Определение оптимальных значений конструктивных параметров спиральной замедляющей системы лампы с бегущей волной

Как уже говорилось выше, для борьбы с самовозбуждением в замедляющую систему вводится поглотитель. Обычно в качестве поглотителя используют углеродную пленку, нанесенную на поверхность диэлектрических опор. При этом поглотитель электрически соединяет спираль с корпусом, что необходимо для соединения спирали с источником напряжения замедляющей системы.

Усиливаемая электромагнитная волна, проходя через замедляющую систему, может отражаться от неоднородностей системы (выводов энергии, разрывов замедляющей системы и т.д.), и если не принять специальных мер, то это может привести к самовозбуждению прибора. Самовозбуждение ЛБВ, а также отдельных секций замедляющей системы может происходить как на прямой, так и на обратной гармонике. Поэтому длина секции должна быть достаточно мала (для устранения возбуждения как на прямой, так и на обратной гармониках), а для устранения возбуждения на отраженной от выхода ЛБВ волне КСВ поглотителя должен быть минимальным, для чего поглотитель необходимо сделать максимально согласованным с системой. Для этого на концах поглотителя добиваются плавного изменения поглощения от минимума к максимуму.

Параметры поглотителя имеют сильное влияние на работу ЛБВ, поэтому одновременно с расчетом параметров замедляющей системы ведется расчет и параметров поглощающего участка (его длины, положения вдоль участка взаимодействия и величины затухания).

Таким образом, представленная конструкция замедляющей системы, позволяет решить задачу обеспечения мощности на выходе ЛБВ 300 Вт в диапазоне частот 13 ГГц ± 10% при коэффициенте усиления не менее 25дБ и рабочем напряжении 7 ч 8 кВ, что успешно подтверждено разработками предприятия, на котором проводилось дипломное проектирование.

2.4 Методы закрепления замедляющей системы в корпусе прибора

В спиральных ЛБВ тепловые контакты между элементами, входящими в замедляющую систему, о важности которых говорилось выше, обычно обеспечиваются за счет сжатия ее конструкции в радиальном направлении при закреплении замедляющей системы в корпусе прибора.

Зажатие спиральной замедляющей системы осуществляется за счет упругой (триангуляция) или термической (горячая посадка, термообжим) деформации корпуса.

Выбор того или иного метода зажатия замедляющей системы связан с конструкцией вакуумной оболочки прибора.

Триангуляция - трехсторонняя деформация упругой тонкостенной металлической трубки.

К преимуществам метода закрепления ЗС в корпусе прибора за счет упругой деформации можно отнести малую трудоемкость сборки и простоту специального технологического оборудования, что достаточно удобно при организации производства. К недостаткам, ограничивающим применение этого метода при создании мощных широкополосных ЛБВ следует отнести относительно плохой теплоотвод от вакуумной оболочки к внешней системе охлаждения, недостаточная прочность конструкции из-за малой толщины стенок вакуумной оболочки, а также сложность сборки ЛБВ с магнитами МПФС и юстировки прибора.

Метод термофиксации (термообжим) - закрепление ВЧ блока осуществляется за счет деформации корпуса при нагреве.

Недостатком этого метода является неравномерное зажатие спиральной ЗС по её длине. Это связано: во-первых, с тем, что используемое приспособление создает сдавливающее усилие в точках, расположенных с определенным периодом (между полюсными наконечниками). Во-вторых, термическая деформация корпуса уменьшается от центра приспособления к его периферии. В результате последние витки спирали, находящиеся у выходного устройства вывода энергии, которые обычно имеют максимальную температуру, могут быть зажаты с натягом всего 0,01-0,02 мм, что является недостаточным с точки зрения обеспечения удовлетворительного теплоотвода.

Для создания ЛБВ с выходной мощностью более 100 Вт на предприятии, на котором проводилось дипломное проектирование, для вставки и закрепления замедляющей системы с определенным натягом в корпусе прибора используется метод горячей посадки, т.к. он создает возможность получить достаточно низкие значения тепловых сопротивлений конструкции в радиальном направлении, что, в свою очередь, улучшает тепловой режим спирали.

При использовании метода горячей посадки замедляющая система ЛБВ, состоящая из керамических стержней и спирали, предварительно собранная на специальной оправке, вставляется в нагретый до высокой (обычно порядка 800°С - 900°С) температуры корпус прибора. Последний представляет собой конструкцию из полюсных наконечников и немагнитных промежуточных втулок, спаянных между собой высокотемпературным припоем (обычно -медью Т_пл=1083^оС). Поскольку корпус прибора при нагреве до высокой температуры расширяется, то в его внутренний канал можно вставить подготовленную в оправке замедляющую систему. Для обеспечения такой сборки необходимо, чтобы диаметр внутреннего канала нагретого корпуса на 0,01-0,015мм превышал диаметр окружности, описанной вокруг замедляющей системы, создавая сборочный зазор. После проведения вставки и снятия температуры корпус прибора, охлаждаясь, должен выбрать посадочные зазоры, перекрыть поле допусков и обеспечить гарантированный натяг замедляющей системы, создавая достаточно хорошие контакты между элементами конструкции.

Таким образом, для рассматриваемого нами случая при нагревании корпуса с диаметром внутреннего канала около 4,5мм до 900°С его величина увеличится на

Дd_BH=б*ДT* d_BH?0,04 мм,

где б -коэффициент линейного расширения (для стали б ? 12*10^-6 1/град) ?T - изменение температуры корпуса (?Т?880°С), d_BH - диаметр внутреннего канала корпуса (d_BH?6 мм).

В результате с учетом обеспечения сборочного зазора для вставки величиной 0,01-0,015 мм можно создать натяг в собранной конструкции высокочастотного блока по всей его длине после остывания корпуса величиной не более 0,045-0,05 мм.

Подбор элементов замедляющей системы и корпуса для осуществления сборки таким способом производится селективным методом. Сначала производится измерение элементов, входящих в замедляющую систему, т.е. наружного диаметра спирали и высоты опор, при этом, подбирая опоры таким образом, чтобы их высоты не отличились более чем на 0,01 мм друг от друга. Это важно для дальнейшего обеспечения соосности основных узлов ЛБВ: электронной пушки, замедляющей системы и МПФС.

