Учебный электронный материал

1. ВВЕДЕНИЕ 1.1 Технико-экономическое обоснование проекта Общее кризисное состояние всей экономики страны еще в боль шей степени относится к технике СВЧ, так как она в основном питалась военными заказами. Поэтому в настоящее время основной задачей этой области те х ники является развитие применений ее в мирных целях. Эти применения м о гут быть связаны с переработкой информации (телевидение, связь, новые направления в медицине и биологии) и с преобразованием энергии (ускорители заряженных частиц, нагрев плазмы, диэлектриков, преобраз о вание солнечной энергии). Наиболее важным в настоящий момент являются применения, направленные на развитие новых технологий и новых прои з водств. Это прежде всего касается использование СВЧ для нагрева диэле к триков в различных целях. Наиболее широкая область применения техники СВЧ - ее испол ь зование в бытовых целях, например производство магнетронов для бытовых микроволновых печей. Однако в этой области иностранные фирмы ушли д а леко вперед и без серьезных вложений наша промыш ленность не сможет с ними ко н курировать. В этих условиях более целесообразным представляется развитие технологических применений более мощных приборов СВЧ (более кВт), в создании и производстве которых наша страна занимает передовые поз и ции. Для разнообразных технологических процессов (сушки, разм о раживания, вулканизации, пастеризации, спекания, разрушения твердых в е ществ, обжига и многих других) требуется мощность от единиц до сотен к и ловатт в непрерывном режиме. Применение микроволн позво ляет оптим и зировать технологический процесс, достичь высокого ка чества продукта при минимальных энергозатратах и меньшей металлоем кости технологического устройства. Использование электроэнергии позволяет разумно и эффекти в но тратить природные энергоресурсы (газ, нефть, уголь), не нанося допо л нительного экологического вреда. Наиболее экономично применение более коротковолнового диапазона, так как мощность, выделяемая при нагреве диэлектрика пропорци о нальна частоте. Специфическим требованием к приборам для промышленного пр и менения отвечают мощные магнетроны непрерывного действия. Они отн о сительно дешевы, обладают высоким КПД, сравни тельно просты в эксплу а тации и устойчивы к изменениям согласования с нагрузкой. Однако в коро т коволновом диапазоне (12.5см) и при мощно стях свыше 1кВТ они обладают рядом недостатков, обусловленных особенностью их работы. В указанном диапазоне длин волн не выпускают магнетроны мощностью свыше 10 кВт. Ограничения по мощности в магне тронах связаны с тем, что потери выд е ляются непосредственно на аноде и катоде, которые образуют пространство взаимодействия. Размеры пространства взаимодействия ограничены длиной волны. Вследствие обратной бомбардировки катода сокращается срок службы прибора. При мощностях свыше 1кВТ необходимо водяное охлажд е ние. Это создает неудобства в эксплуатации и сокращает срок службы из-за вых о да из строя каналов охлаждения. В связи с указанным недостатком магнетронов для технологиче ских целей стали разрабатывать многорезонаторные клистроны. У кли стронов продольный размер коллектора не связан с длиной волны. Поэтому при мощностях до 10 кВт может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного охлаждения предпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух используется для дополнитель ного подогрева продукта. Разрабатываемые клистроны имеют мощность 25-50 кВт при КПД=45-50% в диапазоне 2450 МГц [1]. Наибольшие успехи достигнуты в создании мног о лучевых клистронов . Клистроны , разработанные отечественной промы ш ленностью позволили достигнуть больших успехов в снижении ускоряющего напряжения и стоимости. По сравнению с магнетронами многолучевые кл и строны позволяют значительно увели чить долговечность и выходную мо щ ность в коротковолновом диапазоне (12.5см) при тех же, что и у магнетр о нов, величинах КПД и напряжениях. Однако даже многолучевые многорез о наторные клистроны уступают магнетронам по габаритам, весу, стоимости. Эти недостатки связаны с большим количеством резонаторов. Во многом количество резонаторов определяется стремлением получить большие зн а чения коэффициента усиления и полосы, а в случае автогенератора их число может быть умен ь шено. Для технологических целей возможно применение автогенерато