Механізми збудження коливань у магнетронах на просторовій гармоніці з вторинно-емісійним катодом

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Mагнетрони на просторовій гармоніці (МПГ) з вторинно-емісійним холодним катодом відносяться до найбільш ефективних генераторів міліметрового діапазону довжин хвиль. Їх розробка та створення дозволили в значній мірі задовольнити потреби в приладах з високим рівнем як імпульсної, так і середньої потужності. Такі магнетрони використовуються при розробці різноманітних радіолокаційних систем наземного та повітряного базування.

Разом з тим, МПГ з вторинно-емісійним холодним катодом мають значний потенціал для подальшого покращення їх характеристик. Цього можна досягнути за рахунок оптимізації їх конструкції, що потребує більш детального та глибокого вивчення фізики роботи МПГ та проведення відповідного числового моделювання електронно-хвилевої та електронно-поверхневої взаємодії в таких приладах. До початку виконання цієї дисертації найменш вивченими були процеси, пов'язані з роботою вторинно-емісійного холодного катоду та бокового термокатоду, які є одними з основних елементів таких магнетронів. В якості холодного катоду зазвичай використовується платиновий, молібденовий або мідний катоди, що не містять допоміжного підігрівача. Магнетрон з таким катодом може почати генерувати коливання, тільки якщо досягнута деяка критична величина просторового заряду навколо катоду, після чого встановлюється режим, в якому вторинна емісія підтримується самостійно. Для досягнення вказаної критичної величини заряду зазвичай використовують допоміжний боковий катод. Цей спосіб запуску магнетрона має свої переваги та недоліки. До перших слід віднести невелику потужність катоду та можливість розташування його поза межами простору взаємодії електронів з електромагнітним полем. До недоліків слід віднести збільшення геометричних розмірів та маси приладу, ускладнення конструкції порівняно з системами без допоміжного термокатоду. Окрім цього, допоміжний катод є найбільш критичним вузлом таких магнетронів, що визначає їх термін служби. Тому актуальною залишається задача як вдосконалення методів запуску існуючих магнетронів, так і розробки альтернативних методів запуску магнетронів без використання бокового катоду. Також важливими є роботи по пошуку нових матеріалів для створення ефективних вторинно-емісійних катодів.

Серед альтернативних методів запуску магнетронів слід відмітити запуск магнетрона за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу, на спаді імпульсу анодної напруги, а також за допомогою автоеміттерів. Ці методи було апробовано переважно експериментально, та поки що відсутні достатньо повні математичні моделі, які дозволили б описувати відповідні фізичні процеси та виконувати оптимізацію таких приладів. Слід зазначити, що поки що немає повного розуміння механізмів, відповідальних за збудження коливань в магнетронах, що розглядаються. З вищезгаданого випливає, що дослідження різних механізмів запуску магнетрона та їх оптимізація є актуальною науковою та прикладною задачею, розв'язання якої обумовлено необхідністю вдосконалення магнетронних генераторів міліметрового діапазону довжин хвиль. Її рішення дозволить розвинути теорію електронно-хвилевої взаємодії в приладах магнетронного типу, а також дасть можливість розробити нові шляхи для вдосконалення існуючих магнетронів та розробки нових приладів.

Мета і завдання дослідження. Метою цією роботи було визначення властивостей та характеристик різних способів запуску магнетрона на просторовій гармоніці з холодним вторинно-емісійним катодом для вдосконалення приладів даного типу. Відповідно до цього в роботі були поставлені та розв'язані наступні задачі:

1) Створення математичної та комп'ютерної моделей допоміжного термокатоду, що враховує вплив поля просторового заряду на роботу магнетрона;

2) Створення математичної та комп'ютерної моделей магнетрона з модуляцією анодної напруги;

3) Створення математичної та комп'ютерної моделей запуску магнетрона за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу;

4) Розробка нових конструкцій магнетрона, що працює в режимі обмеження струму термокатоду просторовим зарядом;

5) Визначення фізичних механізмів запуску магнетрона за допомогою модуляції анодної напруги та при застосуванні зовнішнього НВЧ-сигналу;

6) Визначення впливу параметрів холодного катоду на вихідні характеристики магнетрона.

