены результаты поиска таких структур в ячейках так называемых «совмещенных» МПФС, при которых могла быть осуществлена устойчивая фокусировка электронного потока с малыми пульсациями при высоких значениях параметра магнитного поля а. В предположении, что распределение осевой компоненты индукции магнитного поля в МПФС*-* может быть представлено в виде отрезка ряда, содержащего высшие гармонические составляющие (все амплитуды гармоник нормированы максимальным значением величины осевой компоненты индукции несинусоидального магнитного поля Ва), для исследования фокусировки электронного потока в МПФС было использовано параксиальное уравнение для границы ламинарного пучка с общепринятыми в научной литературе нормировками: Я=г/ар, 7=2пъ/Ь (Ь - период МПФС)

нЛ

Для величин гн/Ь>0,03 (2гн - внутренний диаметр наконечников) распределение продольной компоненты индукции магнитного поля МПФС достаточно точно может быть описано первыми пятью гармониками (см. например [15]).

нормированные значения координат, а параметры а и Pp - суть параметры магнитного поля и пространственного заряда соответственно.

Исходное уравнение является уравнением типа Хилла [2] и при некоторых значениях параметров электронно-оптической системы (а, Рр, Ь2„-1) демонстрирует параметрический резонанс. Наиболее «низкочастотный» резонанс связан со слагаемым, в которое входит cos2Z. Однако, как следует из анализа за счет соотношений между величинами гармоник Ь2п-1, можно сместить зоны резонансов в сторону больших значений параметра а. Это позволяет увеличивать амплитуду магнитного поля, не опасаясь повышения параметра а. Уменьшение пульсаций границы электронного потока в таком магнитном поле может быть достигнуто за счет оптимальных условий ввода потока.

На основе исследований проведенных с помощью численных расчетов были определены оптимальные структуры магнитного поля в ячейке МПФС для полученных различных наборов высших гармонических составляющих магнитного поля, а также зависимости оптимальных значений входного радиуса пучка Rвх и относительной амплитуды пульсаций А от параметра магнитного поля а.

Во втором параграфе получено приближенное решение задачи о спектральном составе гармоник в распределении магнитного поля в приосевой области, ограниченной полюсными наконечниками ячейки совмещенной МПФС с дополнительными вставками из магнитомягкого материала. В приближении бесконечной МПФС решалось уравнение Лапласа для магнитного скалярного потенциала без учета возможности насыщения материала полюсных наконечников. В результате были определены виды распределения магнитного поля в МПФС с произвольным количеством симметрично расположенных одинаковых вставок из магнитомягкого материала между полюсными наконечниками при одинаковых геометрических размерах ступиц вставок и полюсных наконечников.

В третьем параграфе проведено исследование спектрального состава магнитного поля в ячейках МПФС с магнитомягкими вставками. Сопоставлены распределения продольных компонент индукции магнитного поля, полученные для ячеек МПФС, реализующих оптимальное соотношение высших гармонических составляющих в структуре магнитного поля с распределениями, полученными с помощью аналитических выражений, а также с распределениями формируемыми реальными ячейками МПФС. Сопоставление было проведено с помощью численных расчетов по программам высокого уровня.

В четвертом параграфе получено решение задачи о распределении осевой и радиальной компонент индукции магнитного поля в ячейках МПФС с одной, двумя и тремя магнитомягкими вставками для случаев, когда различаются величины намагниченности магнитов и расстояния между магнитомягкми вставками, образующих ячейку МПФС. Ячейка с тремя вставками, содержала четыре однонаправленно намагниченных магнита, причем величины намагниченности двух средних магнитов одинаковы и меньше величины одинаково намагниченных периферийных магнитов в к раз. Полупериод Ь/2 был образован из четырех магнитов (их длины предполагались одинаковыми), двух наконечников и трех вставок (предполагалось, что длины ступиц наконечников одинаковы и равны 25, длины крайних вставок одинаковы и равны 2Ь, длины центральных вставк равны 2с, расстояние между ступицей полюсного наконечника и вставкой равнялось Д2 а расстояние между вставками равнялось А1).

В пятом параграфе проведено исследование влияния спектрального состава магнитного поля в ячейках МПФС с неодинаковой протяженностью магнитомягких вставок и неодинаковой намагниченностью магнитов для распределений осевой компоненты индукции магнитного поля в ячейках МПФС, полученных в предыдущем параграфе. Сформулирована задача о нахождении основных размеров магнитомягких вставок, обеспечивающих требуемый

оптимальный спектральный состав распределения магнитного поля в ячейке. Материалы первой главы опубликованы в работах [28-38].

Во второй главе представлены результаты разработки конструкций МПФС с высшими гармоническими составляющими магнитного поля и результаты экспериментального исследования фокусировки электронного потока в разработанных конструкциях. Представлены результаты разработки экспериментальных установок, предназначенных для повышения точности экспериментальных исследований транспортировки электронного потока в магнитных полях.

В первом параграфе второй главы представлены результаты анализа конструкций ЛБВ с МПФС, в которых магнитопроводы, определяющие структуру магнитного поля, пространственно совмещены с элементами замедляющей структуры. Для улучшения токопрохождения интенсивного потока через пролетный канал мощной ЛБВ коротковолновой части СВЧ диапазона за счет уменьшения пульсаций границы пучка в статическом и динамическом режимах работы и смещения зоны неустойчивой фокусировки пучка в сторону более высоких значений параметра магнитного поля а, было разработано следующее конструктивное исполнение.

