авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка магнетрона миллиметрового диапазона с улучшенными эксплуатационными характеристиками

-- [ Страница 2 ] --

В третьей главе на основе проведенного анализа осуществлен выбор оптимальных параметров электронно-оптической системы магнетрона, обеспечивающей высокий КПД.

В первом параграфе рассмотрены преимущества магнетронов миллиметрового диапазона, работающих в режиме синхронизации электронного потока с высшими пространственными гармониками -вида, перед -видными магнетронами, а также особенности электронно-волнового взаимодействия таких магнетронов.

Второй параграф посвящен результатам измерений параметров негенерирующих магнетронов («холодным» измерениям). Приведены результаты исследования макета магнетрона на низком уровне мощности. Замерена и исследована дисперсионная характеристика замедляющей системы. Рассмотрены элементы конструкции, влияющие на смещение частоты рабочего вида колебаний в процессе сборки и пайки магнетрона, приведены количественные и качественные иллюстрации этих уходов от положения анодных экранов, толщины ламелей, изменений, вносимых катодом. Рассмотрено влияние неоднородностей резонаторной системы на «холодные» параметры магнетронов. Измерены параметры рабочего вида и соседних видов колебаний, резонансные частоты этих видов колебаний и добротности (0, вн), что позволяет при наличии достаточного опыта изготовления магнетронов прогнозировать их рабочие характеристики (величину КПД, токи начала генерации и токи срыва рабочего вида колебаний). Исследовано распределение ВЧ-полей в резонаторной системе магнетрона, которое составляет важный этап в процессе разработки.

В третьем параграфе рассмотрен вопрос обеспечения доминации рабочего вида колебаний над конкурирующими видами. Успешное решение этого ключевого вопроса обеспечивает существование рабочего вида колебаний в максимально широкой области магнитных полей и анодных токов, что дает необходимую свободу маневра при выборе рабочей точки и позволяет реализовать на рабочем виде колебаний максимальный КПД электронно-волнового взаимодействия.

Одним из способов обеспечения доминации рабочего вида колебаний в магнетронах поверхностной волны является правильный выбор параметра

где L – шаг замедляющей (резонаторной) системы; tл – толщина ламели; (L – tл) – ширина СВЧ-промежутка.

Параметр является одной из основных характеристик пространства взаимодействия магнетрона, взаимно связывающий важные конструктивные параметры.

Доказано, что путём целенаправленной регулировки значения µ всегда можно ослабить негативное влияние конкурирующих видов колебаний, усилив доминацию рабочего вида. Проведенная работа по оптимизации параметров замедляющей системы разрабатываемого магнетрона 2-миллиметрового диапазона позволила повысить КПД с 1,8-2,2 до 3,4 %.

В четвертом параграфе рассмотрен эффективный способ оптимизации выходных параметров не -видных магнетронов, заключающийся в максимальном сближении резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний. Как известно, разнос этих частот определяется величиной реактивности, вносимой в выходной резонатор выводом энергии.

Негативную роль реактивности, вносимой выводом энергии в выходной резонатор, можно пояснить следующим образом. Изменение собственной частоты выходного резонатора приводит и к изменению резонансной частоты вида колебаний в целом. Новой резонансной частоте вида колебаний будет соответствовать и новый сдвиг фазы на ячейку в неискаженной части резонаторной системы (в соответствии с дисперсионной характеристикой), а на искаженном выходном резонаторе происходит скачок фазы ±, дополняющий полное изменение фазы по окружности анода до значения 2n. Таким образом, условие резонанса азимутально-симметричной системы трансформируется в новое условие резонанса , где - сдвиг фазы на ячейку резонаторной системы на резонансной частоте вида колебаний в магнетроне с идеальной азимутальной симметрией; - сдвиг фазы на ячейку резонаторной системы на резонансной частоте вида колебаний в неискаженной части системы магнетрона с локально нарушенной азиму­тальной симметрией; N - число резонаторов магнетрона; n - номер вида колебаний; ± - скачок фазы на искаженном резо­наторе.

По мере возрастания вносимой в выход­ной резонатор дополнительной реактивности и соответствующего возрастания скачка фазы условие замкнутости электронного потока () все более нарушается, что ведет к снижению электронного КПД, а при электронно-волновое взаимодействие становится невозможным. Поэтому при большой величине следует принимать меры по компенсации вносимой реактивности.

Суть метода сближения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний заключается в том, что собственная частота выходного резонатора, отстроенная вносимой выводом реактивностью, возвращается на свое первоначальное место изменением геометрии выходного резонатора или изменением геометрии других резонаторов, определенных специальным образом, что может быть реализовано в большинстве случаев (рис. 7).

Рис. 7. Пример некоторых способов изменения геометрии резонатора

В результате достигается электродинамическая азимутальная симметрия анода, минимизирующая частотный разнос компонент дублета и ликвидирующая скачок фазы на выходном резонаторе. Если же такая компенсация не произведена, то реализация максимально возможных значений выходной мощности и КПД затруднена и порой не достижима.

Экспериментально доказано, что приближение частоты f нагруженной составляющей к частоте f0 ненагруженной составляющей дуплета до получения минимально возможного частотного разноса компонент дублета приводит к росту КПД магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн

.