ров вместо усилителей. При этом требования полосы и усиления отпа дают и становится целесообразной разработка автогенераторных кли стронов с м а лым числом резонаторов и большим КПД. Также автогенера торы будут л и шены упомянутых недостатков по сравнению с магнетро нами, а отмеченные выше преимущества клистронов тогда более ярко проявляются. Однако в ы пускаемые до сих пор одно- и двухрезонаторные клистроны имеют в лучшем случае КПД около 30%, а обычно значительно ниже. В связи со сказанным возникает задача заменить применяемый в многорезонаторных клистронах процесс преобразования постоянного эле к трического тока в переменный с помощью каскадного группирования другим эффективным процессом, не требующим большого количества резон а торов. Эффективное группирование может происходить в результате вз а имодействия электронов с полем резонатора при больших углах полета и больших амплитудах напряжения. При этом вместо большого числа резон а торов может быть использовано всего два или даже один резонатор, что п о зволяет снизить габариты, массу и стоимость приборов. До сих пор нет сведений о создании хотя бы экспериментальных приборов, использующих протяженные пространства взаимодействия в р е зонаторах. Для создания таких приборов, на кафедре электронных приборов в течении последних лет, были проведены расчет и анализ электронных процессов при больших углах пролета. Основная задача этих работ состоит в повышении примерно в два р а за (на 25-30%) КПД однорезонатарных и двухрезонаторных клистронов и доведения КПД примерно до 60%. В соответствии со сказанным определяются следующие основные этапы настоящей работы: Проведение аналитического обзора по опубликованным работам и проведенным на кафедре электронных приборов. Ознакомление с методами расчета электронных электродинамич е ских процессов, внесение уточнений при выборе вычислительных пар а метров и развитие этих методов в связи с возникающими задачами. Расчет и анализ электронных процессов, что является основной з а дачей проекта. Рассмотрение принципов построения генераторов и эскизное прое к тирование прибора. В современных условиях разработка новых приборов должна вестись с использованием максимального числа уже разработанных узлов и деталей, поэтому проектирование прибора ведется на базе разработанной в НИИ "Исток" многолучевой электронно-оптической системы. Последние обсто я тельство определило данные проектируемого прибора. Подводимая мо щ ность определяется параметрами двадцатичетырехлучевой ЭОС с микр о первеансом одного луча Рм=0.3 мкА/В 3/2 и напряжением U 0 =8 кВ, Р 0 =41 кВт. При общем КПД не менее 55% выходная мощность составляет 22-25 кВт. Диаметр пролетного канала 3.5 мм, коэффициент заполнения 0.6 при иде а лизированных условиях в пролетном канале. Расчет проводился на частоте 2450 МГц. Дипломный проект носит чисто исследовательский характер, поэтому количественно определить экономический эффект нево з можно. 2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 2.1. Взаимодействие электронного потока с входным рез о натором. Эффективность взаимодействия электронов с полем зазора резонатора принято характеризовать коэффициентом электронного взаимоде й ствия M: где - угол пролета электронов во входном зазоре. Из этого выражения следует, что лучшее взаимодействие будет происходить при q близком к нулю. Рассмотрение процессов с точки зрения осуществления прибора в целом приводит к заключению, что желательно получение максимальной величины М 2 , где - характеристическое сопротивление резонатора. Почти во всех приборах, в кот о рых происходит взаимодействие электронов с полем зазора, используются углы пролета q 1 /2, так как при этом величина М близка к 1, а М 2 mах на рис.2.1 обозначена область I значений q , обычно применяемых в приборах. Но параметр М не является единственным, по которому следует определять раб о чую область. Очень важна относительная величина первой гармоники конвекционного тока I 1max /I 0 . Надо стремиться получить это значение наибольшим для получения хорошего КПД прибора. Также важным фактором является КПД зазора, который пропорционален электронной проводимости с обратным знаком. Особенно это очевидно для схем автог е нераторов, в которых первый резонатор самовозбуждается. В дальнейшем, вероятно, более целесообразно использовать другие параметры, характеризующие