Исследование новых методов повышения эффективности технологических гиротронов

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 4 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 6 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 Hi 111 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.

Выводы по третьей главе.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования технологического гиротрона на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка. Гиротрон с рекуперацией создан на базе технологического гиротрона с рабочей частотой 24 ГГц. Основная трудность при конструировании коллекторного узла была вызвана использованием схемы с прямым выводом СВЧ мощности, в которой коллектор одновременно является выходным волноводом. Дополнительные ограничения на габариты коллекторного узла накладывались проходным отверстием соленоида, минимизированным для снижения объема магнитного поля. В диссертации представлены внесенные в конструкцию гиротрона изменения, в частности — квазиоптический преобразователь. Описана методика экспериментов, в которых реализовано повышение КПД с 48% до 60% с одновременным снижением тепловой нагрузки на коллектор в 1.6 раза. Полученный КПД является рекордным для гиротронов на гармониках гирочастоты.

Заключение

Основные результаты работы.

1. Разработан метод многопараметрического управления выходной мощностью технологического гиротрона путем последовательного изменения ускоряющего напряжения и магнитного поля соленоида. Метод позволяет существенно (в отдельных случаях в 2−3 раза) снизить энергозатраты в процессе микроволновой обработки диэлектрического образца по заданному температурному сценарию.

2. Проведены исследования возможностей повышения КПД приборов гиротронного типа посредством рекуперации остаточной энергии электронов в коллекторной области. В частности, показано, что при введении одноступенчатого рекуператора в гиромонотрон оптимальный продольный размер неоднородности высокочастотного поля увеличивается всего в 1.5 раза.

3. Реализована схема одноступенчатой рекуперации в технологическом гиротроне на второй гармонике гирочастоты. При уровне выходной мощности 6 кВт в непрерывном режиме генерации получен рекордный для гиротронов на второй гармонике выходной КПД 60%.

4. Предложен метод двухступенчатой рекуперации в гироприборах: для разделения энергетических фракций электронного пучка подобрана неоднородность магнитного поля, реализуемая, например, введением в коллекторную область гироприбора ферромагнитного кольца, соосного основному соленоиду. Показано, что при практически реализуемых параметрах пучка вторая ступень рекуперации обеспечивает дополнительное повышение КПД на величину около 5%.