Моделирование процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

РГБ ОД

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ , л я'У

1 О

На правах рукописи УДК 621.385.6

ПЕКЛЕВСКИЙ Андрей Викторович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В РЕВЕРСИВНОЙ ОБЛАСТИ ЦИКЛОТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

01.04.04 - физическая электроника, в том числе квантовая

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2000

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им .М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор

кандидат физико-математических наук, доцент

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат физико-математических наук, ст. н. с.

Ведущая организация:

Институт Радиотехники и Электроники РАН Защита диссертации состоится 21 декабря 2000 г. в часов на заседании Диссертационного совета К.053.05.22 физического факультета по адресу: 119899 ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физическии факультет, в аудитории Р ~УУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

А.П. СУХОРУКОВ

В.Л. САВВИН

А.С.РОШАЛЬ

А. В. КОННОВ

Автореферат разослан £0 ноября 2000 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К.053.05.22,

/

/

кандидат физико-математических наук,"

В.А.Кубарев

1/СЯ, " - /)/„ ПГ П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы связана с возрастающей необходимостью разработки физических основ для создания мощных и высокоэффективных преобразователей СВЧ энергии в постоянный электрический ток. Это стимулирует поиск новых и разработку уже известных механизмов взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, когда модуляция электронного потока производится путем поперечного смещения потока, т.е. при возбуждении поперечных волн электронного потока.

Проведенные ранее в России (в 70х-90х годах в МГУ, НПО "Торий", НПО "Исток") экспериментальные и теоретические исследования циклотронных преобразователей энергии (ЦПЭ), принцип действия которых основан на взаимодействии пространственно искривленного электронного потока без электронных сгустков (отсутствие продольной модуляции в потоке) с реверсивным или спадающим до нуля магнитным полем, показали перспективность такого взаимодействия с точки зрения увеличения эффективности преобразования и реализации высоких значений выходной мощности (достигнутые значения кпд лабораторных образцов ЦПЭ превышают уровень 80% при уровне мощности 10 кВт).

Детальный анализ влияния формы, поперечных размеров и собственных полей электронного пучка на процессы энергообмена в этих устройствах и роли нелинейных по радиусу компонент реверсивного магнитного поля, а также проникающих электростатических полей требует дальнейшего развития. Это облегчит оптимизацию и надежное прогнозирование экспериментальных конструкций.

Цель данной работы заключается в следующем

1. Выяснение влияния поля пространственного заряда на динамику процессов преобразования энергии электронного потока в реверсивных магнитных полях и механизма возбуждения разброса продольных скоростей электронов.

2. Разработка трехмерной модели электронного потока с парциальными спиралевидными пучками конечного сечения с целью более точного учета влияния поля пространственного заряда.

3. Создание специализированного пакета программ для численного моделирования процессов в реверсивной области магнитного поля с учетом релятивистских эффектов, влияния проводящих границ области и тормозящего электрического поля.

4. Исследование оптимальных условий преобразования энергии в пучках конечного сечения в реверсивной области ЦПЭ.

Научная новизна работы и основные защищаемые положения:

1. Исследован механизм возбуждения разброса продольных скоростей в электронном пучке под действием сил пространственного заряда и раДИИЛЫШШ МУШШНШи нилл. Установлено, что максимальная эффективность преобразования достигается при сохранении формы поперечного сечения электронного пучка и его вращении как целого вокруг собственной оси.

2. Показано, что кулоновское взаимодействие в пучке конечного сечения оказывает заметное влияние на динамику электронного потока в области реверсивного магнитного поля. Эффективность преобразования растет с увеличением тока пучка и достигает максимума при значениях тока порядка 0,7 1Вг. При

определенном выборе параметров влияние кулоновских полей дает заметный (до 5%) прирост эффективности преобразования.

3. Изучено влияние проводящих границ области на динамику электронного потока в реверсивной области циклотронного преобразователя. Установлено, что при высоком уровне преобразуемой мощности возможны режимы работы, при которых влияние проводящей границ области улучшает (на 3-5%) эффективность преобразования.

