Техника СВЧ

много энергии и поэтому КПД второго зазора высок. Но при этом сгусток

становится более рыхлым и разваливается. В результате конвекционный ток на

выходе из резонатора становится маленьким. Рис.3.10(б). соответствует

длинной пролетной трубе. Сгусток попадает на прямолинейный участок

синусоиды. Это способствует дальнейшему группированию электронов и

повышению конвекционного тока. При этом

[pic][pic]Рис.3.10.К объяснению влияния L12 на I1max/I0 и (е12

электроны отдают только малую часть своей энергии полю резонатора и поэтому

КПД второго зазора становится маленьким.

Это два крайних случая. При расчетах они не встречаются, но с их помощью

можно наглядно объяснить влияние L12 на ток и КПД. Но надо отметить, что

подобный механизм не всегда оказывается справедливым, в частности, в

дальнейшем будет исследована одна из точек, где ток I1max/I0 будет

уменьшаться и при увеличении, и при уменьшении L12 .

Протяженность и амплитуда напряжения второго зазора. Наиболее сложным для

изучения влияния на группирование является второй зазор. Очень сложно

выделить влияние этого фактора в чистом виде. Этому препятствует то

обстоятельство. что при изменении входного зазора во второй зазор поступает

измененный электронный поток и поэтому взаимодействие с ним будет носить

иные результаты.

Поэтому влияние ширины второго зазора на электронный поток , выходящий из

первого резонатора, будем рассматривать при неизменных параметрах первого

зазора и расстояния между первым и вторым зазорами. Результаты исследований

приведены на рис.3.11. При больших d2 уменьшение ширины зазора приводит к

увеличению электронного КПД (е12 и максимума тока I1max/I0 , а также к

уменьшению Zopt . Это можно объяснить лучшим взаимодействием электронного

потока при уменьшении зазора .При больших d2 электронный поток группируется

далеко, что хорошо по причинам ,описанным выше.

При дальнейшем уменьшении ширины зазора d2 уменьшается сначала ток I1max/I0

, а затем и электронный КПД (е12 . Уменьшение тока можно объяснить, тем что

сгусток от второго зазора группируется ближе, чем сгусток от первого.

Поэтому происходит размывание максимума тока и он снижается.

Снижение электронного КПД происходит при меньших значениях d2 , чем

снижение тока I1max/I0 . Это объясняется тем, что КПД зависит от того какую

часть энергии отдадут электроны с зазор. Она тем больше, чем больше

коэффициент взаимодействия, т.е. чем меньше зазор. Поэтому при уменьшении

d2 электронный КПД возрастает. Причиной его падения при дальнейшем

уменьшении d2 является появление колеблющихся электронов во втором зазоре ,

но это происходит при малых d2, которые не имеют практического применения.

Влияние амплитуды на втором зазоре (2 аналогично влиянию ширины зазора d2

. В первом приближении увеличение амплитуды схоже по своему действию с

уменьшением зазора. Влияние амплитуды (2 лучше рассмотреть на примере

резонатора “0” - типа, так как в резонаторе “(“ - типа изменять амплитуду

только на втором зазоре невозможно. Зависимости параметров электронного

потока от (2 представлены на рис.3.12. Видно ,что изменение амплитуды

значительно меньше меньше влияет на электронные процессы, чем изменение

ширины зазора, поэтому может служить для окончательной оптимизации прибора.

Суммируя вышесказанное о втором зазоре надо еще раз подчеркнуть, что его

параметры надо выбирать не только из соображений высокого тока I1max/I0 и

приемлемого КПД (е12 =2(3%, но и подбирая Zopt > 56 мм. для клистрона с

резонатором “(“ - типа.

[pic]

Рис.3.11. Зависимость I1max/I0 и (е12 от ширины второго зазора d2

[pic]Рис.3.12. Зависимость I1max/I0 и (е12 от амплитуды на втором зазоре

(2

5.1.2. Расчет процессов в выходном резонаторе

Выходной резонатор должен обеспечить максимально эффективное,

равномерное торможение всех электронов. При этом не желательно иметь

обратно выброшенные электроны.

Второй резонатор надо располагать на 1(4 мм. ближе максимума тока

I1max/I0 . При этом достигается максимальный КПД. Типичное взаимное

расположение тока и КПД в пространстве представлено на рис.13.