1. Огляд літератури

Міститься коротка історія розробки МПГ з холодним вторинно-емісійним катодом, описані особливості їх роботи та наведені основні способи запуску таких магнетронів. Окрім цього, в розділі сформульовані основні положення математичної моделі, що взята за основу в дослідженнях, результати яких викладено в подальших главах.

2. Вторинно-емісійний катод у магнетроні

Наведені результати дослідження впливу коефіцієнту вторинної емісії (КВЕ) на коливання у магнетроні на просторовій гармоніці з холодним катодом та на вихідні характеристики приладу.

Вторинна емісія є основним джерелом електронів в магнетронах з холодним катодом, через це зміна параметрів холодного катоду може призводити до суттєвих змін вихідних характеристик приладу. Для вивчення впливу КВЕ на процеси, що мають місце у магнетроні, використовувалася числова модель магнетрону, яка заснована на методі еквівалентного ланцюга для розрахунку ВЧ-поля. Завдяки використанню такої моделі можливе вивчення нестаціонарних процесів у магнетроні, а також вплив емісійних процесів не лише на вихідні стаціонарні характеристики, а й на процес запуску приладу. При моделюванні вторинної емісії коефіцієнти істинної вторинної емісії та непружного відбиття апроксимуються наступними формулами, що запропоновані С.В. Сосницьким та добре співпадають з експериментальними даними:

,

де - енергія первинного електрона в кілоелектронвольтах.

Згідно з результатами моделювання роботи магнетрона з'ясовано, що КВЕ суттєво впливає на характеристики МПГ і існують можливості помітного покращення ефективності магнетронів при підвищенні КВЕ у порівнянні з його значенням для платини. Наприклад, як показують результати моделювання магнетрона 8-ми міліметрового діапазону довжин хвиль (див. рис. 1), збільшення КВЕ на 15 % призводить до росту ККД з 1520 % до 2025 % та до підвищення вихідної потужності майже у два рази.

Спектральний аналіз вихідних характеристик магнетрона при різних значеннях КВЕ показав, що збільшення КВЕ приводить до збільшення співвідношення сигнал/шум для основної робочої гармоніки.

Результати моделювання показують, що при більших значеннях КВЕ згустки електронів мають більш чітку форму, що свідчить про кращий синхронізм кутової швидкості руху електронів та фазової швидкості руху відповідної просторової моди, що приводить до збільшення ефективності взаємодії часток та ВЧ поля, а тому і до поліпшення вихідних параметрів магнетрона.

Виявлене покращення вихідних характеристик магнетронів вказує на перспективність пошуку нових матеріалів з підвищеним значенням КВЕ для створення нових вторинно-емісійних катодів.

При зменшенні КВЕ холодного катоду спочатку спостерігається збільшення часу запуску магнетрона, зниження вихідної потужності та ККД. Зменшення КВЕ на 1520 % від його робочого значення для платини призводить практично до неможливості запуску магнетрона. Слід також зауважити, що вплив КВЕ на характеристики магнетрона відрізняється для різних робочих режимів та конструкцій приладу. Так, більший вплив КВЕ спостерігається для вищих робочих мод, на границях областей робочих мод та для низькодобротних резонаторів.

Така поведінка характеристик магнетрона свідчить про необхідність якісного очищення вторинного катоду від небажаних домішок з метою поліпшення роботи магнетрона. Проведені дослідження вказують на одну з можливих причин погіршення характеристик таких магнетронів з плином часу. Це може трапитися через зменшення КВЕ, що, наприклад, може бути зумовленим інтенсивним бомбардуванням вторинного катоду електронами чи забрудненням катоду.

Рис. 1. Залежність вихідних характеристик магнетрона від КВЕ для мод TE31 ( = 12700 В) та TE41 ( = 14200 В)

3. Допоміжний термокатод у магнетроні

подані результати дослідження роботи допоміжного термокатоду в різних температурних режимах для МПГ з холодним вторинно-емісійним катодом. Через бомбардування допоміжного термокатоду електронами змінюється його температура, а це призводить до того, що змінюється струм термоемісії та зменшується термін служби термокатоду. Для запобігання цьому необхідно змінити емісійну систему таким чином, щоб допоміжний термокатод працював у режимі обмеження його струму просторовим зарядом, а не температурою. Щоб реалізувати режим обмеження струму допоміжного термокатоду просторовим зарядом, необхідно зменшити напруженість електричного поля на поверхні термокатоду. В дисертації запропоновані та обґрунтовані різні способи запровадження такого режиму та проведено їх порівняльний аналіз.