В ЛБВ с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из чередующихся аксиально-намагниченных кольцевых магнитов, полюсных наконечников со ступицами из ферромагнитного материала, пространственно совмещенных с емкостными втулками резонаторов, диафрагм из немагнитного материала с емкостными втулками, установленных между полюсными наконечниками, по крайней мере в части МПФС, расположенной после ввода ВЧ энергии, емкостные втулки и части диафрагм, которые образуют стенку резонатора и примыкают к емкостным втулкам, объединены во вставку, выполненную из ферромагнитного материала, и закреплены в диафрагмах на одинаковом расстоянии от полюсных наконечников кольцевыми элементами из

немагнитного материала. Диафрагмы из немагнитного материала выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящего, по меньшей мере, из двух цилиндрических частей, причем меньший внутренний диаметр диафрагмы равен внутреннему диаметру полости резонаторов, а больший внутренний диаметр диафрагмы равен внешнему диаметру кольцевых элементов. Протяженность в осевом направлении емкостных втулок полюсных наконечников и диафрагм одинакова и определяется из условия 0,35<1вт/Ь<0,4, а толщина втулок в радиальном направлении составляет, по крайней мере, половину толщины стенки резонаторов. Кроме того, диафрагмы и кольцевые элементы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди.

За счет выбора профиля вставки из ферромагнитного материала, ее размеров и расположения между полюсными наконечниками в соответствии с предлагаемой формулой, в ЛБВ с МПФС реализуется магнитное поле с высшими гармоническими составляющими и несинусоидальным распределением. Это распределение обеспечивает фокусировку интенсивного электронного потока в пролетном канале в ЛБВ с малыми пульсациями.

Для обеспечения более сложной структуры магнитного поля была разработана конструкция ЛБВ с МПФС, состоящей из аксиально-намагниченных кольцевых магнитов и полюсных наконечников из ферромагнитного материала, пространственно совмещенных с резонаторной замедляющей системой (ЗС), в которой, по крайней мере часть МПФС, расположенная после ввода ВЧ-энергии, состояла из примыкающих друг к другу ячеек, каждая из которых содержала не менее одного магнита с однонаправленной в осевом направлении намагниченностью и три ферромагнитные вставки, расположенных с зазором между полюсными наконечниками и между собой во втулках из немагнитного материала, и закрепленных кольцевыми элементами из немагнитного материала, причем намагниченность магнитов в соседних ячейках МПФС имела противоположное направление. Кроме того, втулки в ЛБВ с МПФС выполнены в виде ступенчатых тел вращения, состоящих по меньшей мере из двух

цилиндрических частей, и образуют вместе с размещенными и закрепленными кольцевыми элементами вставками внутренние полости ВЧ резонаторов ЗС, так что отношение периода МПФС к периоду ЗС равно четырем. Кроме того, немагнитные втулки и кольцевые элементы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди и образовывали вместе с полюсными наконечниками вакуумно-плотное соединение. На изложенные конструктивные решения были получены патенты РФ на изобретение [39, 40] и патенты РФ на полезную модель [41, 42].

Во втором параграфе второй главы представлены результаты расчетов ЭОС с МПФС, содержащей высшие гармонические составляющие и результаты разработки макетов для экспериментальной проверки полученных в первой главе теоретических выводов. Для электронно-оптических макетов прибора была разработана двухрежимная электронная пушка с низковольтным бессеточным управлением, которая обеспечивала формирование электронного пучка с током !=4.2А при ускоряющем напряжении ^24000В и потенциале на управляющих электродах ^=1240В. Запирающий потенциал на управляющих электродах составил величину не более Uзап=-400В

В третьем параграфе второй главы представлены результаты разработки установки для оперативного контроля термостабильности магнитотвердых материалов фокусирующих систем приборов СВЧ с помощью тесламетра типа Ш1-8 в диапазоне (100+- 110) мТл с погрешностью показаний прибора Ш1-8 в рабочем диапазоне, не превышающенй ± 0,15%. Проведённые исследования показали, что магниты из сплава КС-25 по ГОСТ 21559-76 разных производителей имели разброс значений ам от - 1,9% до - 4,8% на 100°С, что позволило дать обоснованные заключения о возможности их применения [43, 44] .

Влияние формы образцов МТМ для типичных фокусирующих систем на результаты измерения ам замечено не было.

В четвертом параграфе второй главы представлены результаты модернизации установки для измерения продольной компоненты индукции магнитного поля, в которой результаты измерений выдаются в виде электронной таблицы в формате Microsoft Excel. Таблица состоит из значений продольной составляющей магнитной индукции и соответствующих координат вдоль оси МПФС через заданные постоянные интервалы.

В пятом параграфе второй главы приведены результаты экспериментального исследования макетов ЭОС с МПФС. Показано, что при транспортировки электронного потока в макете ЛБВ с МПФС с одной магнитомягкой вставкой при изменении параметра магнитного поля от <=0.38 до <=0.8 токопрохождение изменялось с 98% до 91%. В макете ЛБВ с МПФС, в которой распределение осевой компоненты индукции магнитного поля содержало три локальных минимума на полупериоде, при изменении параметра магнитного поля с <2=1.44 до ö=2.88 токопрохождение пучка на коллектор снижалось с 99% до 96% . Материалы второй главы опубликованы в работах [45-49].

В третьей главе проведено теоретическое исследование вопросов, связанных с фокусировкой интенсивных электронных потоков реверсными магнитными системами со сложной структурой магнитного поля в ячейке.

В первом параграфе третьей главы представлены результаты исследования фокусировки электронного потока магнитными фокусирующими системами с реверсной структурой магнитного поля. Показано, что в зависимости от выбранной структуры магнитного поля в ячейке реверсивной магнитной системы и параметра магнитного поля, минимальная амплитуда пульсаций пучка может достигать 30-60%. При использовании магнитной системы с подобным распределением осевой компоненты индукции магнитного поля, следует уделять особое внимание согласованию пучка с регулярной областью реверса магнитного поля.