электронный ток и его взаимодействие с СВЧ полем. Можно использовать коэффициент качества, включающий относительную величину минимальной скорости электр о нов. Рис.1. Зависимости электронного тока, коэффициента взаимодействия и электронной провидимости и КПД от угла пролета. Также, сгруппированный поток можно характеризовать распределением тока I и скоростей электронов v внутри потока рис.2.2. Эта методика будет учитывать не только степень группирования электронов, но и скоростное распределение электронов в потоке. Это обстоятельство очень важно, так как эффективность торможения электронов в выхо д ном зазоре лучше, если сначала идут медленные электроны, а затем быстрые. Такое ра с пределение позволяет равномерно затормозить электроны без выбрасывания части эле к тронов назад. Еще в сороковых годах в ряде работ отмечалось возможность повышения эле к тронного тока при наличии широкого входного зазора в сочетании с большой амплитудой напряжения на этом зазоре. Таким образом, кроме указанной области I на рис.2.1 возмо ж но использовать еще области II и III перспективные для создания приборов. До сих пор эти области для создания приборов не использовались и задача настоящей работы состоит в исследовании электронных процессов в этих областях и проектирование новых приб о ров на их основе. Увеличение I 1max /I 0 клистрона происходит при изменении формы кривой, по к о торой сообщается скоростная модуляция электронов. Если бы скорости изменялись не по синусоидальному закону, а линейно, то можно было бы собрать в одном сечении все эле к троны с периода и тогда КПД был бы близок к 100%. Однако получить пилообразное н а пряжение на зазоре резонатора нельзя. Можно приблизиться к этому закону, если одн о временно на электронный поток воздействовать напряжением первой и второй гармоник. На рис.2.3 приведена диаграмма напряжения на зазоре первых двух гармоник и их суммы. Из рисунка видно, что область фаз эффективного группирования для двухчастотной мод у ляции значительно больше, чем при одночастотной модуляции. Эта идея может быть ре а лизована различными сп о собами. Были созданы многорезонаторные клистроны, имеющие один или два резонатора, настроенных на вторую гармонику. Рис.2.3. К описанию электронного потока с помощью распределения тока и скоростей. Рис.2.3 Изменение скоростей электронов при взаимодействии с полями первой и второй гармоник и их суммы. - область фаз эффективного взаимодействия Можно создать такой резонатор, у которого имелись бы две собственные частоты, равные первой и второй гармонике электронного тока. Другой способ, исследуемый в данной работе пока не нашел практического пр и менение основан на том, что при переменном напряжении на входном зазоре, большем постоянного напряжения, тогда скоростная модуляция будет уже несинусоидальная и с о держит вторую гармонику. Появление второй гармоники можно объяснить исходя из закона сохранения эне р гии : eU = eU o + eU m Msin t, где Um - амплитуда переменного напряжения U0 - ускоряющее напряжение eU m M = eU o U m /U o M = eU o 2 , где - коэффициент скоростной модуляции. Из закона сохранения энергии : Таким образом, = o(1 + 2 v sin t) 1/2 Раскладывая выражение в скобках в ряд получим : (1 + 2 sin t1) 1/2 = 1 + sin t - 1/2 2 sin 2 t При U m <1.35 КПД практически не увеличивается, даже при больших . На рис.2.12 представлены кроме того результаты расчета взаим о действия этого же сгустка с полем зазора при =1.6 для различных n в к и нематическом прибл и жении (кривая 5). На рис.2.13 приведены зависимости n и е от построенные по да н ным рис.2.12. Кривые 1-4 имеют тот же смысл. На этом рисунке нанесена кривая, соответствующая часто используемой оценке n =1/М, где М- коэ ф фициент взаимодействия бессеточного зазора, которая расположена пр и мерно на 0.1ниже кривой 4 при изменениях от 1 до 2. На рис.2.13 воспр о изведены также взятые из книги Варнека и Генара кривая 5, выше которой появляются отраженные электроны и прямая 6, выше которой часть эле к тронов выбрасывается из зазора назад. Заштрихованная между этими л и ниями область колеблющихся электронов совершенно не совпадает с соо т ветствующей областью между кривыми 1 и 2. Это является следствием пр е небрежения пространственным зазором и распределением скоростей. Учет распределения скоростей в рамках кинематического рассмотрения приводит