Для проведения вставки замедляющей системы в корпус ЛБВ на предприятии разработана и изготовлена специальная вакуумная автоматизированная установка.

Вставка замедляющей системы в корпус производится следующим образом. В этой установке на одной оси устанавливается корпус и собранная в специальной оправке замедляющая система, прикрепленная к подвижной тяге. Корпус и замедляющая система разделены тепловым экраном. После установки этих элементов для сборки опускается колпак и производится откачка с помощью вакуумной системы до давления 10^-4 мм рт. ст.

После достижения вакуума корпус нагревается до требуемой температуры с помощью высокочастотных индукционных токов от специального мощного генератора. После достижения заданной температуры выключается нагрев и включается пневматическая система, которая быстро перемещает тягу с замедляющей системой и вставляет ее внутрь корпуса в определенном положении. Затем после вставки под колпак подается струя азота для быстрого остывания корпуса, собранного с замедляющей системой, после чего колпак установки поднимается и корпус извлекается из установки.

Выводы к главе II

Согласно материалу приведенному во второй главе данного дипломного проекта можно сделать следующие выводы:

1. Для получения мощности в 300 Вт в диапазоне частот 13 ГГц ± 10% при коэффициенте усиления не менее 25 дБ и рабочем напряжении 7 ч 8 кВ наиболее подходящей является спиральная замедляющая система, конструкционные параметры которой будут рассчитаны в следующей главе.

2. Существует 3 варианта для выбора материала спирали: медь, вольфрам и молибден. Наиболее подходящим по своим свойствам и технологии навивки является молибден. Он допускает достаточно высокие рабочие температуры и более пластичен, чем вольфрам.

3. Для осуществления эффективного теплоотвода и усиления воздействия МПФС на электронный поток применяется конструкция корпуса замедляющей системы без внутренней трубки. Такая система накладывает более жесткие требования к ее конструкции.

4. Для осуществления эффективного теплоотвода применяются керамические опоры (штабики) из оксида бериллия BeO прямоугольного сечения.

5. Для предотвращения обратной связи, а следовательно перехода ЛБВ в режим генерации, в ЗС наносится поглотитель.

6. Для осуществления эффективного теплоотвода закрепление спиральной системы осуществляется методом горячей посадки.

Глава 3. Численное моделирование ЗС

3.1 Расчёт параметров замедляющей системы

При проектировании замедляющей системы большое значение имеет достоверное определение таких электродинамических параметров систем как коэффициент замедления n и сопротивление связи R_св в рабочей полосе частот. Это особенно важно в связи с тем, что данные параметры обычно используются при анализе на ЭВМ процессов взаимодействия замедленной электромагнитной волны с электронным потоком, и поэтому от точности их определения во многом зависит результат проектирования ЛБВ.

Электродинамические параметры спиральной ЗС можно определить экспериментально. Однако, такие измерения достаточно трудоемки, особенно на начальном этапе проектирования ЛБВ, поскольку связаны с необходимостью изготовления специальных макетов, которых может оказаться достаточно много. Поэтому проблема возможности оперативного определения электродинамических параметров спиральных ЗС с необходимой точностью с помощью компьютерных программ всегда остается актуальной для разработчиков ЛБВ.

Известно, что величины замедления и сопротивления связи в широкополосной спиральной ЗС существенно зависят от многих факторов, а именно: диаметра и шага спирали; диаметра внешнего экрана; количества, размеров и материала диэлектрических стержней; а также формы и размеров элементов, создающих продольную проводимость в системе.

В этой главе будет представлена следующая работа:

1) Оценка параметров ЗС на основе линейной теории ЛБВ

2) Компьютерный расчет параметров ЗС в программе WinHelix (на основе решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС)

3) Расчет выходных параметров ЛБВ по одномерной нелинейной программе HelixTwt.

3.2 Линейный расчет основных конструктивных параметров ЗС

Вопросам разработки инженерного метода расчета усилительной ЛБВ со спиральной замедляющей линией посвящено сравнительно большое число работ. Все эти работы основаны на линейной теории взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной.

Проведем предварительный расчет конструктивных параметров спиральной замедляющей системы ЛБВ. Формулы расчета получены на основе аппроксимации основных результатов линейной теории, приведенной в книге Кац А.М., Цейтлин М.Б. «Лампа с бегущей волной».

Исходные параметры, которым, согласно техническому заданию дипломного проекта, должна отвечать замедляющая система мощной спиральной ЛБВ:

Выходная мощность P = 300 Вт;

Диапазон частот 8ч18 ГГц;

Рабочее напряжение 7 ч 8 кВ;

Ток электронного пучка не более 0,5 А.

Расчет замедляющей системы проводится следующим образом:

1. Для начала определим значение ускоряющего напряжения, находящегося в пределах диапазона, указанном в техническом задании.

U₀ = 7500 В.

2. На основе использования экспериментальных данных, полученных ранее, значение электронного КПД выбираем равным 15%

= 0,15

Отсюда можно определить ток электронного пучка:

I = 0.266 А

Полученное значение тока электронного пучка меньше 0,5, что удовлетворяет требованиям технического задания.

3. Определим коэффициент замедления электромагнитной волны в замедляющей системе n для средней частоты рабочего диапазона ЛБВ f₀ = 13 ГГц. Коэффициент замедления рассчитываем по формуле:

, где

n_эл - коэффициент электрического замедления, соответствующее скорости электрона в пространстве взаимодействия;

b - параметр несинхронности;

C - параметр усиления Пирса.

,

n_эл = 5.8312.

,

где н - скорость электронов в свободном пространстве;

н - фазовая скорость электромагнитной волны в замедляющей системе.

n_зам = 6.35

4. Исходя из заданного диапазона частот, рассчитаем средний диаметр спирали б. Диаметр спирали должен обеспечивать эффективное взаимодействие замедленной электромагнитной волны с электронным потоком в ЛБВ.

Известно, что коэффициент усиления и электронный КПД прибора достигают максимальной величины, когда обобщенный параметр распространения электромагнитной волны в замедляющей системе находится в пределах 1,0-1,5 единиц.