Для дослідження цієї проблеми була розроблена математична модель, що дозволяє розраховувати струм різних електродів у магнетроні за різних конфігурацій емісійної системи та при різних температурах допоміжного термокатоду. Чисельне моделювання руху та взаємодії електронів здійснювалося методом великих частинок. Електричне поле припускалося неоднорідним вздовж вісі магнетрона та в радіальному напрямку, але однорідним відносно кутової координати, що правомірно при розгляді запуску магнетрона. Сумарне електричне поле знаходилося через розв'язання двовимірного рівняння Пуассона з урахуванням поточних координат мікрочастинок методом релаксації. Магнітне поле також припускалося симетричним відносно вісі магнетрона, що достатньо точно співпадає з магнітним полем у реальних приладах. Це поле було розраховано, виходячи з геометрії магнітної системи, що використовується у магнетронах даного типу. При моделюванні тривимірних рівнянь руху електронів розв'язання проводилося за допомогою методу кінцевих різниць. Кількість мікрочастинок, що емітуються, розраховувалася у відповідності до емісійних властивостей бокового термокатоду за зазначеної температури. Для цього експериментальна залежність струму термоемісії It(T) інтерполювалася у відповідності до закону Ричардсона-Дешмана:

.

Після цього отримані константи А та С використовувалися для моделювання роботи допоміжного термокатоду з близькими до експериментальних емісійними характеристиками. Початкові швидкості частинок, що емітуються, задавалися у відповідності з розподілом Фермі:

.

В дисертації були розглянуті наступні підходи до модернізації конструкції термоемісійної системи: 1) розміщення на великій відстані від простору взаємодії магнетрона допоміжного термокатоду; 2) встановлення між допоміжним термокатодом та анодним блоком магнетрона екрануючої сітки; 3) розміщення екрануючого кільця між допоміжним термокатодом та простором взаємодії магнетрона; 4) розміщення екрануючого кільця на поверхні допоміжного термокатоду.

Згідно з результатами моделювання визначено ряд закономірностей, що властиві для цих систем. Чим більша відстань між допоміжним термокатодом та простором взаємодії магнетрона, тим менший струм термоемісії потрібен для реалізації режиму обмеження струму просторовим зарядом, а значить для цього потрібна менша температура. Чим ближче до анодного блоку розташовано екрануючий елемент (сітка або кільце), тим менша температура термокатоду потрібна для роботи в режимі обмеження його струму просторовим зарядом.

Оптимальним визнано розміщення екрануючого кільця на поверхні допоміжного термокатоду. Використання такої термоемісійної системи, на відміну від інших конструкцій, дозволяє отримати режим обмеження струму просторовим зарядом за прийнятних значень температури термокатоду. Крім цього, виготовлення такої емісійної системи достатньо просте та не потребує значних витрат чи великих змін у конструкції магнетрона. На рис. 2 наведено залежність струму термокатоду від його температури для звичайної конструкції магнетрона та для випадку, коли на поверхні допоміжного термокатоду розміщено екрануюче кільце, а сам термокатод трохи відсунутий від анодного блоку. Струм, що попадає до простору взаємодії магнетрона, у модифікованій конструкції майже не міняється при температурах вище 1250 К. Така температура є типовою для багатьох термокатодів, що використовуються на практиці. Крім цього, значення струму, яке встановлюється в режимі обмеження струму просторовим зарядом, є достатнім для запуску магнетрона.

Рис. 2. Залежність корисного струму термокатоду від його температури для початкової та модифікованої конструкцій магнетрона

4. Холодний запуск магнетрона

Проведено дослідження процесу холодного запуску магнетрона за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу та модуляції анодної напруги.

