CC BY
13
Доклады БГУИР
2012 № 2 (64)
УДК 621.385
ДВУХВОЛНОВОЙ ГИРОТРОН НА МОДАХ ШЕПЧУЩЕЙ ГАЛЕРЕИ
С В. КОЛОСОВ, А.А. КУРАЕВ, А.В. СЕНЬКО
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 27 сентября 2011
Рассмотрены возможности повышение эффективности работы миллиметрового гиротрона при многомодовом взаимодействии полей волн шепчущей галереи с релятивистским спи-рализованным электронным потоком. Показано, что двухмодовый гиротрон по сравнению с одномодовым позволяет повысить КПД с 40 до 45%.
Ключевые слова: гиротрон, нерегулярный волновод, многомодовый режим.
Введение
Оптимальным распределением ВЧ-поля по длине резонатора гиротрона является нарастающее к концу резонатора поле [1], т.е. фазовая группировка пучка электронов должна проводиться в слабом нарастающем поле, а отбор энергии в сильном поле быстро спадающим в конце резонатора.
Реально при больших азимутальных и радиальных индексах волновых мод в волноводе реализовать такое распределение в одномодовом режиме невозможно даже в нерегулярном волноводе. Но если использовать резонатор, состоящий из секций с разными типами волн, то можно добиться того, что амплитуды волн от секции к секции будут нарастать и это приведет к повышению общего КПД прибора. При этом в каждой из секций распределение амплитуды волны будет близко с синусоидальному.
Результаты моделирования
Для расчетов использовалась программа Gyro-K из программного комплекса КЕДР [2]. Математическая модель процессов в гиротроне, заложенная в этой программе, основана на теории возбуждения нерегулярного волновода релятивистским электронным потоком с учетом омических потерь в стенках волновода [3].
В качестве прототипа был выбран гиротрон, рассмотренный в [4]. Этот гиротрон работал на моде TE22,6 с напряжением электронного пучка 96 кВ, током 40 А на частоте 110 ГГц и пинч-фактором q = V1/Vz = 1,4. Начальный угловой разброс скоростей электроном равен Д ¥,/¥, = 2%.
Нормированное значение магнитостатического поля -
Р = ^оПо го =1,0875. Длина ги-®0
, 2ъЬ 2п90 10А ротрона I =-=-=184 радиан.
X 0 2,73
Функция, которая описывала профиль волновода, определялась следующими параметрами.
»
"V &9
Рис. 1. Параметры, определяющие профиль волновода Для заданного в [4] профиля волновода нормированные параметры задавались сле-
дующими: £1 = £8=46, £9=46.
2лД 2л19,4тт
X 0
2,73тт
= 44,65, £2=45,665, £з=46,95, £4=48,33, £5=23, £6=23, £7=46,
2л10,24 „„ „
Нормированным радиус ведущего центра электронных орбит - ггс =-= 23,57 .
2,73
Результаты расчета данного варианта гнротрона приведены на рис. 2.
7.5 7
180
Рис. 2. Интегральные характеристики гиротрона
Как видно на рис. 2, амплитуда волны ТЕ22,6 в активной области резонатора похожа на синусоиду. Электронный КПД этого гиротрона по нашим расчетам составляет 40,5%. Расчеты по программе MAGY показали значение 39% [4]. Это говорит о хорошем совпадении расчетных данных полученных по программе GYRO-K и программе MAGY.
Для проведения расчетов многомодового гиротрона была использована следующая функция для описания профиля волновода.
ё1
ёз
Вб §7 gs & §10 §12
Рис. 3. Параметры, определяющие профиль многомодового волновода
В результате оптимизации профиля волновода был получен следующий вариант двух-модового гиротрона. Параметры, определяющие профиль волновода, получили следующие значения: £1=41,5109, £2=42,4272, £3=46,0768, £4=49,0268, £5=50.9772, £6=10,0, £7=8,8921, £8=12,7941, £9=11,982, £^=12,7628, £„=12,001, £12=10,0.
д= R/
Амплитуда в.олны Амплитуда волны ТЕ,,„
\
\
\ '..... W ]
\ FT Ti [V Электронный КПД
\ / : /
\ /
V.....
■^si. -у? - h к?" —
—;—- у
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 00 85 90 г
Рис. 4. Интегральные характеристики двухмодового гиротрона
В отличие от гиротрона, характеристики которого приведены на рис. 2, в данном гиро-троне на участке 15<г<35 взаимодействие электронного потока происходит с волной TE22,5, а на участке 40<г<62 с волной TE22,6.
Возбуждаемая волна TE22,5 имеет существенно меньшую амплитуду по сравнению с возбуждаемой волной TE22,6. Это позволяет более эффективно группировать фазовый электронный сгусток электронов, т.е. он получается более сжатым и при этом не происходит такого сильного динамического разброса скоростей электронов как в одномодовом гиротроне, что в итоге позволяет повысить электронной КПД данного гиротрона до 45%.
Следует отметить, что влияние моды TE22,5 сказывается и на участке максимума моды TE22,6. В итоге на выходе гиротрона обе волны имеют приблизительно одинаковую амплитуду и следовательно одинаковый волновой КПД по 22,5%.
Заключение
Приведенные в статье материалы свидетельствуют о перспективности многомодовых ги-ротронов в отношении повышения КПД. Заметим, что в таких гиротронах на выходе резонатора сигнал оказывается многомодовым. Однако использованные трансформаторы мод на регулярном волноводе, конструкция и расчет которых для TE0п -мод приведены в [5], позволяет преобразовать сигнал в одномодовый (например, смесь TE22 5 + TE22 6 в моду TE22 5 или TE22 6 ).
TWO-WAVE GYROTRON ON WHISPERING GALLERY MODES
S.V. KOLOSOV, A.A. KURAYEV, A.V. SENKO Abstract
The possibilities of improving the efficiency of millimeter-wave gyrotron with multimode interaction fields of whispering gallery waves and a relativistic helical electron beam were consider. It is shown that two-mode gyrotron, compared with single-mode, allows to raise the efficiency from 40 to 45%.
Список литературы
1. Кураев A.A., Ковалев И.С., Колосов С.В. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ. Мн., 1975.
2. Kolosov S.V., Kurayev A.A., Senko A.V. // The simulation code CEDR IVEC-2010. USA. P. 115-116.
3. Колосов С.В., Кураев A.A., Сенько А.В. // Техника и приборы СВЧ. 2009, №2 C. 8-13.
4. James P. Anderson // Experimental Study of a 1.5-MW, 110 - GHz Gyrotron Oscillator Massachusetts Institute of Technology. 2005. P. 171.
5. Батура М.П., Кураев A.A., Синицын А.К. // Моделирование и оптимизация мощных электронных приборов СВЧ. Мн., 2006.