Известно, что квадрат фазовой постоянной распространения равен сумме квадратов обобщенного параметра распространения электромагнитной волны в замедляющей системе и параметра распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.

,

где

-- фазовая постоянная распространения

-- параметр распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.

с- скорость света

Как уже говорилось ранее оптимальное значение обобщенного параметра распространения электромагнитной волны для средней частоты рабочего диапазона в замедляющей системе гa должно находиться в области от 1,0 до 1,5. В нашем случае примем параметр гa = 1,2. Следовательно, средний диаметр спирали конструируемой ЛБВ будет равен б = 1,68

5. Диаметр пролетного канала d будет равен

d = б -2 t,

где t - толщина спирали проводника в мм. t = 0.2

Следовательно d = 1.28 мм

6. Рассчитаем параметр пространственного заряда g и параметра усиления С.

Для этого необходимо ввести вспомогательные переменные m и n. Они определяются по следующим графикам:

Рис. 3.1. Кривые для определения вспомогательных параметров т и п в зависимости от b/a, что эквивалентно коэффициенту заполнения k.

Выберем вспомогательные параметры m и n, с учетом того, что коэффициент заполнения k за годы проектирования ЛБВ на производстве принято считать оптимальным при значении 0,5. Соответственно вспомогательная величина m = 1.27, а n = 3.24.

, где р микропервианс

p = 0.411

g = 1.347

C = 0.080

7. Найдём параметр несинхронности

b = 1.114

8. Сопротивление связи в замедляющей системе

К_св = 56.393

9. Параметр погонного усиления B₁

ч₀ = 34.561

ч₂ = 1.074

B₁ = 37.525

10. Длина замедляющей системы l

Величина вносимых в замедляющую систему потерь D (дБ) и длину локального поглотителя l₂

D = 40 дБ

l₂ = 30 мм.

Найдем коэффициент, характеризующий уменьшение усиления, обусловленное локальным поглотителем

А₁ = 17.285

l = 66.139

11. Шаг спирали

Для того чтобы найти шаг спирали необходимо ввести в расчет диаметр экрана замедляющей системы, который обусловлен диаметром спирали замедляющей системы и высотой опор на которые закрепляется эта спираль.

d_экр = 4.2 мм.

Диэлектрическая постоянная керамических опор. Поскольку керамические опоры выполняются из оксида бериллия BeO их диэлектрическая постоянная равна

е₁ = 6.5

Площадь поперечного сечения опор: s₁ = 26.424

Эквивалентная диэлектрическая проницаемость е₂

е₂ = 2.090

h = 0.9

12. Геометрическое замедление

В грубом приближении, без учета дисперсии (зависимость фазовой скорости от частоты), влияния экрана и диэлектрических опор замедление в спирали можно рассчитать, учитывая только геометрические размеры самой спирали:

nгеом = 1/cosФ

, где Ф - угол наклона витков спирали к продольной оси z. Эту формулу можно переписать через a и h, где a - радиус спирали, h - шаг спирали:

Возьмем измеренные геометрические параметры спирали, полученные раннее:

a(радиус спирали) = 0,84 мм и h = 0,9 мм, подставим их в формулу для nгеом. Получим nгеом = 6,084

На самом деле nгеом не совпадает с реальным замедлением. Чтобы получить значение n, близкое к реальным, надо воспользоваться поправкой:

n = nгеом * 1,2

Получим n = 7,3 -это значение замедления, которое в дальнейшем будет проверено и подтверждено в программе WinHelix .

13 Коэффициент замедления для свободной спирали с учетом дисперсии

Так же приближенный коэффициент замедления для свободной спирали (без учета влияния диэлектрических опор и экрана ), но с учетом дисперсии можно рассчитать по формуле:

Подставляя сюда наши значения радиуса, шага спирали в заданном диапазоне частот получим (таблица 3.1):

Таблица 3.1

Частота(ГГц)	Замедление
9	4.305
10	4.583
11	4.761
12	4.909
13	5.035
14	5.142
15	5.236
16	5.317
17	5.389
18	5.453

Эти значения n совпали со значениями, полученными с помощью расчета в программе WinHelix для свободной спирали.

Рис 3.2 Зависимость коэффициента замедления n для свободной спирали от частоты, рассчитанное на основе линейной теории в Mathcad и на основе дисперсионного уравнения в WinHelix.

14. Нахождение волнового сопротивления спирали с экраном и тремя диэллектрическими опорами

3.3 Результаты первоначального расчёта основных конструкционных параметров ЗС

По результатам расчёта были получены следующие конструкционные параметры мощной спиральной ЛБВ:

Таблица 3.2

Средний диаметр спирали	1,68 мм
Диаметр пролетного канала	1,28 мм
Длина замедляющей системы	66,139 мм
Диаметр экрана замедляющей системы	4,2 мм
Шаг спирали	0.9 мм
Ширина проволоки спирали	0,2 мм

Ток электронного пучка 0,266 А

Коэффициент замедления 6,35

Пространственный заряд 1,444

Параметр усиления 0,080

Параметр несинхронности 1,114

Сопротивление связи 56.393 Ом

Волновое сопротивление 92,913

3.4 Численное проектирование ЗС для ЛБВ в программе WinHelix

XXI век - это век развития информационных технологий, связанный с ростом скоростей и производительности электронных схем, увеличения объема памяти на носителях и.т.д. С развитием вычислительных мощностей появилась возможность заранее определить выходные параметры еще не существующего прибора. Теоретический расчет дает приближенный результат, так как учесть все процессы, происходящие в приборе попросту невозможно в силу требования высоких вычислительных мощностей, либо неточности в самой теории (расхождение). Поэтому использование расчетных программ - это еще один инструмент в руках экспериментатора - разработчика.

Методика расчета дисперсионных характеристик

Расчет зависимости коэффициента замедления и сопротивления связи от частоты для выбранной мной конструкции замедляющей системы программа WinHelix проводит в рамках модели спирально - проводящего цилиндра на основе решения дисперсионного уравнения спиральной ЗС. Вывод дисперсионного уравнения с учетом диэлектрических опор и геометрии металлических ребер, создающих продольную проводимость для спиральной ЗС дан в работе Л.Н. Лошакова и Ю.Н. Пчельникова . Однако в этих работах профиль и размеры проводника спирали не учитывались.