Для аналізу впливу параметрів модуляції анодної напруги на роботу магнетрона спочатку розглянуто роботу плоского магнетронного діоду, в якому анодна напруга модулюється за синусоїдним законом. Результатами числового моделювання такої системи стали залежності інтенсивності генерації вторинних електронів від частоти та амплітуди модуляції анодної напруги. Вони свідчать про оптимальність використання модуляції анодної напруги з частотою, рівною циклотронній частоті. Крім цього слід відзначити, що амплітуда модуляції повинна бути в певних межах, які визначаються частотою модуляції. При використанні зазначених параметрів модуляції анодної напруги стає можливою генерація у магнетроні. В такому випадку електрони, що рухаються в просторі взаємодії, отримують додаткову енергію за рахунок модуляції. Повертаючись на холодний катод, певні групи електронів можуть мати енергію, достатню для ефективної генерації вторинних електронів та для підтримування досить великого рівня вторинно-емісійного струму.

В дисертації наведені результати числового моделювання запуску магнетрона за умови модуляції анодної напруги за синусоїдним законом. Для дослідження використовувалася самоузгоджена числова модель магнетрона, що базується на методі еквівалентного ланцюга. Отримані залежності часу запуску магнетрона від амплітуди модуляції анодної напруги демонструють ту саму поведінку, що й для плоского магнетронного діоду. Так, за умови росту амплітуди модуляції анодної напруги відносно оптимального значення спостерігається збільшення часу запуску через те, що більше електронів потрапляють на анод та не беруть участі у створенні вторинно-емісійної лавини. За умови зменшення амплітуди модуляції анодної напруги від оптимального значення також збільшується час запуску магнетрона, але вже через те, що енергія електронів, які потрапляють на холодний катод, зменшується, що призводить до зменшення кількості вторинно-емісійних електронів. Згідно з результатами дослідження, викладеними в дисертації, найменший час запуску магнетрона можна отримати, обираючи частоту модуляції анодної напруги рівною або кратною циклотронній частоті, що також співпадає з отриманими результатами для плоского магнетронного діоду. Слід відзначити вплив величини початкового заряду на процес такого запуску магнетрона. Так, модуляція анодної напруги необхідна лише до тих пір, доки величина просторового заряду у магнетроні не досягне приблизно 30 % від заряду Брілюена. Якщо модуляція анодної напруги не буде припинена після досягнення просторовим зарядом приблизно 80 % від заряду Брілюена, то подальший запуск магнетрона буде неможливим, оскільки величина просторового заряду почне коливатися у межах від приблизно 50 % до 100 % від заряду Брілюена, аж доти, доки не буде вимкнена модуляція анодної напруги. Після цього в приладі встановлюється стаціонарне робоче значення просторового заряду та відбувається збудження НВЧ-коливань.

В цьому розділі також викладені результати дослідження запуску магнетрона за допомогою зовнішнього НВЧ-сигналу. Для вивчення цього способу холодного запуску магнетрона використовувалася числова самоузгоджена модель, що базується на методі еквівалентного ланцюга. Зовнішнє джерело НВЧ сигналу введено до моделі шляхом підключення до контуру, що відповідає резонатору з виводом енергії, додаткового джерела струму, щільність струму якого змінювалася з частотою зовнішнього НВЧ-сигналу, а значення щільності струму відповідало потужності сигналу. Таким чином, була отримана залежність часу запуску магнетрона від потужності зовнішнього НВЧ сигналу, що демонструє збільшення часу запуску при зменшенні потужності та має вигляд, схожий на залежності часу запуску від амплітуди модуляції анодної напруги, які згадувалися вище. Також була отримана залежність мінімальної потужності, що потрібна для запуску магнетрона, від частоти зовнішнього НВЧ сигналу (рис. 3).

Графіки з рис. 3 свідчать про наявність оптимальних для запуску зон, що розташовані на частотах, близьких до власних частот резонансної системи магнетрона. Ці залежності добре співпадають з експериментальними даними, що свідчить про правильність використаної моделі.

Рис. 3. Залежність мінімальної потужності, що необхідна для холодного запуску, від частоти зовнішнього сигналу

Крім цього в дисертації проаналізований один з найбільш ймовірних механізмів формування початкового просторового заряду у магнетроні, що потрібен для холодного запуску приладу. В якості такого механізму розглянута іонізація залишкового газу в магнетроні, що може приводити до створення необхідної для запуску кількості початкових електронів. Було розглянуто запуск магнетрона при використанні зовнішнього НВЧ-сигналу та без нього за умови наявності струму іонізації різних величин. Отримані результати дослідження показали, що цей механізм формування початкового заряду в магнетроні дійсно може бути використано для холодного запуску приладу.