Таким образом, в третьей главе собраны результаты исследований и экспериментов, позволяющие при разработке магнетронов миллиметрового диапазона сократить объем натурных проб и проводить оптимизацию электронно-оптической системы магнетронов еще на стадии проектирования.

Четвертая глава посвящена вопросам конструирования магнетронов 2-миллиметрового диапазона и проблемам обеспечения высокой долговечности.

В первом параграфе рассмотрены конструкторско-технологические проблемы разработки и проектирования миллиметровых магнетронов. Первый серийно выпускаемый магнетрон 2-миллиметрового диапазона был разработан еще 30 лет назад и имел долговечность 200 часов. После модернизации его долговечность была увеличена до 500 часов.

Разработка 2-миллиметровых магнетронов с долговечностью 1000-2000 часов, сравнимой с долговечностью более длинноволновых магнетронов, является сложной конструкторско-технологической проблемой. Для ее решения найдено и реализовано два принципиальных решения:

1. Конструктивное выполнение резонаторных систем (РС) магнетронов сделано по схеме магнетронов поверхностной волны (работа на гармонике одного из видов колебаний РС). Такая схема построения РС магнетронов позволяет в 1,5-2 раза увеличить размеры конструктивных элементов РС и существенно облегчить тепловые режимы анода и катода.

2. Главное решение, которое было предложено и реализовано в 2-миллиметровых магнетронах, - это новая структура пространства взаимодействия магнетрона (рис. 8). Разделение запускающего термокатода и вторично-эмиссионного катода не только функционально, но и конструктивно, на основной холодный и боковой вспомогательный термокатод позволило снизить тепловые нагрузки на электроды и повысить их надежность и надежность магнетронов в целом (табл. 1).

Рис. 8. Конструкция пространства взаимодействия: 1- вторично-эмиссионный катод; 2 – анодные ламели; 3 – катод инжекторной пушки

Таблица 1 - Сравнительные характеристики катодов

Тип катода Материал Рабочая температура, С Долговечность, ч
Термоэлектронный, металлосплавной IrLa 1350-1400 500-1000
Термоэлектронный, импрегнированный -- 1100-1200 <500
Вторично-эмиссионный, металлосплавной PtBa 700-900 >2000

Во втором параграфе рассмотрен вопрос обеспечения надежности анодной системы. Первые предварительные расчеты и эксперименты показали, что предъявляемые к магнетрону требования близки к предельно возможным, так как наряду с другими заданы жесткие требования по средней мощности, по анодному напряжению, по долговечности.

Традиционным материалом, который используется для изготовления анодных систем, является медь. Тепловые нагрузки на аноде рассматриваемых магнетронов настолько велики (порядка 2000 Вт/см2 или 2400000 Вт/см2 в импульсе), что заданная долговечность 2000 часов может быть получена только при условии защиты поверхности анода тугоплавкими материалами.

По специальной методике проведен расчет времени разрушения материала ламелей анода магнетрона в зависимости от геометрии ламелей, используемого материала, длительности импульса, скважности, неравномерности бомбардировки поверхности электронами (табл. 2). Методика позволяет с удовлетворительной точностью прогнозировать долговечность анодной структуры.

Таблица 2 - Расчетные данные по долговечности для медных и вольфрамированных ламелей на разных скважностях при трех коэффициентах неравномерности бомбардировки

Скажность - Q (Длительность импульса 75 нс) Продолжительность работы до разрушения материала анода – Д (ч)
Сu без Wпокр Сu c Wпокр
Кнеравн=1,5 Кнеравн=1,5 Кнеравн=2,0 Кнеравн=3,0
3000 ~0,31 2,67·106 9,7·103 ~8,76
2000 ~0,19 1,24·106 5,04·103 ~5,07
700 ~0,04 67,3·103 476,9 ~0,82

Специфика магнетронов миллиметрового диапазона потребовала модернизации существующей технологии нанесения защитного покрытия. Покрытие на ламелях должно быть тонким, не более 25 мкм, чтобы не ухудшать электродинамику резонаторных систем, но не менее 10 мкм, чтобы обеспечить необходимую термомеханическую прочность; покрытие должно иметь прочное сцепление с подложкой. Благодаря разработанной технологии стойкость ламелей к электронной эрозии была повышена на несколько порядков, что позволило повысить надежность и долговечность магнетрона.

Одним из вопросов, требовавших проработки, стояло требование исследовать возможность изменения рабочей длительности импульсов до 50 нс и до 130 нс (номинальная заданная длительность составляет 75 нс, скважность 1250). Расчетные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Расчетные данные по долговечности при различной длительности импульса

Длительность импульса , нс Долговечность, ч
50 4514
75 2604
130 1,7

На основе расчетов и результатов экспериментов была разработана методика ускоренных испытаний, сокращающая время прогонов на безотказность на два порядка.

Внедрение технологии вольфрамирования ламелей в магнетронах

2-миллиметрового диапазона длин волн позволило создать магнетроны с выходной импульсной мощностью 5-8-10,5 кВт, работоспособных при скважности от 3000 до 500 ед. При этом благодаря защите анода и специальной конструкции катода с жидкостным охлаждением получена долговечность в режиме генерации от 500 до 2000 ч.