Во втором параграфе третьей главы методом, аналогичным изложенному в первой главе, рассмотрено приближенное решение задачи о нахождении

распределения продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля для ячеек реверсной магнитной фокусирующей системы, состоящих из полюсных наконечников и радиально намагниченных магнитов. Отличительной особенностью предложенного решения, является нелинейная зависимость спада скалярного магнитного потенциала в области между наконечниками ячейки реверсной магнитной системы.

В третьем параграфе третьей главы представлено приближенное решение о распределении магнитного поля в ячейке реверсной системы с вставкой из магнитомягкого материала. Отличительной особенностью предложенного решения, является отличие диаметра отверстия во вставке от диаметра отверстия в полюсных магнитопроводах ячейки реверсной магнитной системы.

Материалы третьей главы опубликованы в работах [38], [50-61].

В четвертой главе проведено теоретическое исследование вопросов, связанных с фокусировкой интенсивных электронных потоков реверсными магнитными системами со сложной трехмерной структурой магнитного поля в ячейке.

В первом параграфе четвертой главы представлены результаты исследований влияния настроечных элементов (так называемых «шунтов») из магнитомягкого материала на структуру формируемого с помощью шунтов распределения магнитного поля в ячейке реверсной фокусирующей системы. В качестве настроечных шунтов рассмотрены перемыкатели, скобы, а также кольца. Показано, как с помощью шунтов можно изменять структуру магнитного поля в отдельном канале многолучевой электронно-оптической системы или для ячейки реверсной магнитной системы в целом, осуществляя, тем самым, настройку магнитной системы для улучшения транспортировки интенсивного многолучевого потока.

Во втором параграфе четвертой главы представлены результаты исследований, посвященных оптимизации токопрохождения электронных потоков многолучевых приборов с реверсной фокусировкой в трехмерной

постановке. Показано, что применение для расчетов электронного потока структуры магнитного поля, восстановленной только по осевому распределению, возможно только при условии совпадения в области реверса центры аксиально -симметричного электронного потока и канала, и поперечных размеров электронного потока в разы меньших диаметра канала. Кроме того, для обеспечения отсутствия вращения парциального электронного потока как единого целого вокруг своей оси, необходимо обеспечить влет электронного потока в область реверса в фазе с минимумом пульсации и как можно ближе к оси парциального канала.

Материалы четвертой главы опубликованы в работах [45, 53, 62].

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертации.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Аналитическое решение задачи о распределении продольной компоненты индукции магнитного поля в ячейках МПФС с произвольным числом эквидистантно расположенных магнитомягких вставок между наконечниками позволяет определять величины высших пространственных гармоник магнитного поля, обеспечивающих сдвиг границ области устойчивой фокусировки интенсивного электронного потока в сторону высоких значений параметра магнитного поля.

2. Выбор величин первой, третьей, пятой и седьмой пространственных гармоник магнитного поля относительно амплитудного значения магнитного поля в МПФС в отношении 0,89 : 0,31 : 0,21 : 0,27 позволяет обеспечить фокусировку интенсивного электронного потока с относительной амплитудой пульсаций менее 15% в интервале изменения параметра магнитного поля от 2,0 до 7,0

3. Защищенные патентами РФ №№ 2353016, 2352017, 69690, 73125 конструкции совмещенных МПФС с распределением магнитного поля, которое существенно смещает положение зоны неустойчивой фокусировки пучка в сторону более

высоких значений параметра магнитного поля, и позволяет повысить величину параметра магнитного поля более чем в восемь раз (с 0.3 до 2.88).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дармаев Александр Николаевич, 2015 год

- >

: п- 7

п Г 1 1_|- [ г\ г

\ 1

-

: --- )

......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... 1 ......... ......... ......... .........

О 50 100 150 200 250 300 350 ¿100 ¿150 500 550

Рис. 3.1.1. Распределение осевой компоненты индукции магнитного поля и его положение относительно магнитопроводов реверсной фокусирующей системы

Для исследования фокусировки электронного потока при ускоряющем напряжении и=32000В в реверсной МФС, также как и для МПФС, воспользуемся параксиальным уравнением для границы ламинарного пучка (1.1), в котором при описании распределения осевой компоненты магнитного поля ограничимся первыми пятью гармониками. Параметры магнитного поля для ячеек МФС, определяемые по формуле (1.2)

2,8 -108 В2 Ь

а =

и

где Ва - амплитуда магнитного поля в ячейке реверсной МФС, L - удвоенное расстояние между нулями магнитного поля в ячейке, и - ускоряющий потенциал, равны а>=2.11, а2=а3=2.59 соответственно.

Результаты расчета колебаний пучка с током 3.0А в параксиальном приближении в гипотетической МФС из ячеек эквивалентных второй или первой ячейкам реверсной системы, представлен на рис. 3.1.2а.