Поскольку в большинстве случаев для изготовления спиральных ЗС мощных ЛБВ применяется проводник с эллиптическим поперечным сечением, то учет его профиля и размеров можно провести, используя, так называемые, усредненные граничные условия. Такие условия, введенные Л.А. Вайнштейном, позволяют вместо решения сложной граничной задачи на проводниках вводить эквивалентные условия на некоторой гладкой поверхности.

В случае использования спирали, изготовленной из проводника эллиптического сечения с внутренним радиусом a, можно осуществить переход к спирали из бесконечно тонкой ленты, используя конформные отображения. В этом случае эквивалентная ширина бесконечно тонкой ленты t определяется из решения следующего уравнения

,(1)

где h, Ф - шаг и угол намотки спирали, соответственно; 2u и 2v - толщина и ширина эллиптического проводника спирали.

Характеристики спиральных ЗС в металлическом экране с диэлектрическими стержнями, обычно рассчитывают приближенными методами на основе замены реального диэлектрика эквивалентной диэлектрической трубкой, относительная диэлектрическая проницаемость которой определяется как

,(2)

где S - площадь поперечного сечения области между спиралью и экранирующей поверхностью, S₀ - площадь поперечного сечения, занимаемая диэлектрическими опорами, - относительная проницаемость диэлектрических стержней, используемых в ЗС.

В результате эквивалентных замен осуществлен переход от конструкции ЗС с металлокерамическими опорами к эквивалентной системе, в которой пространство между спиралью и экраном заполнено однородным диэлектриком с проницаемостью _эфф. Поперечное сечение эквивалентной ЗС разбивается на три области: область внутри спирали (ra), в которой диэлектрик отсутствует =1; область между спиралью и элементами продольной проводимости (arR) с диэлектриком, имеющем =_эфф; область между элементами продольной проводимости и экраном (Rrd) с диэлектриком, имеющем =_эфф.

Используя процедуру сшивания полей на границах областей эквивалентной системы в рамках модели спирально-проводящего цилиндра , записывается дисперсионное уравнение для рассматриваемой системы

(3)

где I₀, I₁, K₀, K₁ - модифицированные функции Бесселя первого и второго рода нулевого и первого порядка, соответственно;

- волновое число.

Дисперсионное уравнение (3) относительно поперечной постоянной распространения (a) решается численно на ЭВМ. Найденное значение поперечной постоянной распространения позволяет рассчитать замедление рассматриваемой системы.

Величина сопротивления связи, характеризующая эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем замедляющей системы, для свободной спирали определяется следующим выражением

,(4)

где .

Влияние металлического экрана с продольно-проводящими ребрами и диэлектрических опор учитывается введением коэффициента , связывающего сопротивление связи рассматриваемой замедляющей системы и сопротивление связи свободной спирали

.

Выражение для определения коэффициента , полученное в [2] имеет следующий вид

Описание программы

В своем проекте я воспользовался такой программой, которая была разработана Хриткиным С.А. Название этой программы - WinHelix, слово Helix в переводе с английского означает “Спираль”, а приставка Win значит, что эта программа работает под операционную систему Windows. Версия WinHelix 1.0.0 означает законченную (полную) программу. В качестве замедляющей системы программа использует спираль, отсюда и название ее. Сведения о программе WinHelix 1.0.0 представлены на рис.3.3

Рис.3.3 Сведения о программе WinHelix.

Программа WinHelix оснащена удобным и вполне понятным интерфейсом, который показан на рис.IV.2.

Рис.3.4. Интерфейс программы WinHelix.

При работе с ней не возникает таких вопросов, как рассчитать, выбирать, куда нажимать и что это значит, так как все подписано и расшифровано. Режим работы программы является оконным, что характерно для многих программ, работающих под Windows (это дает гибкость в работе, т.е. вы можете параллельно загружать и работать с другими программами).

Далее приведено описание ее главного меню, кнопок, вкладок и вывод результатов, как в графическом, так и в текстовом варианте:

Главное меню содержит три кнопки: Файл, Графики, Справка. Кнопка Файл содержит: Открыть, Сохранить, Выход.

Кнопка “Графики” содержит графическое изображение пяти графиков:

1) Коэффициент замедления (зависимость от частоты).

2) Сопротивление связи на поверхности спирали (зависимость от частоты).

3) Сопротивление связи усредненное (зависимость от частоты).

4) Волновое сопротивление (зависимость от частоты).

5) Затухание (зависимость от частоты).

Для моего проекта интерес представляют первые три графика, так как с ними связан мой численный расчет.

В кнопке “Справка” находится кнопка “О программе”, которая предоставляет краткие сведения о самой WinHelix и об ее авторах.

Ниже главного меню установлены пять кнопок: “Открыть”, “Сохранить”, “Рассчитать”, “О программе”, “Выход”. Это сделано для еще большего удобства и скорости работы с программой.

Ниже, слева от пяти кнопок, находятся два вкладыша: “Общие”, “Геометрия”. “Геометрия” включает в себя восемь пунктов входных данных, которые относятся к конструктивным параметрам замедляющей системы:

1) Средний радиус спирали (в моем случае равен 0,168 см).

2) Шаг спирали (в моем случае равен 0,09 см).

3) Коэффициент заполнения (в моем случае равен 0,45).

4) Радиус сплошного экрана (в моем случае равен 0,42 см).

5) Радиус продольно проводящего экрана.

6) Количество диэлектрических опор (в моем случае 3 штуки).

7) Угловой размер опоры (в моем случае равен 40°).

8) Диаметр провода спирали (в моем случае равен 0,02 см).

На рис. показаны почти все геометрические элементы, которые надо вводить во вкладыш “Геометрия”. Отсутствует только коэффициент заполнения (3), так как он является отношением: радиус электронного пучка делим на средний радиус спирали. Диапазон коэффициента заполнения равен 0,4…0,6. На рис.IV.3. рассмотрена замедляющая система, которая участвовала в моем эксперименте.