к смещению вниз области колеблющихся электронов (кривые 7,8). Таким образом, часто применяемая оценка n =1/М близка к значениям, соотве т ствующим еmax , однако физические причины, ограничивающие амплитуду напряжения на зазоре, другие. Это не первое появление колеблющихся или выбрасываемых назад электронов. Максимальная амплитуда устанавливае т ся в режиме выбрасывания электронов из зазора назад в результате бала н са энергии, отдаваемой быстрыми электронами и отбираемой электронами, получившими возвратное движение. С этой точки зрения о качестве групп и рования следует судить не по скорости самого медленного электрона, а по усредненному значению определенной части медленных электронов. Зав и симость е от можно считать пропорциональной М 3/2 , отклонение при этом не превышает 1%. Выше сказанное позволяет предложить новое выражение показателя качества, позволяющего оценивать качество группирования и эле к тронный КПД где vmin - усредненное значение скоростей некоторой части самых медле н ных эле к тронов.В качестве приближения можно считать vmin = n-1 /2 С помощью полученного коэффициента качества можно определять не только параметры выходного зазора, но и определять оптимальную а м плитуду на пре д последнем резонаторе . Рис.2.12. Зависимость электронного КПД е от амплитуды при различных углах пр о лета . Рис.2.13. Зависимость амплитуды и КПД е от угла пролета . 2.3. Приборы, использующие широкие зазоры рассч и танные ранее Как уже отмечалось на кафедре ЭП работы по созданию клистрона с широким зазором ведутся уже несколько лет. За это время было рассчитано три варианта ко н струкций. Они представлены на рис.2.14. 2.3.1. Однорезонаторный двухзазорный клистрон с 1 1.5 . Достоинством однорезонаторного прибора в его компактности, а следовательно меньшей стоимости. Недостатком является влияние нагрузки на работу генератора. Нагрузка является частью колебательного контура и вносит свою активную и реактивную составляющие. Реактивная составля ю щая влияет на частоту генерируемых колебаний. Активная составляющая влияет на амплитуду колебаний и при больших флюктуациях проводимости нагрузки может произойти даже срыв колебаний. Первым генератором был однорезонаторный двухзазорный клистрон на “ “- виде колебаний (см рис 14.а). Прибор расчитывался на первой зоне колебаний. Первый зазор был широким с 1 =1.5 . Мощность этого прибора Р=2-2.5 кВТ при напряжении U 0 =4 кВ. Электронный КПД е =56.3% при сл е дующих параметрах: d 1 =11.3 мм., 1 =1.75, 2 =-1.75, L 12 =17.5 мм., В=2В вр . 2.3.2. Однорезонаторный двухзазорный клистрон с 1 3 . Следующий прибор это однорезонаторный двухзазорный автогенер а тор, работающий на “0”- типе колебаний (рис.2.14.б). Отличительной ос о бенностью этого прибора является, то что входной зазор имеет ширину d 1 =18 мм., что соответствует углу пролета около 3 .. Поскольку при этом имеет место инверсия условий самовозбуждения т.е. они совпадают с усл о виями для " " - вида при <2 . Осуществление однорезонаторного генер а тора наиболее целесообразно в области III (см. рис.2.1), из-за того что е не сильно отрицательно или даже положительно. Это важный момент, так как при большом отрицательном КПД первого зазора не удается сделать бол ь шой суммарный КПД, из-за того, что е1 будет вычитаться из е2 . Поле в первом зазоре является неравноме р ным. а) Однорезонаторный клистрон с резонатором " " - вида с 1 3/2 . ооо б) Однорезонаторный клистрон с резонатором "0" - вида с 1 3 . в) Двухрезонаторный клистрон с 1 2 . Рис.2.14. Клистроны с широкими входными зазорами, разработанные ранее Мощность этого прибора Р=4 кВТ при напряжении U 0 =4 кВ. КПД прибора 52.4% при следующих параметрах d 1 =18 мм., 1 =2.5, 2 =1.5, L 12 =16.5 мм., В=2В бр . 2.3.3. Двухрезонаторный двухзазорный клистрон с 1 3 . Третий прибор является двухрезонаторным, но по прежнему с двумя пространствами взаимодействия (рис.2.14.в). Этот прибор отличается от предыдущих наличием глухой стенки между зазорами. Это приводит к тому, что первый зазор должен самовозбуждаться, т.е. работать в монотронном режиме. Вместе с тем наличие стенки позволяет практически исключить влияние нагрузки на генерацию колебаний. Как и в предыдущем случае поле в первом зазоре является неравномерным, что повышает эффективность раб о ты. Мощность этого прибора Р=20 кВТ при напряжении U 0 =8 кВ. Первый зазор имеет угол пролета 1 2.8 . Суммарный КПД двух зазоров е =57%, в выходном з а зоре КПД е2 =53%. Отметим , что все приборы рас c читаны для различных многолучевых электронно-оптических систем, используемых в различных многорезонато р ных клистронах. 