Анализ результатов расчетов, представленных на рис. 3.1.2б, показывает, что фокусировка пучка осуществляется в третьей зоне непропускания. Из-за малого числа ячеек в реверсной магнитной системе нарастание радиуса пучка вдоль оси ЭОС может происходить достаточно медленно при надлежащем выборе входных значений радиуса пучка и его наклона к оси ЭОС. При нарушении оптимальных условий влета граница пучка может быстро нарастать и приводить к повышенному оседанию пучка на стенки пролетного канала. Следует отметить, что при выбранной структуре магнитного поля в ячейке реверсивной магнитной системе и параметре магнитного поля 1.1- 2.0, минимальная амплитуда пульсаций пучка может достигать 30-60% (рис. 3.1.2б). Таким образом, при использовании магнитной системы с подобным распределением осевой компоненты индукции магнитного поля следует уделять особое внимание согласованию пучка с регулярной областью реверса магнитного поля. Для достижения минимальных пульсаций пучка необходимо обеспечить на влете пучка в ячейку реверса нулевой угол

Рис. 3.1.2. Колебания электрона в магнитном поле при а=2.6, Д =0 (а) и зоны непропускания МФС в зависимости от параметра магнитного поля а (б) 1- оптимальный радиус влета Явх в ячейку МФС; 2 - амплитуда пульсаций границы пучка А

наклона граничного электрона к оси (Явх=0) и при значении радиуса пучка (Явх=ар(1-А), меньшем чем равновесное значение ар, на определенную величину А, которая зависит от параметра магнитного поля ячейки, и для данного набора гармонических составляющих может быть определена из рис. 2.2б. Кроме того, вследствие существенного (более 20%) скачка параметра магнитного поля от ячейки к ячейке, необходимо тщательнее относиться к выбору протяженности областей реверса магнитного поля.

Как и для МПФС, ввод в ячейки реверсной фокусирующей системы дополнительных магнитомягких вставок обеспечивает появление в распределении магнитного поля значимых величин высших гармонических составляющих, смещает зоны непропускания в сторону существенно более высоких значений параметра магнитного поля и позволяет избавиться от чрезмерной зависимости токопрохождения потока от входных условий влета пучка в ячейки реверсной фокусирующей системы при повышенных уровнях магнитного поля. В качестве примера на рис. 3.1.3 представлены результаты расчетов электронного пучка в неоптимальном магнитном поле реверсной системы при отсутствии или наличии магнитомягких вставок. Как следует из анализа рис. 3.1.3в наличие значимых величин высших гармонических составляющих не приводит к нарастанию границы потока в пролетном канале.

Тем самым обосновывается следующее положение, выносимое на защиту: Исследование устойчивости фокусировки электронных потоков с единых позиций в МПФС с осевой намагниченностью магнитов и в реверсных МПФС с радиальной намагниченностью магнитов

о.о о.о о.о о.о о.о о.о о.о о.о

-4-40.0 400.0 ЗбО.О 320.0 280.0 240.0 200.0 160.0

Гг-^л ; -1 <*>> <*->'?> з—й <*> V > »я ¿т < > 5 -; (Н-.Г > я 1 (*> о 1 (*т О =

440.0 400.0 ЗбО.О 320.0 280.0 240.0 200.0 I» >«• о

О. О "" О.О "" О.О "" О.О "" О.О "" О.О "" О.О " ' О.О " ' I

440.0 400.0 ЗбО.О 320.0 280,0 240.0 200.0 160.0

Рис. 3.1.3. Распределение осевой компоненты индукции магнитного поля и ход траекторий парциального пучка в обычной реверсной системе (а,б) и в реверсной системе с высшими гармоническими составляющими магнитного поля (в)

3.2. Определение спектра гармоник в распределении магнитного поля в ячейке реверсной магнитной системы.

В первой главе было показано, что в приосевой области бесконечной магнитной фокусирующей системы с ячейками, в которых происходит перемена полярности магнитов, может быть найдено аналитическое решение для продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля, в том числе и для ячеек с магнитомягкими вставками. Это позволяет проводить быструю оценку фокусировки пучка в магнитных полях МПФС со сложной структурой распределения магнитного поля. Однако прямое применение полученных соотношений для реверсной магнитной системы наталкивается на определенные трудности. При увеличении протяженности ячейки в осевом направлении (увеличении полупериода МПФС) в распределении продольной компоненты магнитного поля увеличивается участок с практически однородной величиной магнитного поля. В то же время (см. рис. 3.1) в реверсных магнитных системах зачастую на этом участке происходит отклонение в сторону больших или меньших значений относительно постоянного уровня. В настоящем параграфе рассмотрено приближенное решение задачи о нахождении распределения продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля для ячеек реверсной магнитной фокусирующей системы, состоящих из полюсных наконечников и радиально намагниченных магнитов.

Рассмотрим бесконечную реверсную магнитную фокусирующую систему , схематическое изображение ячейки которой представлено на рис. 3.2а. Пусть внутренний диаметр наконечников равен 2гкан , начало продольной координаты ъ аксиально-цилиндрической системы координат (г,ъ) совпадает с серединой полюсного наконечника реверсной системы, период системы равен Ь (удвоенному расстоянию между центрами соседних полюсных наконечников), а расстояние между ступицами полюсных наконечников равно А. Поскольку в области под наконечниками, источников магнитного поля нет, то, как и для МПФС, для нахождения распределения магнитного поля внутри аксиально-симметричной области можно воспользоваться электростатической аналогией и найти решение уравнения Лапласа для скалярного магнитного потенциала.

в силу периодичности, можно ограничиться рассмотрением одного периода

Введем следующие нормировки: у=г/гкан, x=2лz/L, а=(Л/Ъ).

Пусть значения скалярного магнитного потенциала на границе области равны ио и —ио на наконечниках, а в промежутках между наконечниками отклонение от линейного спада потенциала происходит по синусоидальному закону

Тогда выражение для скалярного потенциала на границе (рис. 3.2.1) примет следующий вид:

I (х)

и

1

0 < х < х

1 —— (х - х1)+ ла

и0 (х — Х2 )

С

-Бт

(х Х|)

а

Х| < х < х2 •

С

-Бт

л

(х —х2 )

а

х2 < х < х3,

-1

х3 < х < л,

(3.2.1)

где параметр с<<1 - максимальное отклонение от линейного спада.