4. Присутствие тормозящего электрического поля в реверсивной магнитной области допускает реализацию высокоэффективных режимов (до 90%) преобразования энергии вращения пучка непосредственно в его потенциальную энергию.

Практическая ценность работы.

1. Разработана трехмерная модель электронного потока с парциальными пучками конечного сечения и предложен метод вычисления поля пространственного заряда электронного потока. Применение данной модели позволяет снизить ошибки в вычислениях кулоновских полей на порядок по сравнению с использовавшимися ранее моделями.

Предложенная модель применима для анализа динамики электронных потоков в поперечноволновых устройствах СВЧ.

2. Показано, что эффективность преобразования в реверсивной области циклотронного преобразователя может сохраняться высокой (до 80-85%) при увеличении относительного радиуса электронного потока Ко/Яс до значений 0.5-0.8, что позволяет существенно повысить уровень преобразуемой мощности. Показана возможность высокоэффективного преобразования поперечной энергии (до 80-85%) в интенсивных электронных

потоках с увеличенным радиусом пучка и уровнем мощности 150-300 кВт.

3. Предложена новая конструкция циклотронного преобразователя с комбинированной реверсивной областью, в которой кинетическая энергия вращения электронного пучка преобразуется непосредственно в его потенциальную энергию при сохранении продольной скорости электронов на постоянном уровне.

4. Результаты работы применимы для анализа динамики электронных потоков в мощных поперечноволновых СВЧ устройствах (ЛБВ, ЦПЭ, гироконы, магниконы и др.).

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 50м Международном астронавтическом конгрессе (г.Амстердам, 1999г.), Научных сессиях МИФИ-98, МИФИ-99, МИФИ-2000 (г.Москва), бй Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Красновидово, Московская область, 1997г.), 7й Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Красновидово, Московская область, 1999г.), семинаре кафедры радиофизики д. .... , ^^ \/ггу ^ддог"! По теме диссертации

опубликовано 8 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из . шести глав, заключения и списка

цитируемой литературы. Общий объем работы составляет страниц, в том числе у- таолицы и €1 рисунка. Список цитируемой литературы содержит ^^"наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ В первой главе (Введение) кратко изложено состояние изучаемой проблемы, сформулирована цель работы, рассмотрены актуальность темы, научная и практическая ценность результатов проведенных исследований, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.

Во второй главе приводится обзор публикаций по теме диссертации, обсуждается история развития и современное состояние проблемы.

Третья глава посвящена описанию разработанной автором трехмерной модели электронного потока с парциальными спиралевидными пучками конечного сечения и обсуждению особенностей моделирования процессов в циклотронных устройствах. Поскольку математическое описание свойств любого сложного объекта невозможно без определенных идеализирующих предположений или, другими словами, без введения определенной упрощающей модели, которая характеризует основные, существенные свойства объекта, результаты расчетов в таком случае получаются приближенными, а степень приближения зависит от того, насколько точно в выбранной модели отражены эти главные, существенные свойства. Поэтому в начале главы рассмотрены общие упрощающие предположения и допущения: непрерывность заряда, ламинарность потока, параксиальные приближения и наличие четкой границы потока.

В параграфе 3.1 обсуждаются особенности моделирования процессов в циклотронных устройствах и приводится краткое описание нескольких моделей электронного потока, применявшихся ранее для вычислений в поперечноволновых СВЧ-устройствах.

В параграфе 3.2 описываются этапы построения новой трехмерной модели электронного потока, описывается начальная расстановка парциальных пучков, граничные и начальные условия. Для вычисления поля пространственного заряда был разработан соответствующий метод, который и был использован в данной модели. Описание этого метода содержится в параграфе 3.3. Там лее оговариваются используемые в методе допущения и приближения.

В СВЧ приборах очень часто электронный поток движется вблизи проводящей границы канала. Наличие проводящих границ оказывает влияние на ход силовых линий электрического поля, что, в свою очередь, сказывается на движении потока в целом. Реверсивная область циклотронного преобразователя энергии имеет металлические границы, поэтому при детальном анализе динамических процессов в электронном потоке необходимо учитывать влияние металлического экрана. В параграфе 3.4 разработан метод расчета собственных полей электронного пучка с учетом влияния проводящих границ области. В основу метода положен хорошо известный из электростатики метод зеркальных отображений.