2 .3. 4 . Рассмотрение некоторых вариантов клистронов с “ “ - резонатором. Схематическое изображение клистрона представлено на рис.3.16 Рассмотрим два лучших рассчитанных варианта. Первый вариант имеет параметры: d 1 =26.75 мм., d 2 =11 мм., d 3 =4 мм., 1 =1.7, 2 =-1.7, 3 =1.25, L 12 =26.75 мм., L 23 =15.25 мм., B 2 /U 0 =140, =-0.3253 . При этих параметрах получаем результаты представленные в таб.3.4 вариант 1. Ра с чет проводился по вычислительной модели T. Таблица 3.4. Результаты расчета клистрона с " "-резонатором № Модель I 1max /I 0 Z opt е12 е3 е 1 T 1.6566 58 0.03096 0.621 0.652 2 ST 1.5838 56 0.059 Рис.3.15. Иллюстрация к выбору угла между током и напряжением Рис.3.16. Схематическое изображение двухрезонаторного клистрона с резонатором " " - вида с 1 3/2 . Это лучший результат из всех вариантов для “ “- вида резонатора. Но при пересчете по более точной модели результат снизился. Для вычисл и тельной модели ST результат приведен в таб.3.4 вариант 2. Как видно р е зультаты существенно снизились, поэтому расчет с выходным зазором не проводился. Более тщательное исследование в окрестностях этого варианта по модели ST не проводился из-за больших затрат машинного времени на один вариант и низкого тока I 1max /I 0 . Второй вариант имеет параметры: d 1 =15.5 мм., d 2 =11.5 мм., d 3 =4 мм., 1 =1.5, 2 =-1.5, 3 =1.3, L 12 =27.5 мм., L 23 =15.25 мм., B 2 /U 0 =140, =-0.2861. При этих параметрах получаем резул ь таты представленные в таб.3.5 вариант 1. Расчет проводился по вычисл и тельной модели T. Для подтверждения корректности результатов оптимал ь ная точка была пересчитана по более точной модели ST (таб.3.5 вариант 2) Таблица 3.5. Результаты расчета клистрона с " "-резонатором № Модель I 1max /I 0 Z opt е12 е3 е 1 T 1.6307 60 0.027 0.6162 0.643 2 ST 1.6159 56 0.020 0.6314 0.651 Это является окончательным результатом. На рис.3.17 и 3.11. пре д ставлены ряд зависимостей для разных параметров клистрона вокруг опт и мальной точки. С учетом потерь в выходном резонаторе выходной КПД будет мен ь ше электронного КПД третьего зазора е3 .При КПД резонатора р= 0.95 (см. приложение) выхо д ной КПД будет равен 3 = е3 * р =0.6314*0.95=0.59983. Рис.3.167(а). Зависимость максимума тока от амплитуды на втором зазоре Рис.3.17.(б). Зависимости максимума тока I 1max /I 0 и КПД первого резонатора е12 от ра с стояния между зазорами L 12 Рис.3.17.(в). Зависимость выходного КПД е3 от амплитуды на выходном зазоре 3 34 2.4. Описание программы и выбор вычислительных параметров Расчет клистрона в данном дипломном проекте проводился по пр о грамме разработанной на кафедре ЭП. В ней используется модель потока из дефформированных элементов и конечно-разностная схема расчета всех электрических полей. В приближении аксиальной симметрии электрических и магнитных полей программа позволяет: - Моделировать реальное условие работы клистронов в динамическом р е жиме; - Исследовать движение электронов от катода до их оседания на колле к тор; - Рассчитывать внешние статические электрические поля и поле простра н ственного заряда в системе электродов произвольной формы; - Вычислять переменные электрические поля одно- и многозазорных рез о н а торов с произвольной формой поперечного сечения зазоров; - Моделировать процесс возбуждения резонаторов электронным потоком и скоростную модуляцию электронов полями этих резонаторов; - Исследовать работу клистрона в режиме заданных амплитуд и в самос о гласованном режиме; - Моделировать процессы в клистронах, имеющих резонаторы, настрое н ные на частоты, кратные входной частоте; - Анализировать динамические процессы в многоступенчатых коллекторах с рекуперацией остаточной энергии электронов. Уравнение движения контрольных электронов по продольной Z и р а диальной R координатам решаются методами Рунге-Кутта. Скорость азим у тального вращения v 0 рассчитывается с использованием теоремы Буша. П о ля высокочастотных зазоров определяются один раз в квазистатическом приближении при единичной разности потенциалов и при хранятся в о т дельных массивах. Эти поля используются при вычислении наведенных т о ков