За исключением слагаемых, связанных с синусоидальной зависимостью в распределении Дк), распределение потенциала на границе области полностью аналогично случаю, рассмотренному в [67] и в параграфе 1.2. Поэтому для решения сформулированной задачи достаточно вычислить два интеграла следующего вида

2 х2 с . ■Бт

2 ГС

л л

(х х^)

а

соб кхёх и

2 с --[ — Б И(

ТТ « тт

л " л

](2. Т)2)

а

соб кхёх

и приплюсовать результат к выражению для коэффициентов Ак, полученных для случая МПФС без вставок (1.2.8).

После вычисления интегралов (3.2.2) и учета их в (1.2.8) окончательно получим

<

2

X Ь/2 А

Д

. ъ

Рис.3.2.1. Ячейка реверсной магнитной фокусирующей системой и распределение магнитного потенциала и(х) на границе области: Сплошная линия - синусоидальное изменение потенциала на границе области

Пунктир - линейное изменение потенциала на границе области

ж ж

4 -ио • бш к— бш кжа 4 • с -ио -а- б1п к — б1п кжа

А =_2__|__г_2 _

к ж1 -а-к1 ж1 -(1 -а2 • к2)

(3.2.3)

Таким образом, выражение для скалярного магнитного потенциала имеет следующий вид:

и (г, г)

4и,

0

_2

ж -а- к

Ти (к )■

2жк

Ь

I

2жк

Ь

сов

2жк Ь

■г

(3.2.4)

где

и (к) =

1 + (с-1) -а2к2]- б1пкб1пкжа к2-(1 -а2 - к2)

(3.2.4а)

Поскольку продольная компонента индукции магнитного поля связана со

скалярным потенциалом соотношением в =

ди

дг

а радиальная компонента

индукции магнитного поля Бг

ди

дг

то окончательно получим (рис. 2.2.3):

отт 1 + (с -1) -а2к2 ]б1п к б1п к — А) я (г -л- 8ио У1 1 2 Ь

Вг (г, г) =--— Т-~Пл---

ж-А- * к -(1 -а - к )

1 г

\

2жк -г

. Ь у

2жк Ь

\

Б1П

2жк

Ь

(3.2.5)

отт 1 + (с -1)-а2к2 ]б1п к б1п к — Л В,, (г, г) = ' 2 Ь

2жк

Ь

ж-А-

к-(1 -а2 - к2)

2жк Ь

СОБ

2жк

К У

(3.2.6)

г

г

г

г

к

При с=0 формулы (2.2.6-2.2.6) переходят в формулы (1.2.10а,б) для продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля для обычной МПФС.

О 30 60 90 120

ВкИ, г)

0 30 60 90 120

Рис. 3.2.2. Распределения продольной (1) и радиальной (2) компонент индукции магнитного поля в реверсной МФС Ц)=33, гьп=4, L/2=75 R=0.6гkan, Л=70, гkan/L=0.027, а=0.467 а) c=-0.07, б) с=0.07

3.3. Определение спектра гармоник в распределении магнитного поля в ячейке реверсной магнитной системы с кольцевой вставкой из

магнитомягкого материала

В предыдущем параграфе было рассмотрено приближенное решение задачи о нахождении распределения продольной индукции магнитного поля для ячеек реверсной магнитной фокусирующей системы, в котором на участке однородного распределения происходит отклонение величины индукции магнитного поля в сторону больших или меньших значений относительно постоянного уровня. Для компенсации «выпуклости» однородного участка могут быть использованы вставки из магнитомягкого материала. В настоящем параграфе приведено приближенное решение задачи о нахождении распределения продольной индукции магнитного поля для ячеек реверсной магнитной фокусирующей системы с кольцевой вставкой, внутренний диаметр которой больше диаметра отверстия в полюсном наконечнике.

Рассмотрим как и в предыдущем параграфе бесконечную реверсную магнитную фокусирующую систему, схематическое изображение ячейки которой представлено на рис.3.2а. Пусть внутренний диаметр наконечников равен 2гкан , начало продольной координаты z аксиально-цилиндрической системы координат (г^) совпадает с серединой полюсного наконечника реверсной системы, период системы равен L (удвоенному расстоянию между центрами соседних полюсных наконечников), а расстояние между ступицами полюсных наконечников равно Л. Пусть между полюсными наконечниками симметрично размещена кольцевая вставка с внутренним диаметром 2гкан1 и длиной 2Ь (рис. 3.3.1). Поскольку в области под наконечниками источников магнитного поля нет, то, как и ранее, для нахождения распределения магнитного поля внутри аксиально-симметричной области можно воспользоваться электростатической аналогией и найти решение уравнения Лапласа для скалярного магнитного потенциала, представляя искомое распределение потенциала в виде произведения функции, зависящей только от радиальной координаты г, и функции, зависящей только от продольной координаты z.

Введем следующие нормировки: у=г/гкан, х=2^/Ц а=(2лД/Ь), Р=(2лЬ/Ь).

Пусть значения скалярного магнитного потенциала на границе области равны ио и -ио на наконечниках, а в промежутках между наконечниками,

Рис.3.3.1. Ячейка реверсной ячейки со вставкой (а) и распределение магнитного потенциала U(x) на границе области (б): 1 - ячейка без вставки, 2 - ячейка со вставкой при гкан =гкан1, 3 - ячейка со вставкой при гкан < гкан1 х1=л/2-а-р, х2=л/2-р, х3=л/2+Р, х^л/2+а+Р;

между наконечниками и вставкой спад потенциала происходит по линейному закону. U1 - значение потенциала в точке x2 в отсутствии вставки, а U2 значение потенциала в точке х2 при расположении кольцевой вставки (при гкан =гкан1 потенциал на вставке равен нулю). Из рис. 3.3.1 следует, что U1/ß=Uo/(a+ß), или U1=Uo ß/(a+ß). Зададим изменение потенциала U2 на границе области при увеличении диаметра вставки от 2гкан1 до бесконечности в следующем виде:

U2 = Uj{l -ф-ёМ, тш!)}

или

U 2 = U -p(Tsäi, тш i)}

a + ß

где р - функция, характеризующая степень влияния изменения потенциала в радиальном направлении при наличии вставки, которая может быть найдена путем «сшивания» в радиальном направлении частичных областей: кольцевой области гкан < г < гкан1 и цилиндрической области 0 < г < гкан . При гкан=гкан1 функция р=1, а при гкан1=да, р=0.