Висновки

магнетрон просторовий термокатод анодний

В дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукової задачі, що виявляється в визначенні властивостей та характеристик механізмів збудження коливань у магнетронах на просторовій гармоніці з вторинно-емісійним катодом. Ця задача полягає у виявленні впливу параметрів холодного катоду на вихідні характеристики магнетрона, дослідженні роботи допоміжного термокатоду в різних температурних режимах та визначенні фізичних механізмів холодного запуску магнетрона за допомогою модуляції анодної напруги та при використанні зовнішнього НВЧ-сигналу. Задачу було розв'язано за допомогою створення нових математичних моделей та узагальнення вже існуючих для числового моделювання процесів запуску в магнетроні. В прикладному плані на підставі отриманих даних розроблено конструкцію термоемісійної системи магнетрона, що характеризується підвищеною температурною стабільністю вихідних характеристик приладу. Основні, найбільш важливі результати та висновки роботи зводяться до наступного:

1) Встановлено, що навіть відносно невелике (біля 20 %) зменшення коефіцієнту вторинної емісії холодного катоду у порівнянні з його величиною для платини призводить до значного погіршення вихідних характеристик магнетрона. Разом з тим, збільшення КВЕ холодного катоду приблизно на 20 % приводить до значного збільшення вихідної потужності та ККД таких магнетронів.

2) Знайдено шляхи реалізації режиму роботи допоміжного термокатоду, в якому його струм термоемісії обмежується просторовим зарядом. Для цього використовувалися різні способи зменшення напруженості електричного поля, що створюється анодом, на поверхні допоміжного термокатоду і запропоновано декілька конструкцій магнетрона, в яких можлива реалізація зазначеного робочого режиму за прийнятних значень робочої температури. Обрано оптимальний варіант термокатодної системи, що дозволяє досягти необхідної температурної стабільності характеристик за нормальної робочої температури допоміжного термокатоду. Із результатів дослідження випливає, що оптимальним рішенням є використання екрануючого кільця, яке розташовується на поверхні допоміжного термокатоду.

3) Визначено вплив параметрів модуляції анодної напруги на вихідні характеристики магнетрона з холодним запуском. Визначені основні фізичні механізми, що є спільними для різних способів холодного запуску та відповідають за нього. Показано, що початковий просторовий заряд у магнетроні впливає лише на час запуску магнетрона та практично не впливає на вихідні характеристики приладу. Досліджено іонізацію як один із імовірних механізмів утворення початкового просторового заряду в магнетроні.

4) Визначено вплив параметрів зовнішнього НВЧ-сигналу на вихідні характеристики магнетрона з холодним запуском. Проведено порівняння результатів чисельного моделювання холодного запуску магнетрона з експериментальними даними, що підтверджує коректність застосованих моделей.

Література

1. Avtomonov N. Dependence of magnetron characteristics on the secondary-emission yield of cold cathode / N.I. Avtomonov, S.V. Sosnytskiy, D.M. Vavriv // Problems of Atomic Science and Technology. - 2006. - Vol. 5. - p. 225-228.

2. Автомонов Н.И. Теоретическое исследование холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом при помощи внешнего СВЧ-сигнала / Н.И. Автомонов, Д.М. Ваврив, С.В. Сосницкий // Журнал Радиоэлектроники. - 2009. - № 12. - С. 1-7.

3. Автомонов Н. И. Исследование механизмов холодного запуска магнетронов с вторично-эмиссионным катодом / Н.И. Автомонов, Д.М. Ваврив, С.В. Сосницкий // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2009. - Т. 14, № 2. - С. 198-206.

4. Автомонов Н.И. Исследование различных температурных режимов работы бокового катода для магнетронов с холодным вторично-эмиссионным катодом / Н.И. Автомонов, С.В. Сосницкий, Д.М. Ваврив // Вестник ХНУ. Радиофизика и электроника. - 2009. - №883, вып. 15. - С. 73-82.

5. Avtomonov N.I. Operating modes of magnetron auxiliary cathode / N.I. Avtomonov, S.V. Sosnytskiy, D.M. Vavriv // Physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves: international symposium, 25-29 Jun. 2007: symp. proceedings. - Kharkov, 2007. - P. 547-549.

Размещено на Allbest.ru