в резонаторе по теореме Шокли-Рамо. Напряженности высокочастотных полей при подстановке в уравнения движения умножаются на амплитудные и временные множители. Амплитуды и фазы напряжений в самосогласова н ном режиме рассчитываются через наведенные токи и параметры холодных резонаторов. Составляющие внешнего неоднородного магнитного поля определяются по экспериментальным данным. Подробно программа опис а на в [13,14]. Для того чтобы любой вычислительный эксперимент давал бы ко р ректные результаты необходимо подобрать вычислительные параметры, которые обеспечивали бы приемлемую точность вычислений. В данной пр о грамме есть несколько вычислительных параметров, которые влияют на точность выдаваемых результатов. Рассмотрим наиболее важные из них. 1. ЕТ - критерий установления значения скоростей электронов при расчете уравнения движения на каждом шаге интегрирования. Для опред е ления влияния критерия ЕТ на точность эксперимента было проведено несколько расчетов двухзазорного резонатора с неизменными параметрами для разных значений ЕТ. Влияние ЕТ оценивалось по стабильности значений I 1max /I 0 и е12 при изменении ЕТ от 0.001 до 0.00001. График зависимости представлен на рис.3.1. Как видно из графика влияние ЕТ на точность мало и уже при ЕТ=0.0005 практически полностью отсутствует. Поэтому точные расчеты можно проводить при ЕТ=0.0005, а грубые можно делать и при ЕТ=0.001. 2. ЕF - критерий установления значений потенциала в узлах разнос т ной сетки при расчете поля. Для определения влияния на точность этого п а раметра были проведены расчеты, аналогичные предыдущему пункту. Р е зультаты представлены на рис.3.2. Кривая тока становится пологой при ЕF=0.00005 и дальнейшее уменьшение ЕF не имеет смысла. Кривая КПД при ЕF=0.00005 тоже приемлемо пологая. 3. FPER - число рядов электронов на дискретном участке электронн о го потока длиной в период. Зависимость точности от FPER представлена на рис.3.3. Видно, что влияние FPER на точность достаточно большое и не ст а бильное. Для точных расчетов надо использовать FPER = 30 42. 4. FBUF - число начальных буферных периодов. Результат практич е ски не зависит от этого параметра (рис.3.4.). Поэтому можно брать параметр FBUF=2. 5. FHR - число разностных клеток по оси. Оказывает наиболее сил ь ное влияние на результат (рис.3.5.). Поэтому желательно брать большие значения. Но при больших значениях очень резко увеличивается время ра с чета. 6. FL - число слоев электронов в потоке в потоке. этот параметр не менялся и был равен FL=5. На основании изложенных соображений было сформировано несколько групп вычислительных параметров , именуемых в дальнейшем вычислительными моделями (см. таблицу 3.1). Самая грубая модель G и с пользовалась для прикидочных расчетов. С ее помощью искались наиболее перспективные области для дальнейших расчетов. С помощью модели Т и с следовались найденные области и искались экстремальные точки. Все эк с периментальные результаты приведенные в дипломе были получены с п о мощью модели Т, если не оговорено другое Для большой достоверности результатов точки с максимальными показателями пересчитывались по с а мой точной модели ST. Расчеты проводились на IBM совместимых машинах с процессорами 80386, 80486 и PENTIUM. Среднее время расчета одного варианта на маш и не с процессором 80486 составляет: по модели G - 4 мин. по модели Т - 10 мин. по модели ST - 35 мин. Таблица 3.1. Описание вычислительных моделей Модель ЕТ Критерий установления скоростей электронов EF критерий установления потенциала в узлах ра з ностной сетки FPER число рядов электронов на периоде FBUF число начал ь ных буферных электронов FHR число ра з ностныхклеток по ради у су G 0.0005 0.0001 18 2 19 T 0.0005 0.0001 24 2 28 ST 0.0001 0.00005 32 2 56 Рис.3.1. Зависимости е и I1max/I0 от вычислительного параметра ЕТ Рис.3.2. Зависимости е и I1max/I0 от вычислительного параметра ЕF Рис.3.3. Зависимости е и I1max/I0 от вычислительного параметра FPER Рис.3.4. Зависимости е и I1max/I0 от вычислительного параметра FHR Рис.3.5. Зависимости е и I1max/I0 от вычислительного параметра FBUF 58 3. ВЫВОДЫ Таким образом в предыдущих работах, проведенных на кафедре ЭП исследованы электронные процессы, происходящие при взаимодействии электронов с полями резонаторов при больших углах пролета, соотве т ствующих областям II и III на рис.2.1. При этом во второй области получены значения I 1max /I 0 =1.53, а в третьей области I 1max /I 0 =1.42 при равномерном поле и I 1max /I 0 =1.6 при неравномерном. Проведенные расчеты различных в а риантов клистронов, содержащих два высокочастотных зазора , показали ,что электронный КПД составляет от 52 до 57%. При этом общий КПД кл и стронов можно ожидать около 50%, т.