Рис.3.5. Основные геометрические параметры ЗС.

1-Средний радиус спирали; 2-Шаг спирали; 3-Радиус электронного пучка; 4- Радиус сплошного экрана; 5-Радиус продольно проводящего экрана; 6-Диэлектрические опоры(3 штуки); 7-Угловой размер опоры; 8-Диаметр провода спирали.

Вкладыш “Общие” включает в себя четыре раздела: “Тип замедляющей системы”, “Материал спирали и экрана”, “Материал диэлектрических опор”, “Границы частотного диапазона”. В первых трех разделах нам предлагают выбрать данные из списка, а в четвертом их надо ввести. Эти разделы можно отнести к обобщенным данным о высокочастотном блоке.

Раздел “Тип замедляющей ситемы” предлагает нам выбор из семи пунктов:

1) Свободная спираль.

2) Спираль + Экран.

3) Спираль + Экран + Опоры.

4) Спираль + Продольно Проводящий Экран (ППЭ).

5) Спираль + ППЭ + Опоры.

6) Спираль + Экран + ППЭ.

7) Спираль + Экран + ППЭ + Опоры.

8)

Рис.3.6 Семь типов замедляющих систем (в поперечном сечение).

Расчёт программой велся относительно третьего пункта(Спираль + Экран + Опоры), чтобы сравнить результаты с линейным расчётом.

Раздел “Материал спирали и экрана” разделён на два пункта: “Спираль” и “Экран”. В пункте “Спираль” надо выбрать материал спирали:

1) Молибден.

2) Вольфрам.

3) Медь.

4) Никель.

5) Серебро.

6) Золото.

В пункте “Экран” предлагают выбор материала экрана. Выбор материала спирали и экрана совпадают с 1) по 6). Для моей спирали и моего экрана был выбран материал Молибден.

Раздел “Материал диэлектрических опор” предлагает выбор из пяти пунктов:

1) Кварц.

2) Керамика 22XC9.

3) Бериллиевая керамика.

4) Нитрид бора.

5) Алмаз.

В моем эксперименте в качестве материала опор была выбрана Бериллиевая керамика (3).

Раздел “Границы частотного диапазона” предлагает ввести дипазон частот в ГГц. В нем содержатся три ячейки:

1) Нижняя (в моем случае 8 ГГц).

2) Верхняя (в моем случае 18 ГГц).

3) Шаг расчета по частоте (в моем случае 0,5 ГГц).

Ниже двух вкладышей находится табличка с результатами расчета. Показана на рис..

Рис.3.7 Таблица вывода результатов.

Справа от вкладышей расположен график, который можно выбрать в главном меню программы. Далее перейдем непосредственно к расчету электродинамических параметров замедляющей системы.

Расчет электродинамических параметров ЗС.

После ввода входных параметров ВЧ блока и нажатия кнопки “Рассчитать”, на выходе получим результат, представленный как в текстовом варианте, так и в графическом. Результат расчета программой представлен в таблице 3.2

Табл.3.2. Данные, полученные в результате расчета программой (WinHelix).

Частота(ГГц)	Замедление	Rсв на пов.(Ом)	Rсв пучка(Ом)	Затухание(дБ/м)	Волн.сопр.(Ом)
8	6,174	140,953	102,8767	14,8717	122,56008
9	6,28295	131,5221	87,5154	16,6633	114,77504
10	6,37757	122,0585	73,3538	18,4538	107,50304
11	6,45766	113,3387	60,7775	20,239	100,81395
12	6,52371	105,0717	49,9447	22,0201	94,7298
13	6,57679	97,5336	40,8266	23,8014	89,23542
14	6,6183	90,7545	33,2766	25,5885	84,2921
15	6,64979	84,7093	27,0928	27,3868	79,8493
16	6,67275	79,3418	22,0622	29,2008	75,85313
17	6,69738	73,8617	18,656	31,8661	71.54530
18	6,71912	68,7084	15,7086	33,4018	68,44419

По данным табл.3.2. строятся пять графиков от частоты.

Рис.3.8. Зависимость коэффициента замедления от частоты.

Рис.3.9 Зависимость сопротивления связи (на поверх. спирали) от частоты.

Рис.3.10 Зависимость сопротивления связи (усредненное по сечению эл. потока) от частоты.

Рис.3.11 Зависимость волнового сопротивления от частоты.

Рис.3.12 Зависимость затухания от частоты.

3.5 Сравнение линейного расчёта ЗС с расчётом в программе WinHelix

А теперь сравним электродинамические параметры, полученные в главе 3.2 с параметрами, полученными в ходе компьютерного проектирования в главе 3.4.

Компьютерный расчет показал, что в рассмотренной замедляющей системе имеет место положительная дисперсия. Коэффициент замедления n, рассчитанный с помощью линейной теории в главе 3.2 был равен 6,35 на частоте 13 ГГц, что на 3,5 % меньше результата, полученного в программе WinHelix (n=6,57). Такое отклонение незначительно и находится в пределах нормы.

Линейный расчет волнового сопротивления дал результат Z=92,913 (Ом) на частоте 13 ГГц, тогда как расчет в программе WinHelix показал результат Z=89,23 (Ом). То есть отклонение этих значений друг от друга составило 3%, что тоже в пределах нормы.

Отклонение сопротивления связи составило 26%. Видно, что отклонение существенно, это связано с неточностью расчета сопротивления связи в линейной теории, а так же с тем, что этот параметр сильно изменяет свое значение от оси системы к поверхности спирали.

3.6 Расчет выходных параметров ЛБВ в программе HelixTwt

Полученные расчетные значения электродинамических параметров были использованы при проектировании с помощью программы “HelixTwt” пространства взаимодействия, т.е. определения распределения шага спирали, затухания локальных поглотителей и длин отдельных секций, при котором обеспечиваются заданные техническим заданием основные выходные параметры ЛБВ, т.е. выходная мощность, коэффициент усиления, электронный кпд. Эта программа была разработана на предприятии Хриткиным С.А. и Азовым Г.А. Учитывая, что разрабатываемая ЛБВ должна иметь коэффициент усиления в линейном режиме более 25 дБ, замедляющую систему по длине предполагается разбить на две секции (с одним локальным поглотителем) для того, чтобы исключить возможность возбуждения ЛБВ.