Необходимость ставить резонатор в месте где ток не достигает максимума,

объясняется тем , что в максимуме происходит перегон. При перегоне быстрые

электроны догоняют и перегоняют медленные. До перегона медленные электроны

шли впереди быстрых и поэтому входили в зазор когда напряжение на нем не

достигало минимума, а быстрые попадали в минимум напряжения. Это позволяло

равномерно затормозить все электроны. При перегоне и быстрые, и медленные

электроны тормозятся одним напряжением. Поэтому либо медленные выбросятся

их зазора, либо быстрые затормозятся не достаточно эффективно.

Выходной резонатор является обычным узким с углом пролета меньше (/2.

С точки зрения эффективности взаимодействия лучше брать, как можно более

узкий зазор. Но минимальная ширина зазора ограничивается величиной емкости

зазора. Исходя из этих противоречивых требований в данном дипломе

используется выходной зазор шириной 4 мм.

Амплитуда напряжения на выходном зазоре подбирается в каждом случае

эмпирически по наибольшему КПД. Надо стараться сделать максимальную

амплитуду, но чтобы не было обратных электронов. Увеличение амплитуды на

0.1 увеличивает выходной КПД примерно на 0.5% ( рис.3.14 ) до тех пор пока

не появятся обратновыброшенные электроны. На рис.3.14 точка А соответствует

появлению обратновыброшенных электронов.

[pic]Рис.3.13. Взаимное расположение тока I1max/I0 и КПД выходного зазора

(е3 в пространстве.

[pic]

Рис.3.14. Зависимость выходного КПД (е3 от амплитуды (3

Очень большое значение для процессов в выходном резонаторе играет

соотношение фаз тока и напряжения . Электронный КПД третьего зазора

определяется по формуле:

[pic]

где (3 - амплитуда напряжения третьего зазора

Iн3 = Iн3 / Io -наведенный ток третьего зазора

( - угол между током и напряжением

Исходя из формулы, можно решить, что нужно стремиться к ( = 0, при этом cos

( = 1 и (е3=max . На самом деле при (=0 наведенный ток небольшой и растет

с уменьшением ( ( рис.3.15). Поэтому произведение Iн3 и cos ( становится

наибольшим при ( = -(0.3(0.4).

5.2. Электронные процессы в резонаторе "0" типа

5.3. Влияние магнитного поля на процессы в клистроне

Как известно магнитное поле используется для ограничения поперечного

размера электронного пучка, что позволяет увеличить токопрохождение, и как

следствие снизить нагрев и потери мощности. Вместе с этим сильное магнитное

поле ухудшает характеристики клистрона. Было замечено, уменьшение

напряжения магнитного поля увеличивает конвекционный ток первой гармоники

I1max/I0 и расстояние на котором этот ток становится максимальным Zopt . На

рис.3.19 представлены зависимости I1max/I0 и Zopt от магнитного поля

B2/U0 . Увеличение тока I1max/I0 и расстояния Zopt позволяет увеличить

КПД прибора. Из вышесказанного понятно что для получения оптимальных

параметров прибора магнитное поле должно быть минимальным, но обеспечивать

приемлемое токопрохождение.

[pic]Рис.3.19. Зависимость I1max/I0 и Zopt от магнитного поля B2/U0

В процессе разработки прибора использовалось поле величиной B2/U0=70-

180. Это достаточно сильное поле особенно при B2/U0>100. Оно очень сильно

влияет на электронный поток. Достаточно сказать, что при начальном радиусе

пучка 1.05 мм через 10 мм пролета в резонаторе его радиус становится равным

0.1 мм. При этом коэффициент пульсаций достигает 10.5.

Величина поля необходимого для фокусировки зависит в основном от двух

факторов: напряженности поля и силы расталкивания пространственного заряда.

Напряженность электрического поля в выходном зазоре в выходном зазоре в

несколько раз больше чем во входном, т.к. входные зазоры широкие, а

выходные узкие.

Исходя из этого можно в начале прибора использовать меньшее магнитное

поле, а затем увеличить его до номинального. Было рассчитано несколько

вариантов такой схемы. Наиболее хороший результат дал вариант с резонатором

"("-вида с параметрами: d1=15.5 мм, d2=10 мм, L12=27 мм, (1=1.5, (2=-1.5,

на интервале 0-30 мм поле равно B2/U0 =84, а дальше поле равно B2/U0=140.

Полученные результаты приведены в табл.3.11. Для сравнения там же приведены

результаты для такого же клистрона , но с равномерным магнитным полем.