В третьем параграфе рассмотрена технология изготовления резонаторной системы магнетронов. Для получения повышенной точности изготовления был использован электроискровой комплекс с лазерным слежением за перемещением режущего инструмента, созданный на базе собственных разработок в ОАО «Тантал». После тщательной отработки конструкции, технологии сборки комплекса, создания условий его функционирования (исключение вибрации рабочего стола и инструмента, обеспечение чистоты рабочего помещения с точки зрения пыли и влаги, создание специальной технологической оснастки) удалось обеспечить повторяемость изготовления деталей резонаторных систем в пределах 0,1-0,2 мкм. Кроме того, удалось реализовать трёхпроходный процесс изготовления профиля резонаторных систем, что позволило повысить чистоту обработки поверхности на 2-3 класса. Использование нового, оригинального электроискрового комплекса позволило получить ранее не достижимую повторяемость частоты магнетронов от экземпляра к экземпляру в пределах ±30-50 МГц.

В четвертом параграфе рассмотрены вопросы повышения надежности катодного узла. Для изготовления катодов большинства магнетронов, в том числе и магнетронов 3-миллиметрового диапазона, принята технология шовной сварки эмиттера (ленты из сплава PtBa или PdBa) с молибденовым керном и с теплоотводом на внешний радиатор, обдуваемый воздухом. Для магнетронов 2-миллиметрового диапазона была использована новая технология по следующим причинам. Тепловая нагрузка (до 100 Вт/см2 ) на катод в разрабатываемом магнетроне в 5 раз выше, чем в существующих магнетронах 3-миллиметрового диапазона, а эмиссионная нагрузка (100 А/см2) – в 2 раза выше. Из-за этого технология шовной сварки оказалась непригодной, и пришлось искать новые решения.

Рис. 9. Шлиф катода, изготовленного методом шовной сварки ленты из PdВa с керном, и катод после нескольких часов работы

Для обеспечения эрозионной стойкости катода (при импульсной нагрузке 110 кВт/см2) и надежности в течение долговечности более 2000 часов применена технология создания слоистого катода (рис. 10).

Рис. 10. Катод, эмиттер которого сварен из пластин PdBa, после нескольких часов работы

Необходимое количество пластин из сплава PtBa толщиной 0,1 или 0,2 мм сваривались между собой и с молибденовым держателем, а узел дорабатывался на токарном станке по внешним размерам.

Такая конструкция, как показали испытания, оказалась более эффективной по сравнению с ленточным эмиттером, наваренным на керн, так как весь объем катода заполнен эмиссионно-активным материалом, что немаловажно при возможной эрозии поверхности эмиттера. Одновременно исключается перегрев эмиттера, как это возможно при некачественной сварке ленточного эмиттера с керном, а значит, и уменьшается вероятность разрушения, что обеспечивает высокую долговечность.

В пятом параграфе представлена реализованная идея интегрированной в конструкцию магнетрона системы параллельного жидкостного охлаждения катодного и анодного узлов, находящихся под высоким потенциалом (15 кВ). Проведенные расчеты и эксперименты показали недостаточность охлаждения принудительным воздушным способом из-за высокой тепловой нагрузки и малых поверхностей обдува. В связи с этим была разработана система жидкостного охлаждения с применением керамических гидроизоляторов для электрической развязки.

В шестом параграфе описана конструкция разработанного волноводного вывода энергии с керамическим вакуумным уплотнением в круглом волноводе. В магнетронах-аналогах вместо керамики использовалась искусственная слюда в прямоугольном волноводе. Благодаря новой конструкции вывода энергии, хорошо согласованного с резонаторной системой магнетрона, появилась возможность работать при высокой выходной мощности без поддува в волновод и повысить температуру, при которой осуществляется откачка, с 400 до 550 С.

В седьмом параграфе представлены результаты испытаний созданных образцов магнетронов на базе всех проведенных исследований и конструкторско-технологических усовершенствований.

На рис. 11 приведены рабочие характеристики магнетронов в номинальных рабочих режимах: длительность импульса 75 нс, скважность 1250, жидкостное охлаждение с суммарным расходом 1,5 л/мин. При анодном напряжении 14-15 кВ и анодном токе 5-15 А реализуется выходная мощность 1-7,5 кВт. Таким образом, достигнут требуемый результат по увеличению КПД и реализации выходной мощности 4-5 кВт при анодном токе 12 А. Разработанная технология обеспечивает хорошую повторяемость.

 Рабочие характеристики в-23

Рис. 11. Рабочие характеристики в номинальном режиме работы магнетронов

Следует отметить, что благодаря проведенным работам по оптимизации геометрии резонаторной системы, описанным в третьей главе, удалось получить низкие начальные токи рабочего вида. В результате рабочая точка с максимальным КПД сместилась с 15 А на 12 А.

Один из магнетронов был испытан на долговечность в номинальном режиме работы. Результаты приведены на рис. 12.

Рис. 12. Результаты испытаний
на долговечность


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.