е. примерно в 2 раза выше, чем у кл и стронов с двумя обычными зазорами. Достигнутая величина КПД уже нах о дится на уровне разрабатываемых многорезонаторных клистронов (45-50%) [1]. Вместе с тем желательно дальнейшее повышение общего КПД до уровня 60%. В связи с этим возникает задача рассчитать и спроектировать двухрезонаторный клистрон с тремя пространствами взаимодействия. Пе р вый резонатор двухзазорный "0" или " " типа с широкими зазорами. Он б у дет самовозбуждаться что обеспечит стабильность работы при изменении нагрузки. Для этого у него должен быть КПД не х у же 2-3 %. Выходной резонатор является простым однозазорным. В выходном резонаторе часть энергии будет расходоваться на потери в самом резонат о ре. При КПД резонатора около 95 % это будет снижать выходной КПД по сравн е нию с электронным еще на 3-4 %. Таким образом, с учетом потерь в выходном резонаторе и потерь на самовозбуждение во входном резонаторе, необходимо спроектировать кл и строн со следующими данными : КПД прибора 60-65 % электронный КПД выходного зазора 63 % КПД контура выходного резонатора 94-95% входного резонатора 2-3 % При этом общий электронный КПД преобразования мощности эле к тронного потока в СВЧ мощность ( в дальнейшем общий электронный КПД) должен быть е =65-66% 4. ДВУХРЕЗОНАТОРНЫЙ КЛИСТРОН С РЕЗОНАТОРОМ "0" ВИДА И С 1 3 5. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ В ШИРОКОМ ЗАЗОРЕ Электронные процессы в зазоре рассчитываются с помощью ЭВМ . Однако целесообразно эти расчеты сравнить с аналитическими формулами, что бы в дальнейшем: 1) Ввести поправки к указанным формулам для проведения предварительных оценочных расчетов 2) Анализируя проведенные расчеты глубже понять физические процессы Были исследованы электронные процессы во входном широком заз о ре протяженностью d 1 =6 18 мм при параметрах ЭОС: U0=8 кВ, Р =0.30 мкА/В 3/2 , 2а=3.5 мм., b=1.05 мм., b/a=0.6. Переменное напряжение на р е зонаторе изменялось в пределах 1 =1.1 2.4. Как известно при широких зазорах и больших амплитудах взаимоде й ствие поля с электронами имеет свои особенности. В частности электронная проводимость и коэффициент электронного взаимодействия обращаются в нуль при некоторых углах пролета. В [15] активная составляющая электронной проводимости описывается выражением: где Решение уравнения: Ge/Go=0 дает корни 1 =2 , 2 =2.86 Проведем расчет соответствия между шириной зазора и углом пр о лета для данной ЭОС: где d измеряется в метрах. Таким образом углу пролета равному =2 соответствует ширина зазора, равная 21.6 мм. Расчеты проведенные на ЭВМ дают значение, при котором электро н ные КПД и ток I 1max /I 0 обращается в ноль, равное примерно 19 мм рис.3.6. При этом видно, что ширина зазора d 1 при которой е = 0 при увеличении амплитуды 1 смещается вправо. Но амплитуда смещения небольшая и ра в на 0.4 мм. Это составляет 2.1% от ширины зазора при изменении амплитуды 1 от 0.5 до 2.4. Поэтому в первом приближении можно пренебречь этой з а висимостью и принять, что углу пролета равному 2 соответствует ширина зазора равная 19 мм. Также было замечено, что при увеличении диаметра канала точка н у левого КПД смещается влево. На рис.3.6 представлена одна кривая соотве т ствующая диаметру пролетного канала 2а=5.5 при 1 = 0.5 и прочих равных условиях. Это смещение можно объяснить, тем, что при более широком к а нале увеличивается провисание поля в канале и электроны взаимодействуют с полем на большем протяжении. На этом же рисунке представлены кривые КПД еще для двух знач е ний микропервианса Р =0.2 мкА/В 3/2 и Р =0.4 мкА/В 3/2 . Большему знач е нию первианса соответствует семейство смещенное влево. Это смещение можно объяснить, вероятно влиянием плотности тока и провисания напряжения в канал на эффективный угол пролета. При небольшом первеансе такое сокращение угла определяется тем, что действующая величина зазора больше расстояния между краями пролетных труб на два участка , соответствующих провисанию поля в каналы. При увеличении первеанса увеличивается провисание потенциала в зазоре вследствии увеличения пространственного заряда. Поэтому эффективный угол пролета увеличивается. Увеличение первеанса на 0.1мкА/В 3/2 вызывает смещение точки соответствующей Gе=0 при 2 на 0.8 мм. Повышение от 1.2 до 2 сдвигает указанную точку вправо примерно на 0.3 , т.