Для определения функции р запишем радиальные граничные условия для двух областей:

C1kI о(У 1kTkan1 ) + C2k Ko(yikTkan1 ) = T

C1kI «(YkTkan) + C 2 kK 0(у

1kTkan ) = C3kI 0 ( У k Tkan )

(3.3.1)

C1kI 1(y1kTkan ) - C 2 kK 1y1kTkan ) = ~~~ C3 k I1 ( У k Tkan X

y1k

где y1k=лk/(А+b), Ук=2жк/Ь, а коэффициент т, без потери общности, может быть выбран равным 1.

Решая систему уравнений (3.3.1), для коэффициентов С3к, которые отвечают за радиальное изменение функций в области 0 < г < гкан , и ограничиваясь рассмотрением в радиальном распределении потенциала гармоники при к=1 (более высокие гармоники быстро спадают к нулю), для функции ф можно написать следующее выражение

С3

Гкан ' Гкан\ )

С3(Гкан Гкан\)

1 \(У\кГкап ) 'К 0(У\кГкап\ ) '10 (УкГкап )

1 \(У\к Гкап ) 'К 0 (У\к Гкап\ ) '110( У к Гкап ) + '11 \( У к Гкап ) ' 0 (У\к Гкап\ ) 'К 0 (У\к Гкап ) 1 0( У 1кГкап ) 'К 0 (У\к Гкап\ ))

Ух к

Тогда выражение для скалярного потенциала и(х,у) на границе при г=гк (рис. 3.2.1) примет следующий вид:

и =

и (х)

и

0 < х < х,

и

а и

(х Х|)

и

2 (х х2)

Х| < х < х2,

х2 < х < х3.

(3.3.2)

\ - и.

- 11 - •

и

\

а

(х хз)

х3 < х < х4,

х4 < х < л,

где И2=и2/ио.

Поскольку потенциал и(х,у) является четной функцией аргумента х, то при разложении функции Дх) в ряд Фурье все коэффициенты при слагаемых, содержащих синусы, равны нулю и

/(х) = Х Ак с°8 кх (3.3.3)

к #0

Выражение для коэффициентов Ак может быть легко получено из обратного преобразования Фурье

А = 2' J /(х)' с°Б kxdx

Л Г\

л

1

<

и имеет следующий вид:

9 кж . ка . к (а- 26) щ . кж

к = \ - - СОБ--Б1П--Б1П--I--— - Б1П--Б1П к6 (3 3 4)

жк \ а 2 2 2 26 2 '

А =8ио/1 - и

Тогда, выражение для скалярного магнитного потенциала имеет

следующий вид:

и (г,г) = 8и° Т ж к

1 - и2 кж . ка . к(а- 26) и

а

сОЯ--Я1П--57П —-- - ят^- - ЯШ кр

2

2

2

кж

26 Т

г2жк л -}

К Ь у

I.

2жк -г

^кан

у

■соя

г2жк л -г

к Ь у

(3.3.5)

Выражения для продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля скалярного магнитного потенциала в этом случае имеют следующий вид:

В, (г, г) = - Т

Ь «.

1 - щ кж . ка . к (а - 26) щ ..... . , _,

2 ^ -§1П--§1П

- СОБ--Б1П--Б1П

а 2 2

2

кж

- Б1П-

26 2

к

(3.3.6)

2жк

2жк Ь '

. ( 2жк Б1П|-г

К Ь у

2

>

0

о

ь к

' 1 -щ кл ка к(а + 2В) щ кл , _

—2 • С08--^ът--^ът--1—— • ^ът--^ът кВ

а 2 2 2 2В 2

к

II

2лк

ь

2лк

ь

-С08

2лк

(3.3.7)

<

г

>

г

На рис. 3.3.2 представлен результат расчета структуры продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля для следующих значений параметров, характеризующих ячейку реверсной фокусирующей системы: период системы Ь=200 мм, зазор между полюсным наконечником и вставкой Д=30 мм, диаметр пролетного канала 2гкан = 8 мм, внутренний диаметр вставки 2гкан1= 64 мм, протяженность вставки 2Ь=20 мм,

Интересно отметить, что весьма неплохим приближением для функции ф является аппроксимация следующего вида (рис. 3.3.3)

фф Гкан ' Гкан1 )

I

2Л Гка

ь

I

2л • г

кан1

ь

(3.3.8)

6

Рис. 3.3.2. Распределение продольной (1) и радиальной (2) компоненты индукции магнитного поля в ячейке реверсной ячейки со вставкой

Рис.3.3.3. Распределение потенциала при г=гк

(1) - с учетом граничных условий

(2) - аппроксимация (3.3.8)

Выводы

Предложена методика исследования в параксиальном приближении фокусировки интенсивного электронного потока в ревесных магнитных полях, создаваемых магнитной фокусирующей системой реверсного типа на постоянных радиально-намагниченных магнитах.

Показано, что наличие значимых величин высших гармонических составляющих в реверсных магнитных фокусирующих системах может улучшить фокусировку электронного потока в пролетном канале.