Результаты проектирования, т.е. распределения на средней частоте вдоль длины замедляющей системы электронного кпд, тока электронного пучка, коэффициента усиления, распределенного затухания, разности фаз высокочастотного поля, приведенные на рис 3.14-3.19, были использованы для конструирования пространства взаимодействия. В соответствии с полученными результатами были приняты следующие величины длин секций замедляющей системы:

Входная секция20 мм

Поглотитель 40 мм

Выходная секция50 мм

Общая длина замедляющей системы110 мм

Исходные данные для расчета в программе:

-Ток электронного пучка (0.26А)

-Ускоряющее (7500В)

-Опорная частота (13ГГц)

-Низкочастотная граница диапазона (10 ГГц)

-Высокочастотная граница диапазона (18ГГц)

-Длина системы (6.6см)

-Радиус канала (0.062см)

-Коэффициент заполнения (0.43)

-Радиус сплошного экрана (0.22см)

-Ширина проводящей спирали (0.023см)

-Толщина проводящей спирали (0.017см)

-Высота ребер экрана (0.1см)

- Количество диэлектрических опор (3)

-Диэлектрическая проницаемость опор (6.4)

-Высота диэл. опоры (0.13см)

-Ширина диэл. опоры (0.06см)

-Общая ширина опоры (0.18см)

-Шаг спирали (0.09см)

По этим данным программа строит модель замедляющей системы в поперечном сечении (рис 3.13).

Рис 3.13 Поперечное сечение ЗС

Полученные выходные параметры ЛБВ в виде графиков:

Рис. 3.14 Распределение затухания по длине ЗС

Рис. 3.15 Зависимость коэффициента усиления от участка ЗС

Рис 3.16 КПД

Рис. 3.17 Распределение мощности по длине системы

Рис.3.18 Зависимость разности фаз ВЧ поля и электронного пучка от длины системы

Рис. 3.19. Зависимость тока электронного пучка от длины системы

Из полученных результатов проектирования видно, что на выходе, выбранной спиральной замедляющей системы, будет обеспечиваться мощность 368 Вт при коэффициенте усиления 26 Дб и токе пучка 0.42 А, что удовлетворяет условию технического задания. КПД составил 19%. Следовательно, электрический режим и основные параметры соответствуют требованиям технического задания.

Глава 4. Экономическая часть

4.1 Расчёт себестоимости изделия

В себестоимость опытного образца включается:

· Стоимость основных материалов, полуфабрикатов и покупных изделий,

· Основная зарплата исполнителей,

· Дополнительная зарплата,

· Отчисления на социальные нужды,

· Накладные расходы

1. Затраты на материалы и комплектующие изделия составляют 95177 рублей без НДС.

2. Расходы на оплату труда изготовителей.

РОТ = 63721 руб.

З. Затраты на дополнительную заработную плату составляют:

ДЗП = 6673 руб.

4. Просуммируем значения основной и дополнительной заработной платы, определим фонд оплаты труда:

ФОТ =63721 +6673 = 70394 руб.

5. Единый социальный налог установлен в размере 26% от суммы оплаты труда в соответствии с Налоговым Кодексом РФ ч.2 гл.24

ЕСН = 20500 руб.

6. Страховой тариф на обязательное страхование от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний 0,2% от суммы оплаты труда. Взимается на основании постановления Правительства РФ от 21.12.2000 №996 «О внесении изменений и дополнений в правила отнесения отраслей экономики профессионального риска»

Страховой тариф=19139*0,002=38,28 руб.

7. Накладные расходы составляют 210,19% от основной заработной платы.

Накладные расходы = 130322 руб

Прибыль составляет 25% от себестоимости: 732265* 0,25 =

213382 руб.

Налогом на добавленную стоимость (НДС) не облагается, так как источником финансирования является госбюджет (статья 149 пункт 3 подпункт 16 Налогового Кодекса РФ).

Таким образом, цена широкополосной ЛБВ составит 1057761 руб.

Таблица 4.1. Структура цены

№№	Наименование статей	Затраты на единицу в рублях
п/п				по предложению	принятые ВП 457
				предприятия
1.	Основные материалы		11074
2.	Комплектующие изделия		82996
3.	Вспомогательные материалы		1107
4.	Ф О Т				70394
5.	Дополнительная зарплата		6673
6.	Единый социальный налог		20500
7.	Содержание оборудования		150256
8.	Цеховые расходы			239368
9.	Общезаводские расходы		149897
	СЕБЕСТОИМОСТЬ			732265

Глава 5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Оценка возможных опасных и вредных производственных факторов

В процессе трудовой деятельности при нарушении безопасных условий труда на человека могут воздействовать, как известно, опасные и вредные производственные факторы.

Охрана труда - система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, которые обеспечивают безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

Опасный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. К резкому ухудшению здоровья можно отнести отравление, облучение, тепловой удар и др.

Вредный производственный фактор - производственный фактор, воздействие которого на работающего приводит к заболеванию или снижению работоспособности. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным.

При проектировании и организации работы в вычислительных центрах (ВЦ) необходимо учитывать опасные и вредные факторы. Из опасных факторов внимание следует обращать на электроопасность и пожароопасность. Также надо обращать внимание на такие вредные факторы, как повышенный уровень шума и вибрация, повышенная или пониженная температура внешней среды, отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны, статическое электричество, ионизирующее излучение, ионизация воздуха, электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля, микроклиматические параметры и чистота воздуха.

Электроопасность. Электрические установки, к которым относится почти все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате пробоя изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело человека.

Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него сложное воздействие, вызывая термическое, электролитическое, механическое и биологическое действие. Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участков тела, нагреве тканей и биологических сред, что вызывает в них биологические расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, крови и проявляется в изменении их физико-химического состава. Механическое действие тока приводит к разрыву мышечных тканей. Биологическое действие тока выражается в способности раздражать и возбуждать живые ткани организма.