Полученный I1max/I0 является лучшим за весь период расчета. Видно, что с

равномерным полем результат хуже как по току так и по расстоянию Zopt .

Таблица 3.11.

Сравнительные результаты при неравномерном и равномерном магнитном поле

|Маг.поле |I1max/I0|Zopt |(е12 |(е3 |(е( |

|Неравномер. |1.7523 |58 |0.091 |0.6185 |0.708 |

|Равномерное |1.6623 |54 |0.089 | | |

Полученные результаты надо рассматривать, как прикидочные, т.к. малый

объем расчетов не позволяет говорить о том, что был достигнут максимум.

Вероятнее всего можно получить еще больший ток. Но поскольку получение

неоднородного магнитного поля вызовет усложнение конструкции было решено

пока остановиться на варианте с рвномерным магнитным полем. К тому же

рассматриваемое неравномерное магнитное поле имеет нереальное распределение

по Z в виде ступеньки. Поэтому полученные результаты лишь показывают

возможность улучшения параметров клистрона за счет применения неоднородного

магнитного поля.

В

1

0.6

0

30 Z

Рис.3.20. Схематическое изображение двухрезонаторного клистрона

с резонатором "(" - вида с (1(3/2(, с неоднородным магнитным полем

Зависимость угла пролета от ширины зазора.

|Угол пролета ( |Ширина реального |Теоретическая |Отклонение, % |

| |зазора, мм |ширина зазора, мм | |

|0 |0 |0 |0 |

|1.116( |10 |12.05 |20.5 |

|2( |19 |21.6 |13.7 |

|2.394( |21.5 |25.86 |20.3 |

|2.86( |23 |30.89 |34.3 |

угол пролета зазора для характерных точек; во втором столбике ширина

реального зазора, соответствующего данному углу пролета; и в третьем

столбике ширина зазора, соответствующая данному углу пролета, рассчитанная

теоретически по формуле: d=(v/(

На рис.3.8. изображен график зависимости эквивалентного угла пролета от

ширины зазора, построенный по данным таблицы 3.2. Пользуясь этим графиком

можно ориентировочно определять угол пролета и электронный КПД зазора. Для

этого для исходной ширины зазора определяется эквивалентный угол по графику

на рис.3.8 . Затем по формуле:

[pic]

определяется электронная проводимость, а по формуле:

[pic]

определяется электронный КПД зазора. На рис.3.7(б) пунктиром нанесена линия

КПД, рассчитанная по такой методике для (1 =1. Погрешность составляет 1-2%,

что говорит о возможности применения данной методики для оценочных

расчетов.

Аналогично по формуле:

[pic]

можно оценить значение коэффициента взаимодействия.

6. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛИСТРОНА

Клистрон выполняется многолучевым, использует разработанную на

предприятии ЭОС с 24 лучами, сосредоточенными в центре резонатора, в

котором используется основной вид колебаний.

Прибор состоит из четырех основных узлов: резонаторная система,

катодный узел, коллекторный узел и вывод энергии.

Резонаторная система клистрона представляет собой два резонатора.

Первый резонатор имеет два высокочастотных зазора. Трубка дрейфа

поддерживается металлическим стержнем. На внутренней стенке резонатора

располагаются выступы, для получения заданной структуры поля. Они

образуются подбором размеров пролетных труб. Второй резонатор

однорезонаторный с узким зазором. Для эффективного отвода тепла корпус

резонатора, трубка дрейфа и держатель изготавливаются из меди типа МБ.

Выходной резонатор имеет отверстие для соединения с выводом энергии

баночного типа, который вакуумно уплотнен диэлектрической пластиной из

керамики марки 22ХС. Входной резонатор имеет вывод энергии с небольшой

связью в виде петли связи. Это позволяет контролировать работу генератора.

Для фокусировки электронного потока в приборе применена фокусирующая

система из постоянных магнитов. Для этого на входе и выходе резонаторного

блока припаиваются магнитные полюса из стали, на которые одеваются

кольцевые постоянные магниты.

Катодный и коллекторный узлы и вывод энергии взяты от готового

прибора, разрабатываемого промышленностью. Катодный узел имеет многолучевую

пушку с импергированным катодом, выполненным в виде отдельных спрессованных

таблеток, фокусирующий электрод и ножку. Фокусирующий электрод имеет свой

вывод. Подогреватель пушки изготавливается из вольфрама, остальные детали

из никеля и сплава марки 47НКД. Все диэлектрические детали изготавливаются

из керамики марки .