Получено приближенное решение задачи о нахождении распределения продольной и радиальной компоненты индукции магнитного поля для ячеек реверсной магнитной фокусирующей системы с изменяющейся по величине амплитуде в регулярной части магнитного поля.

Получено приближенное аналитическое решение задачи о нахождении распределения продольной и радиальной компонент индукции магнитного поля для ячеек реверсной магнитной фокусирующей системы с кольцевой вставкой, внутренний диаметр которой больше диаметра отверстия в полюсном наконечнике.

Глава 4. Исследование транспортировки электронных потоков в многолучевых ЭОС с реверсной фокусировкой

4.1. Управление структурой магнитного поля в реверсных фокусирующих системах с помощью настроечных элементов

В традиционных ЛБВО с синусоидальным распределением осевой

компоненты индукции магнитного поля МПФС и аксиальной намагниченностью магнитов для обеспечения прохождения электронного потока в области пролетного канала с минимальными потерями широко используется так называемая юстировка магнитной системы, которая связана с подстройкой амплитуд магнитного поля, а также с уменьшением величин и фазы поперечных составляющих магнитного поля в МПФС. Подобная настройка осуществляется небольшими фрагментами магнитов или магнитомягких материалов, которые прикрепляют непосредственно к МПФС в определенном порядке вдоль оси прибора. Из-за аксиальной намагниченности магнитов, расположенных между полюсными наконечниками, величина магнитного поля внутри ячейки МПФС существенно больше полей рассеяния вне ячейки, и в МПФС изменение амплитуды магнитного поля в ячейке МПФС за счет воздействия элементов юстировки происходит локально и не приводит к существенному изменению магнитного поля в соседних ячейках.

При настройке реверсной магнитной фокусирующей системы ситуация становится иной. Радиально-намагниченные магниты и распределения продольных компонент магнитной индукции на оси магнитов представлено на рис.4.1.

Два противоположно намагниченных радиальных магнита образуют в рабочем зазоре за счет суперпозиции полей требуемый уровень поля. Из-за характера распределения магнитного поля радиально-намагниченного магнита, расположенного на полюсном наконечнике, воздействие магнитомягким элементом на распределение магнитного поля, создаваемое магнитом,

неминуемо приводит к существенному изменению магнитного поля как внутри ячейки, так и в соседних ячейках реверсной фокусирующей магнитной системы. Поэтому небольшие элементы юстировки, хорошо зарекомендовавшие себя в МПФС, в системах реверсной фокусировки не нашли широкого применения.

Рис. 4.1. Распределения продольных компонент индукции магнитного поля на оси противоположно намагниченных радиальные кольцевых магнитов

Если намагниченности магнитов уже выбраны, то дальнейшая настройка осуществляется с помощью существенно больших магнитомягких элементов, которые либо локализуют, либо шунтируют магнитные поля в области ячейки реверсной МФС.

В качестве настроечных элементов используются так называемые перемыкатели, скобы и кольца.

Перемыкатели

Стальные перемыкатели представляют собой параллелипипеды, которые крепятся на внешнем диаметре магнитов магнитной ячейки, тем самым локализуя в ней магнитное поле (и уменьшая поля рассеяния магнитов). Каждый перемыкатель увеличивает уровень поля во всей магнитной ячейке в целом.

Результаты расчёта, проведенного в двумерном приближении, представлены на рис.4.2.

а) б)

Рис. 4.2. Распределение продольной компоненты магнитной индукции на оси кольцевого радиально намагниченный магнита в двумерном приближении (а) без перемыкателей (сплошной) и с перемыкателями (пунктир) и вид магнитной ячейки прибора с перемыкателями (б).

Скобы.

Скобы из магнитомягкого материала крепятся на торце магнита для уменьшения амплитуды магнитного поля в ячейке с противоположной стороны от крепления, а также для уменьшения амплитуду поля со стороны крепления скоб к магниту.

Действие скоб носит локальный характер, и наибольшее изменение поля происходит в области непосредственно под скобой. Результаты расчета в двумерном приближении применения шунтирующих скоб (уголков), представлен на рис.4.3.

Рис. 4.3. Распределение продольной компоненты магнитной индукции на оси кольцевого радиально намагниченного магнита в двумерном приближении (а) со стальными скобами (пунктир) и без скоб (сплошной), а также вид магнитной ячейки прибора со скобами (б)

Кольца.

Шунтирующее кольцо из магнитомягкого материала располагается под магнитом с той стороны, где необходимо уменьшить амплитуду поля в магнитной ячейке (рис.4.4). Также оно может располагаться в промежутке между магнитами, обеспечивая пологость или даже провал в распределении магнитного поля внутри ячейки реверсной МФС.

а)

б)

Рис. 4.4. Распределение продольной компоненты магнитной индукции кольцевого радиально-намагниченного магнита в двумерном приближении (а) со стальным шунтирующим кольцом (пунктир) и без кольца (сплошной), а также вид магнитной ячейки прибора с кольцом (б)

Влияние различных настроечных элементов на распределение магнитных потоков в ячейке реверсной МФС показано на рис 4.5.

Изначально необходимо стремиться к тому, чтобы в зазоре магнитной ячейки обеспечивался заданный уровень поля с максимально плоской вершиной. Это позволит минимизировать амплитуды радиальных составляющих магнитного поля. Однако, следует помнить, что в многолучевой системе, где пролетные каналы располагаются в несколько рядов, поля на разных диаметрах будут отличаться. Этот эффект тем сильнее, чем ближе пролётные каналы расположены к внутренним диаметрам магнитов, магнитопроводам и настроечным элементам, возмущающих магнитное поле, а также чем дальше отстоятдруг от друга в радиальном направлении оси пролётных каналов.

