Содержание к диссертации
Введение 4
Общая характеристика работы 4
Глава 1. Гиротроны для микроволновой обработки материалов 11
Основные области применения технологических гиротронов 11
Состав гиротронного комплекса, принцип работы и управления 15
Пути повышения эффективности гиротронных комплексов 23
Выводы по первой главе 30
Глава 2. Теоретическое исследование гиротронов с рекуперацией
остаточной энергии электронов 31
Особенности рекуперации в гиротронах 31
Метод расчета трансформации электронного пучка в пространстве взаимодействия гиротрона 38
Оптимизация продольного распределения высокочастотного поля
в резонаторе 47
2.4 Разделение энергетических фракций электронного потока в
коллекторной области гироприбора с многоступенчатым коллектором.... 56
Выводы по второй главе 64
Глава 3. Экспериментальное исследование гиротрона на второй
гармонике гирочастоты с одноступенчатой рекуперацией 66
3.1 Особенности рекуперации энергии в технологических гиротронах
на второй гармонике гирочастоты 66
Выходные характеристики 24 ГГц гиротрона на второй гармонике гирочастоты без использования схемы рекуперации остаточной энергии 67
Методика эксперимента с рекуперацией энергии электронного пучка 70
Результаты экспериментального исследования гиротрона на
второй гармонике с рекуперацией 77
Выводы по третьей главе 80
Заключение. Основные результаты работы 81
Список литературы 82
Список основных публикаций автора по теме диссертации 90
Введение к работе
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Использование интенсивного излучения миллиметрового диапазона длин волн привлекает все большее внимание для решения широкого круга технологических задач, например, для микроволновой высокотемпературной обработки диэлектрических и полупроводниковых материалов, выращивания алмазных пленок и дисков, создания пучков многозарядных ионов [1-3]. Созданные к настоящему времени в Институте прикладной физики РАН гиротронные комплексы [4-6] не имеют мировых аналогов по техническим параметрам и функциональным возможностям. Повышение частоты излучения по сравнению с традиционными промышленными СВЧ источниками (2.45 ГГц) позволяет значительно повысить эффективность нагрева и спекания материалов на основе оксидов и нитридов, за счет сильного роста их поглощающей способности с увеличением частоты. Кроме того, в миллиметровом диапазоне достижима более высокая однородность нагрева, что позволяет уменьшить время обработки и улучшить эксплуатационные характеристики получаемых материалов. Одним из существенных недостатков сегодняшних гиротронных комплексов является их повышенное энергопотребление по сравнению с системами дециметрового диапазона.
Одним из наиболее простых и действенных путей повышения КПД всего комплекса является использование рекуперации остаточной энергии электронного пучка в источнике СВЧ мощности - гиротроне [7-9]. Оно позволяет не только увеличить КПД всего комплекса, но также упростить систему охлаждения и получить дополнительные возможности управления режимом генерации.
Наибольший эффект от использования системы рекуперации можно
получить, если энергетические фракции электронного пучка разделить
пространственно и направить каждую из них на изолированный участок коллектора с соответствующим потенциалом [10-12]. Такие схемы менее чувствительны к распределению электронов отработанного пучка по энергиям и позволили бы наиболее полно рекуперировать энергию электронного потока в коллекторной области. Многоступенчатая рекуперация особенно востребована для мощных гиротронов, в которых дальнейшее увеличение мощности в частности ограничивается тепловой нагрузкой на коллектор. К сожалению, до сих пор проблема реализации в гиротронах схем многоступенчатой рекуперации является нерешенной из-за сложности пространственного разделения энергетических фракций трубчатого электронного пучка.
Актуальным является исследование процессов рекуперации в гиротронах со специфическими распределениями высокочастотного (ВЧ) поля в резонаторе [13], отличными от стандартного, близкого к гауссовому. Согласно теории, распределение поля с максимумом, расположенным около конца пространства взаимодействия, способствует более глубокой группировке электронов и позволяет повысить долю отбираемой у электронов вращательной энергии. Однако такая структура ВЧ поля предполагает резкий спад поля в конце пространства взаимодействия, который может негативно сказаться на минимальной остаточной энергии отработанного электронного пучка, а, следовательно, и на эффективности дальнейшей рекуперации. Эта проблема возникает и при использовании схем рекуперации в ряде других гироприборов, например, гиро-ЛБВ и гироклистронов, в которых поле также имеет резкий обрыв в конце пространства взаимодействия.
Таким образом, повышение эффективности гироприборов за счет рекуперации остаточной энергии электронов является актуальной задачей современной СВЧ электроники.
Цели и задачи исследования
Теоретическое и экспериментальное исследование процессов рекуперации в гироприборах с целью разработки высокоэффективных гиротронов на второй гармонике гирочастоты.
Разработанные гиротроны предполагается использовать в качестве источников СВЧ излучения для высокоэффективных технологических комплексов микроволновой обработки материалов.
Объект исследования
Объектом настоящего исследования являются процессы взаимодействия винтового электронного потока, движущегося в осесимметричном магнитном поле гироприбора, с ВЧ полями сверхразмерных резонаторов гироприбора, а также последующее торможение электронов статическим электрическим полем в коллекторной области.