Размеры резонаторов (протяженность первого и второго зазоров, длина

трубки дрейфа, выступы) выбираются по расчетным данным, исходя из

оптимального КПД.

Коллектор, используемый в данном приборе предназначен для отвода 40

кВт мощности потерь с водяным охлаждением.

Катодный узел, коллектор и вывод энергии соединяются с резонатором с

помощью аргоно-дуговой сварки, что позволяет легко менять данные узлы при

выходе из строя без замены остальных узлов резонатора.

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7.1. Календарный план разработки

Планирование исследовательской работы заключается в составлении

календарного плана проведения исследовательской работы. Он отражает

перечень работ по этапам, строгую очередность в выполнении отдельных этапов

работы, сроки выполнения, количество и квалификацию лиц, занятых при

разработке темы.

В качестве метода календарного планирования выбран ленточный график,

приведенный на рис.5.1. Шифр проводимых работ дан в таблице 5.1.

Все работы, проводимые в ходе выполнения НИР можно разделить на три

периода:

подготовительный период.

экспериментальное исследование электронных процессов в приборе.

подведение итогов.

В данном дипломном проекте проводится численный эксперимент, то есть

расчет электронных процессов на ЭВМ.

На первом этапе были проведены следующие работы: - составление и

согласование ТЗ - подбор и изучение литературы - изучение особенностей

программы расчета электронных процессов

Во время второго этапа: - подготовка исходных данных - расчет

электронных процессов на ЭВМ - построение графиков - анализ полученных

результатов - оптимизация параметров на ЭВМ

Во время третьего этапа: - изучение конструкции прибора - изучение

технологии изготовления прибора - оформление графической части -

оформление, согласование и сдача отчета

7.2. Смета затрат на разработку

В затраты на проектирование входят:

1. заработная плата ИТР - дополнительная плата ИТР (15% от основной ЗП)

1. отчисления на социальные нужды (40.5% от суммы ЗП)

1. затраты на эксплуатацию ЭВМ в расчете 5000 рублей за 1 час машинного

времени

1. накладные расходы, составляющие 100% от суммы заработной платы,

социальных отчислений, затрат на эксплуатацию ЭВМ

1. прибыль составляет 20% от суммы предыдущих статей

1. НДС составляет 20% от суммы предыдущих статей

Заработная плата рассчитывается по формуле:

ЗП = ti * Tдн * q,

где ti - трудоемкость в днях

Tдн- дневная тарифная ставка

q - количество исполнителей.

Дневная ЗП инженера = 9397 руб.

Дневная ЗП старшего инженера = 17417 руб.

Дополнительная ЗП = Основная ЗП * 0.15

Затраты на ЗП приведены в таблице 5.2.

Отчисления на социальные нужды = (ЗПосн+ЗПдоп) * 0.405 =

(638672+95801) * 0.405 = 297462 руб.

Затраты на машинное время = количество отработанных часов * стоимость

одного часа машинного времени = 160 * 5000 = 800000 руб.

Затраты на эксплуатацию ЭВМ приведены в таблице 5.3.

Накладные расходы = (ЗПосн + ЗПдоп + СОЦотч + МАШвр) * 1.00 =366387

Прибыль = (ЗПосн + ЗПдоп + СОЦотч + МАШвр + НАКЛрас) * 0.2

НДС = (ЗПосн + ЗПдоп + СОЦотч + МАШвр + НАКЛрас + ПРИБ) * 0.2

Смета затрат - в таблице 5.4.

7.3. Выводы по эффективности дипломного проекта

Так как тема данного дипломного проекта имеет теоретически-

исследовательский характер, то посчитать в денежном выражении и в

окончательном виде экономический эффект не представляется возможным. Но

можно дать предварительную оценку.

Проведение расчетов на ЭВМ позволяет сократить срок разработки

приборов, число разработчиков. Расчет геометрии на ЭВМ позволило свести к

минимуму количество экспериментальных макетов и значительно уменьшить

трудоемкость экспериментальных исследований.

Таким образом, использование ЭВМ в процессе проектирования приборов

дает основание ожидать высокую эффективность работ из-за сокращения затрат

на стадии разработки.

Затраты на эксплуатацию ЭВМ можно снизить за счет более детальной

подготовки исходных данных для расчета, тщательного продумывания

направления дальнейшего расчета и за счет использования ЭВМ с большим

быстродействием.

8. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

Страницы: 1, 2, 3