В параграфе 3.5 проведено тестирование предложенной модели с N=100 и N=1000 парциальных пучков по специально" созданной программе. Приведены сравнительные характеристики с нитевидной моделью электронного потока.

Преимущества разработанной модели и ее применение изложены в выводах параграфа 3.6.

В четвертой главе приводится описание динамики электронного потока в реверсивном магнитном поле.

В параграфе 4.1 излагается постановка задачи, начальные условия.

В параграфе 4.2 приводится система релятивистских уравнений движения электронного потока.

В параграфе 4.3 описывается пространственное распределение магнитного поля.

В параграфе 4.4 рассматривается влияние проникающего электрического поля в реверсивном магнитном поле.

В параграфе 4.5 излагается реализация алгоритма численного моделирования средствами среды визуального программирования Delphi. Обсуждаются вопросы точности счета и сходимости результатов.

В параграфе 4.6 содержатся выводы по содержанию данной главы.

В пятой главе проведено моделирование движения электронного потока в реверсивном магнитном поле.

В параграфе 5.1 проводится выбор начальных параметров.

В параграфе 5.2 приводятся результаты численного моделирования движения электронного потока в реверсивном магнитном поле с учетом поля кулоновских сил на примере реверсивной области циклотронного преобразователя энергии (ЦПЭ). Вычисления показали, что кулоновское взаимодействие в пучке конечного сечения оказывает заметное влияние на динамику электронного потока в реверсивной области ЦПЭ. Зависимость эффективности преобразования энергии в реверсивной области ЦПЭ от длины области при включенных кулоновских полях имеет волнообразный характер и может иметь несколько локальных максимумов. На примере конкретных расчетов показано, что при

определенном выборе параметров включение кулоновских полей дает заметный (до 5%) прирост кпд преобразования.

В параграфе 5.3 моделируется динамика электронного потока в реверсивном магнитном поле в присутствии проникающего электростатического поля коллектора. Установлена возможность высокоэффективного преобразования поперечной кинетической вращательной энергии электронного потока в продольную энергию.

В параграфе 5.4 физические процессы в реверсивном магнитном поле анализируются с учетом влияния проводящих границ области на динамику электронного потока. Разработан соответствующий алгоритм, позволяющий вычислять и анализировать соответствующие эффекты. По результатам вычислений в реверсивной области ЦПЭ установлено, что возможны такие режимы преобразования энергии, при которых влияние проводящего экрана дает заметное улучшение кпд (до 5%) при высоком уровне преобразуемой мощности.

В параграфе 5.5 проведено сопоставление результатов теоретического анализа с данными экспериментов на лабораторных образцах ЦПЭ.

р г.чр-^^р 5 6 содержатся выводы по результатам моделирования и анализа динамики электронного потока в реверсивном магнитном поле.

В шестой главе проведено моделирование процессов в комбинированной реверсивной области.

В параграфе 6.1 описывается пространственное распределение электрического и магнитного полей.

В параграфе 6.2 описаны процессы преобразования энергии электронного потока.

В параграфе 6.3 предложена конструкция модифицированного варианта ЦПЭ, в в раверсивной области которого врашательная кинетическая энергия электронного потока преобразуется прямо в электрическую потенциальную. Амплитуда и профиль электростатического поля задаются таким образом, что продольная кинетическая энергия электронного потока в процессе преобразования остается на постоянном уровне. Это обсоятльство являете явесьма существенным для предотвращения вторичной эмиссии электронов с коллектора. Модифицированный вариант преобразователя имеет меньшие габариты и массу.

В параграфе 6.4 приведены результаты расчетов эффективности преобразования энергии и оптимального профиля электрического поля.

В параграфе 6.5 содержатся выводы по результатам численного моделирования процессов в комбинированной реверсивной области.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработана трехмерная модель электронного потока с парциальными пучками конечного сечения. Предложенный метод вычисления поля пространственного заряда электронного потока отличается простотой и не содержит нефизических допущений. По результатам тестирования установлено, что применение данной модели позволяет снизить ошибки в вычислениях кулоновских полей на порядок по сравнению с использовавшимися ранее моделями.