Рис. 4.5 Ячейки МФС с различными настроечными элементами и лин ии магнитного потока в таких системах

4.2. Исследование структуры магнитного поля в реверсных фокусирующих системах с вспомогательными магнитомягкими настроечными элементами в трехмерной постановке

В качестве объекта исследований была рассмотрена магнитная система, представлявшая собой реверсную многолучевую систему на радиально-намагниченных магнитах с двумя рядами каналов, расположенных на радиусах 18,5 и 28 мм.

Вг,

Ъ

£ : ззсг.и

ей : ипо,о

Вс : ю.о

¡стена!. Склеена. Перем. 12-0-5. Отв 180. 14.02.06

вг : зо.о 5 ип: ю.о

Рис. 4.6. Экспериментальное (1) и расчётное распределения продольной компоненты индукции магнитного поля на оси парциального канала внешнего ряда (2)

Можно заметить, что, по сравнению с двухмерным расчётом поля на оси симметрии МС, при расчетах в трехмерной постановке для парциальных каналов начинает сказываться влияние шунтирующего кольца, расположенного между полюсными наконечниками второй ячейки, и «провал» в распределении магнитного поля от которого можно наблюдать в центре второй ячейки на рис 4.6. Для внутреннего ряда каналов этот провал поля имеет меньшее значение рис.4.7, 4.8.

Bz

0.1

0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

, Тл

28.0 0.0 440.0

28.0 0.0 372.0

28.0 0.0 304.0

28.0 0.0 236.0

28.0 0.0 168.0

20800 Ъ, мм

100.с

Рис. 4.7. Распределение продольной компоненты магнитной индукции во внешнем (сплошной) и внутреннем (пунктирный) парциальных каналах

Ю. О 372.0 304.0 236.0 168.0

Z, мм

Рис.4.8. Распределение радиальной компоненты магнитной индукции во внешнем ( -) и внутреннем ( — - ) парциальных каналах

На рис. 4.9 представлено распределение модуля магнитной индукции в материале магнитопроводов реверсной МФС, обеспечивающее на оси каналов требуемый уровень поля в 800-1200 Гс. Наибольшее значение, равное 1,5 Тл достигалось в материале пушечного и коллекторного экранов. Оценивая по рис. 4.9 уровень индукции в материале магнитопроводов и сопоставляя его с кривой намагничивания магнитомягкого материала, можно заключить, что материал магнитных экранов находится в начале области насыщения, а полюсные наконечники даже в районе перемычек между отверстиями каналов ещё далеки от насыщения. Анализ результатов расчета позволил сделать вывод о том, что при заданной толщине полюсных наконечников возможно обеспечить б0льший уровень магнитного поля либо, для заданного уровня поля уменьшить толщину наконечников.

Рис. 4.9. Расчётная модель магнитной системы в с перемыкателями в виде цилиндров (а) и распределение магнитной индукции в магнитопроводах (б). Максимальное значение на цветовой шкале соответствует 1,5 Тл

При проведении вначале расчётов магнитной системы в двухмерном приближении, в котором магнитные перемыкатели представляли собой стальные цилиндры, в расчётах в трехмерной постановке, для того чтобы заново не подбирать намагниченности магнитов и количество перемыкателей, использовались перемыкатели в виде стальных цилиндров. На самом деле, перемыкатели представляют собой стальные прямоугольники. Различия в распределении поля при представлении перемыкателей в виде цилиндра или отдельных элементов прямоугольной формы рассмотрены ниже.

Обычно в реальных системах для получения требуемого уровня поля используют от 3 до 12 перемыкателей. Для оценки влияния перемыкателей на уровень поля в магнитной ячейке, были проведены расчёты части магнитной системы, состоящей из пушечного экрана, двух полюсных наконечников и двух магнитов как на рис. 4.10. Перемыкатели располагались по азимуту равномерно, количество перемыкателей варьировалось от 0 до 12 шт.

В случае одного перемыкателя, его материал находился в состоянии глубокого магнитного насыщения и существенного прироста поля в ячейке МФС не происходило. В случае, когда перемыкателей больше 10 штук либо перемыкатели заменялись сплошным цилиндром из магнитомягкого материала, то насыщения материала не происходило и, можно было добиться существенно большего уровня поля в магнитной ячейке.

Расчёты показали, что в рассмотренной магнитной системе перемыкатели локально не влияют на структуру магнитного поля в парциальном канале, но увеличивают амплитуду магнитного поля в целом. Однако, если перемыкатель расположен на одном из магнитов, но не доходит до другого, происходит «перекос» распределения поля. Следует отметить, что «перекос» поля носит локальный характер и наиболее выражен в области под перемыкателем рис. 4.11. Аналогичный локальный эффект оказывает размещение скоб рис. 4.12.

а)

• 1 ООООООЕ+ООО

ОМОО

- 0. ООООООЕ+ООО

Ч ООООООС ОО!

П 000401-ООО

в

б)

0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

1 .------ (3)

// и ' (2) __________ \ \ и

ПГ Г( и (1 'V 4

' 1 {

1 :

Г 1 1 / Я 1

гс1 28.0 гс1 0.0 гс\ 440 О

28.0 0.0 414 О

28.0 0.0 Я8Я О

28.0 0.0 Зв? О

28.0 0.0

ЗЯВ О

28.0 Ъ, ИИ 0.0 '

Я10 (

Рис. 4.10. Распределение магнитной индукции в магнитной ячейке реверсной фокусирующей системы (а) с различным количеством перемыкателей и соответствующие распределения магнитной индукции на оси внешнего парциального канала (1) без перемыкателей; (2) один перемыкатель; (3) 6 перемыкателей; (4) 12 перемыкателей. Диапазон цветовой шкалы 0-2,5 Тл

а)

Br

26

Y

0

А

X

i _

А-А

б)

R

|Br