Любое из перечисленных воздействий тока может привести к электрической травме, вызванной воздействием электрического тока или электрической дуги (ГОСТ 12.1.009-76).

Опасность поражения электрическим током зависит от ряда факторов: величина и частота тока, время воздействия, пути прохождения тока через организм, индивидуальных особенностей человека (физическое развитие, масса тела, возраст и пр.). В результате воздействия электрического тока возможны ожоги, нарушение дыхания и кровообращения, механические повреждения (ушибы, переломы) и др.. Нарушение сердечной деятельности может привести к смерти.

Пожароопасность. В современных ЭВМ высокая плотность размещения элементов электронных схем, близость друг к другу соединительных проводов, коммутационных кабелей представляют серьезную пожароопасность. Источником пожара может быть короткое замыкание, искрение или, например, чрезмерный нагрев.

Опасность при пожаре представляют: токсичные продукты горения, выделяемые горящими материалами и предметами (теплоизоляционные, акустические, декоративные и другие синтетические отделочные материалы ), воздействие огня и высокие температуры.

Воздействие этих факторов на человека может привести к отравлению, тепловым ударам, ожогам различной степени и смерти.

Шум и вибрация. Для рабочих мест ВЦ характерно наличие всех видов шумов: механического, аэродинамического, электрического. Технические средства создают механический шум, установки кондиционирования, компрессоры - аэродинамический, преобразователи напряжения - электромагнитный.

Проявление вредного воздействия шума на организм человека разнообразно: затруднение разборчивости речи, снижение работоспособности, обратимые и необратимые потери слуха, механическое повреждение органов слуха, воздействие на центральную и вегетативную нервную системы (через них на внутренние органы). Может вызвать головную боль, бессонницу, ослабление внимания, ухудшение памяти.

Вибрации также могут неблагоприятно действовать на организм человека. Они могут быть причиной функциональных расстройств нервной и сердечно-сосудистой систем (спазмы сосудов), а также опорно-двигательного аппарата. Они также могут быть причиной головных болей, головокружений, повышенной утомляемости. Возможно также ухудшение состояния желудочно-кишечного тракта, головного и спинного мозга.

Вибрации способны оказывать действия на все органы. Особо вредными считаются колебания с частотой 6-9 Гц, близкой к частоте колебаний тела человека. При вибрациях таких частот возникает вредный резонанс, который увеличивает колебания внутренних органов, расширяя их или сужая.

Ионизирующее излучение. Экран монитора представляет собой источник бета- и гамма- рентгеновского излучений. Эти излучения являются ионизирующими. При воздействии на человека они могут вызвать образование в организме чужеродных молекул белка с токсическими свойствами. При длительном воздействии ионизирующее излучение может привести к малокровию, образованию злокачественных опухолей. Возможно снижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям и другие неблагоприятные эффекты.

При работе за дисплеем особенно подвергаются облучению кожа лица, глаза, головной мозг и кровь. Чрезмерная ионизация воздуха также может негативно влиять на человека.

Электромагнитные, электростатические и переменные магнитные поля.

Низкочастотные электромагнитные поля возбуждает отклоняющая система электронно-лучевой трубки монитора. Источник электростатического поля - прежде всего экран монитора и система формирования электронного луча ЭЛТ.

Переменные магнитные поля образует трансформатор развертки монитора, трансформаторы блоков питания и другие вспомогательные устройства. Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в теплоту. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, происходит повышение температуры тела. Перегревание органов и тканей ведет к их заболеваниям. Электромагнитные поля могут влиять и непосредственно на клетки, приводя к изменению происходящих в них процессов. Особенно болезненно могут реагировать на электромагнитное поле клетки глаз, мозга, почек, желудка.

Отрицательное воздействие электромагнитных полей вызывает обратимые и необратимые изменения в организме: торможение рефлексов, понижение кровяного давления, выпадение волос, ломкость ногтей.

Электростатические поля могут вызвать вторичную электризацию человеческого организма. Это вредное явление способствует развитию дерматита, появлению угрей. Низковольтный разряд способен прекратить клеточное развитие, вызвать помутнение хрусталика. Воздействие магнитных полей на человека может приводить к нарушениям в нервной системе, пищевом тракте, сердечно-сосудистой системе, изменениям в составе крови.

Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная или неправильная освещенность рабочей зоны. Освещенность помещения ВЦ создается естественными и/или искусственными источниками света. Недостаток освещенности или неправильная освещенность рабочей зоны, как отсутствие или недостаток естественного света приводят к вредным воздействиям на органы зрения и психику человека.

В результате снижается работоспособность, происходит отрицательное психологическое воздействие, длительная адаптация зрения, что приводит к снижению производительности труда.

5.2 Охрана труда при реализации дипломного проекта

Нормализация микроклимата.

Оптимальными параметрами температуры при почти неподвижном воздухе являются 19-21 ^оС, допустимыми - 18 или 22 ^оС.

Комфортное состояние при данных температурах воздуха определяется влагосодержанием. Оптимальное влагосодержание составляет 10 г/м³, допустимое - не ниже 6 г/м³(См. табл. V.1.)

Табл. 5.1 Содержание абсолютной и относительной влажности воздуха в зависимости от температуры

Темп-ра	Влажность
В Со	Абсолютная, г/м3	Относительная, г/м3
	Оптимальная	Оптимальная	допустимая	допустимая
18	10	6	65	39
19	10	6	62	37
20	10	6	58	35
21	10	6	55	33
22	10	6	52	31

Для обеспечения надлежащего микроклимата и качественного состава воздуха, включая аэронный режим, в котором исследованиями не предусматривались компьютеры, а их оборудование осуществлялось в других помещениях, необходимо систематически перед началом работы и с периодичностью 45 минут осуществлять проветривание не менее 10 минут.

Наилучший обмен воздуха осуществляется при сквозном проветривании, если позволяют погодные условия, то работа за компьютером должна производиться при открытых окнах.

Другой путь обеспечения воздухообмена может быть достигнут установлением в оконных рамах автономных кондиционеров.

Режим работы кондиционера должен обеспечить максимально возможное поступление наружного воздуха, но не менее 50% от производительности кондиционера.