Предложенная модель применима для анализа динамики электронных потоков в поперечноволновых устройствах СВЧ.

2. Показано, что эффективность преобразования в реверсивной области циклотронного преобразователя может сохраняться

высокой (до 80-85%) при увеличении относительного радиуса электронного потока Яо/Ис до значений 0.5-0.8, что позволяет существенно повысить уровень преобразуемой мощности.

3. Исследован механизм возбуждения разброса продольных скоростей в электронном пучке под действием сил пространственного заряда и радиального магнитного поля. Установлено, что максимальная эффективность преобразования достигается при сохранении формы поперечного сечения электронного пучка и его вращении как целого вокруг собственной оси.

4. Показано, что кулоновское взаимодействие в пучке конечного сечения оказывает заметное влияние на динамику электронного потока в области реверсивного магнитного поля. Эффективность преобразования растет с увеличением тока пучка и достигает максимума при значениях тока порядка 0,7 1Вг. При определенном выборе параметров влияние кулоновских полей дает заметный (до 5%) прирост эффективности преобразования.

5. Учтено влияние проводящих границ области на динамику электронного потока в реверсивной области циклотронного

—дааа1ашз£ша^ля^ Разработан алгоритм, позволяющий вычислять и анализировать влияние границ области. Установлено, ь1Ш 1фИ' высоком уровне преобразуемой мощности возможны режимы работы, при которых влияние проводящей границ области улучшает (на 3-5%) эффективность преобразования.

6. Показана возможность высокоэффективного преобразования поперечной энергии (до 80-85%) в интенсивных электронных потоках с увеличенным радиусом пучка и уровнем мощности 150-300 кВт.

7. Предложена новая конструкция циклотронного преобразователя с комбинированной реверсивной областью, в которой кинетическая энергия вращения электронного пучка преобразуется непосредственно в его потенциальную энергию при сохранении продольной скорости электронов на постоянном уровне. Это существенно снижает опасность вторичной эмиссии с поверхности коллектора и облегчает рекуперацию энергии электронного потока. Создан соответствующий вычислительный алгоритм. Получены профили тормозящего электрического поля реверсивной области.

8. Присутствие тормозящего электрического поля в реверсивной магнитной области допускает реализацию высокоэффективных режимов (до 90%) преобразования энергии вращения пучка непосредственно в его потенциальную энергию. Однако, такой вариант преобразователя потребует применения более сложной конструкции многоступенчатого коллектора из-за увеличения относительного разброса скоростей электронов на выходе из области реверса.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. О влиянии поля кулоновских сил на кпд реверсивной области циклотронного преобразователя энергии. // Труды научной сессии МИФИ-98, часть 4, с.80, 1998.

2. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. Перспективы повышения мощности циклотронного преобразователя энергии. // Труды научной сессии МИФИ-99, том 5, с. 167, 1999г.

3. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. Модель электронного потока с парциальными пучками конечного радиуса // Труды научной сессии МИФИ-2000, часть 4, с.66, 2000г.

4. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. Анализ электронных процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя энергии с тормозящим электрическим полем. // Известия РАН, серия физическая, т.63, №12, стр.2368, 1999г.

5. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. О возможности увеличения кпд циклотронного преобразователя энергии. // Вестник МГУ. Серия «Физика и астрономия», 1998 №2, с.69.

6. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. О возможности увеличения кпд циклотронного преобразователя энергии. // Труды VI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн», Московская область, Красновидово, с.65, 1997г.

7. А.В.Пеклевский, В.Л.Саввин. Анализ электронных процессов в реверсивной области циклотронного преобразователя энергии с тормозящим электрическим полем // Труды VII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн», Московская область, Красновидово, т.1, с.84, 1999г.

8. A.V.Peklevskiy, V.L Sawin. Modernization Of Reversal Region Of Cyclotron-Wave Converter. // Proc. 50th International Austronautical Congress, Amsterdam, Part 3, p.236,1999.