Научная новизна исследования
До настоящего времени рекуперация остаточной энергии электронного
потока была реализована только в гиротронах на основном циклотронном
резонансе, обеспечивающих мегаваттный уровень мощности в частотном
диапазоне 110-170 ГГц. В этих приборах были получены КПД до 60-70% по
сравнению с 35-40%, типичными для режимов без рекуперации энергии [8,
14,55]. Для гиротронов на гармониках все основные преимущества
рекуперации сохраняются, однако, имеются некоторые особенности. КПД
гиротронов на гармониках, как правило, ниже, чем у гиротронов на основном
циклотронном резонансе, что, в принципе, должно способствовать более
эффективной рекуперации остаточной энергии, т.к. больше энергии остается
в отработанном пучке. С другой стороны, в гиротронах на гармониках при их
рабочих параметрах группировка электронов менее эффективна и
минимальная остаточная энергия (а, следовательно, и эффективность
рекуперации) ниже, чем в гиротронах на основном циклотронном резонансе
[15]. В диссертации выполнено теоретическое исследование эффективности
рекуперации, дополняющее предшествующие работы и впервые выполнены экспериментальные исследования рекуперации в гиротронах на гармониках гирочастоты.
Проанализировано влияние на эффективность рекуперации распределения ВЧ поля в пространстве взаимодействия, не исследованное ранее. В работе показано, как влияет резкий спад ВЧ поля в рабочем пространстве гироприборов на эффективность дальнейшей рекуперации энергии. Такое распределение ВЧ поля с резким обрывом в конце области взаимодействия характерно для гиро-ЛБВ и гироклистронов, а также для гиротронов с квази-треугольным распределением ВЧ поля в резонаторе, которое дает прирост поперечного КПД [51]. В таких приборах минимальная остаточная энергия электронов, а, следовательно, и эффективность рекуперации существенно ниже, чем в приборах с плавным распределением поля.
Для гироприборов с низким значением минимальной энергии электронов отработанного пучка для эффективной рекуперации необходимо использовать многоступенчатые коллекторы. Многоступенчатая рекуперация [12,57,58] может быть также использована для дальнейшего увеличения КПД гиротронов с благоприятной структурой ВЧ поля, у которых остаточная энергия электронов сравнительно велика. В диссертации предложен метод разделения энергетических фракций отработанного электронного пучка в коллекторной области гироприборов, который может быть использован при создании секционированных коллекторов для многоступенчатой рекуперации энергии.
Практическая значимость
Разработан высокоэффективный технологический гиротрон с рекуперацией остаточной энергии, работающий на второй гармонике гирочастоты [5А]. Использование данного гиротрона в микроволновых комплексах для обработки материалов, производимых ИПФ РАН совместно с
ЗАО ШШ ГИКОМ, уменьшит их энергопотребление и позволит упростить систему охлаждения, что позволяет рассчитывать на их широкое промышленное внедрение.
Выполненные исследования режимов рекуперации позволяют также разработать эффективные гиро-ЛБВ, гироклистроны с рекуперацией остаточной энергии, которые могут быть использованы, например, в системах дальней радиолокации.
Апробация и публикация результатов исследования
Результаты выполненных исследований обсуждались на научных семинарах в Институте прикладной физики РАН и докладывались соискателем на международных и всероссийских конференциях, в том числе на XIII Зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике «Электроника сверхвысоких частот: прошлое, настоящее, будущее» (Саратов, 2006 г.), на 16-ой и 17-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2006 - 2007 гг.), на 6-ом международном харьковском симпозиуме «Физика и техника микроволн, миллиметровых и субмиллиметровых волн» (6 th International Kharkov symposium "Physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves", Kharkov, Ukraine, 2007), на 35-й международной конференции по плазменным наукам (35th IEEE International Conference on Plasma Science, Karlsruhe, Germany, 2008), на 7-ом международном совещании «Интенсивное микроволновое излучение: источники и приложения» (7th International Workshop "Strong Microwaves: Sources and Applications", N.Novgorod, Russia, 2008) и др.
Материалы диссертации представлены в 25 опубликованных работах. Из них 5 статей в реферируемых изданиях, входящих в список ВАК, 13 трудов конференций, 6 тезисов докладов.
Личный вклад автора
Соискатель внес определяющий вклад в теоретическое исследование гиротронов на гармониках с рекуперацией остаточной энергии, изложенное в диссертации. Диссертантом был написан программный код и проведены численные расчеты процессов взаимодействия электронного пучка с ВЧ полем гиротрона [2А,4А], выполнена оптимизация параметров гиротрона на второй гармонике с рекуперацией остаточной энергии [4А]. М.В.Морозкин провел аналитическое и численное исследование схемы пространственного разделения энергетических фракций электронного пучка в коллекторной области гироприборов, предназначенной для двухступенчатой рекуперации [1А]. Все аналитические и численные расчеты выполнены диссертантом лично.
Основные экспериментальные результаты диссертации [ЗА,5А] получены в соавторстве, поскольку работы выполнены на сложных испытательных стендах. В экспериментальных работах М.В.Морозкин принимал непосредственное участие, начиная с этапа разработки, и заканчивая обработкой результатов и интерпретацией экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту
Использование рекуперации остаточной энергии электронного пучка позволяет существенно повысить КПД гиротронов на гармониках гирочастоты.
Для достижения максимального КПД в гиротронах с рекуперацией энергии необходимо использовать более длинные резонаторы, чем в лампах без рекуперации.
Распределение ВЧ поля с резким обрывом в конце области взаимодействия, характерное для гиро-ЛБВ и гироклистронов, негативно сказывается на эффективности рекуперации остаточной энергии.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 93 страницы, включая 45 рисунков и список литературы из 75 наименований.