В каждом конкретном случае необходим расчет воздухообмена по количеству избытков тепла от машин, людей и солнечной радиации.

Для повышения влажности воздуха можно использовать увлажнители или устанавливать емкости с водой типа аквариумов вблизи отопительных приборов.

В целях исключения влияния на микроклимат солнечной радиации и создания равномерного естественного освещения необходимо предусмотреть для окон солнцезащитные регулируемые устройства типа жалюзи, расположенные снаружи или в межстекольном пространстве.

Освещение.

На уровень освещенности помещения оказывает влияние цветовая отделка интерьера и оборудования, их ограждающая способность.

Для уменьшения поглощения света потолок и стены выше 1.5-1.7 м, если они не облицованы звукопоглощающим материалом, окрашиваются белой водоэмульсионной краской ( должен быть не менее 0.7). Допускается окраска стен до потолка цветом панелей. Для окраски стен и панелей рекомендуется применять светлые тона красок ( = 0.5-0.6). Предпочтение следует отдавать холодным тонам: светло-голубому, светло-зеленому, светло-серому. Допускается окраска стен светло-желтым, светло бежевым цветом или цветом слоновой кости.

Нельзя окрашивать стены, расположенные напротив экрана монитора, более темными тонами красок ( = 0.3-0.4).

На окнах монтируются занавеси, по цвету гармонирующие с краской стен. Занавеси не должны пропускать естественный свет и не полностью закрывать оконные проемы. Запрещается применять для окон черные занавеси.

В осветительных установках помещения следует использовать систему общего освещения, выполненную потолочными или подвесными люминесцентными светильниками, равномерно размещенными по потолку рядами, параллельно проемам света, так, чтобы экран монитора находился в зоне защитного угла светильника, и его проекция не приходилась на экран монитора.

Оператор не должен видеть отражение светильников на экране ЭВМ. Применять местное освещение при работе на ЭВМ не рекомендуется. Минимальная освещенность рабочей поверхности стола должна быть 100-500 лк. См. табл. 5.2

Табл. 5.2. Нормы освещенности поверхностей в производственных помещениях

			4
1	2	3	5	6
			7	8	9	10
Высокая точность		А	2000	500	1500	300
	От 0,3	Б	1000	300	750	200
	До 0,5	В	750	300	600	200
		Г	400	200	400	150
Средняя точность		А	750	300	600	200
	От 0,5	Б	500	200	500	150
	до 1,0	В	400	150	400	100
		Г	300	150	300	100
Малая точность		А	300	200	300	150
	от 1,0	Б	200	150	300	100
	до 5,0	В	200	100	300	50
		Г	200	100	300	50

1 - Характеристика зрительной работы по степени точности.

2 - Наименьший размер объекта различения, мм.

3 - подразряд зрительной работы.

4 - Освещенность, лк.

5 - при газоразрядных лампах.

6 - при лампах накаливания.

7, 9 - комбинированное освещение.

8, 10 - одно общее освещение.

Яркость экрана должна быть равной 1/2 или более яркости рабочей поверхности стола при освещенности 400-700 лк.

При проектировании осветительных установок с люминесцентными светильниками в помещении целесообразно выбирать коэффициент запаса, равный 1.4.

Допустимая величина дискомфорта, одного из основных качественных параметров осветительных установок, регламентируемого для ограничения прямой блескости, не должны превышать 15. При проектировании осветительных установок следует пользоваться инженерным методом оценки слепящего действия осветительных установок по дискомфорту.

Величина коэффициента пульсации на должна превышать 10 %, для чего следует применять многоламповые светильники с компенсирующими ПРА, осуществлять расфазировке светильников при электромонтаже осветительных установок.

Для освещения помещения рекомендуется применять светильники с металлической экранирующей решеткой и непрозрачными боковинами.

В качестве источников света рекомендуется использовать люминесцентные лампы мощностью 40 Вт или энергоэкономичные мощностью 36 Вт.

Светильники должны освобождаться от пыли не менее двух раз в год.

Работа на видеотерминалах может осуществляться при следующих видах освещения:

1. общем люминесцентном освещении, когда мониторы располагаются по периметру помещения или при центральном расположении рабочих мест в два ряда по длине помещения с экранами, обращенными в противоположные стороны, а также при одно-, трехрядной расстановке рабочих мест с ЭВМ; когда на улице темно, окна должны быть зашторены;

2. совмещенном освещении (естественное + искусственное) только при одно- и трехрядном расположении рабочих мест, когда экран и поверхность рабочего стола находится перпендикулярно светонесущей стенке;

3. естественном освещении, когда рабочие места с ЭВМ располагаются в один ряд по длине помещения на расстоянии 0.8-1.0 м от стены с оконными проемами и экраны видеомониторов находятся перпендикулярно этой стене.

Основной поток естественного света при этом должен быть слева. Не допускается направление основного светового потока справа, сзади и спереди работающей ЭВМ.

Солнечные лучи и блики не должны попадать в поле зрения работающей ЭВМ.

При выполнении работы в качестве источников света использовались люменисцентные лампы мощностью 40Вт.

Шум.

Помещение, где проводится расчет на ЭВМ, не должно граничить с помещениями, имеющими повышенные уровни воздушного и ударного шума, а также располагаться вблизи таких помещений.

Уровень шума помещения, свободного от операторов и вычислительной техники, не должен превышать 40 дБ (СН и П 11-12-77 “Защита от шума. Нормы проектирования”), а уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц - соответственно 63, 52, 39, 35, 28, 20 дБ. См. Табл. V.3

Табл. 5.3 Уровни звукового давления в машинном зале ВЦ (данные спектра в октавных полосах в дБ)

Параметр/f, Гц	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Допустимые значения для помещения	83	74	68	63	60	57	55	54
У одного печатающего устройства	66	56	56	58	62	57	57	52
у двух ПУ	72	62	62	64	68	63	63	58
У одного HDD	72	68	69	67	64	63	58	52
у двух HDD	78	74	75	73	70	69	64	58

Звукоизоляция ограждающих конструкций помещения должна отвечать требованиям согласно главы СНиП 11-12-77.