е. влияет в меньшей степени. Второй раз электронный КПД обращается в ноль при d 1 =23 мм, что соответствует углу пролета =2.86 . Видно что как и в предыдущем случае величина d 1 при которой КПД=0 слабо зависит от 1 и этим в первом приближении можно пренебречь. Учитывая, что электронная проводимость однозначно связана с эле к тронным КПД формулой : то очевидно, что зависимости е( ) и Ge/Go( ) имеют одинаковую форму, но с учетом минуса перевернуты. Поэтому точки в которых Ge/Go=0, соотве т ствуют точкам в которых е =0. Кроме выше названных двух точек 1 =0 и 1 =2.86 на рис.2.1 видны еще две хара к терные точки. Это точки экстремумов электронной проводимости Ge/Go. Первая точка лежит в районе = , вторая в районе =2.5 . Для нахождения этих точек надо продифференцировать Ge/Go. Воспользуемся выражением, приведенным в [16]. отсюда: Для нахождения экстремума приравняем производную к нулю .Решением этого уравнения являются корни : =1.116 и =2.394 Теперь можно соотнести теоретически рассчитанные точки с результатами числе н ных расчетов на рис.3.7(а,б). Точке =1.116 соответствует зазор шириной d =10 мм, а точке =2.394 соответствует зазор с d =21.5 мм. Результаты сведены в таблице 3.2. В первом столбике Таблица 3.2. 5.1. Расчет клистрона с резонатором “ "-типа 5.1.1. Расчет входного резонатора Формулирование цели расчета Расчет клистрона в целом целесообразно разделить на два этапа: Расчет процессов связанных с входным резонатором Расчет прибора в целом Такой подход позволяет сократить время расчетов и лучше понять суть происходящих физ и ческих процессов. Функцией цели при расчете входного резонатора является максимум первой гармоники конвекционного тока I 1max /I 0 , при электронном КПД перв о го резонатора е12 не менее 2-3%. Из опыта известно , что для получения электронного КПД в выходном зазоре е3 около 60-65% необходимо иметь макс и мум тока I 1max /I 0 1.65. Это условие является необходимым , но недостаточным. При бол ь ших амплитудах, с которыми работает данный резонатор большую роль играет неоднородность электронного потока. В первой приближении эта н е однородность тем выше, чем выше переменные скорости электронов. П е ременные скорости электронов в первом приближении связаны с координ а той Z opt , где ток I 1max /I 0 становится максимальным. Чем больше Z opt , тем меньше переменные скорости электронов, а значит меньше неравноме р ность скоростей электронов. Как дальше будет видно приемлемые резул ь таты по е3 для резонатора " "-вида получаются при Z opt 56 мм. Кроме т о го при Z opt <54 мм расстояние между первым и вторым зазором становится малым и появляется взаимное проникновение полей между резонаторами. Особенно хорошие результаты получаются при Z opt 60 мм . При Z opt 54 даже при очень большом значении I 1max /I 0 большой выходной КПД получить не удается. Результаты подобных расчетов прив е дены в табл.3.3. Таблица 3.3. Зависимость КПД от Z opt . I 1max /I 0 Z opt е3 1.7108 54 0.601 1.6566 58 0.6209 1.6307 60 0.6314 Влияние различных факторов на группирование электронного пот о ка Для первоначального определения области оптимизации резонатора можно воспользоваться графиками на рис.3.7. Процесс выбора области о п тимизации является эмпирическим, но можно сформулировать несколько советов, которые могут помочь при выборе зазоров: Первый зазор должен иметь по возможности больший ток I 1max /I 0 при наименьшем отрицательном КПД. Максимум тока I 1max /I 0 должен пр и ходится на Z opt =56-60 мм. При этом надо учитывать, что расстояние L ( см.рис.3.7(б)) отличается от Z opt на расстояние на котором находится середина первого зазора. Надо также учитывать искажающее действие второго зазора на электронный поток, поэтому итоговое значение L может отличаться от рассчитанного по рисунку. Максимум тока от второго зазора должен совпадать в пространстве с максимумом от первого зазора. Расстояние от центра первого до це н тра второго зазора составляет для первой зоны колебаний " "-резонатора около (1.25 1.5)2 , что составляет L 12 =26 28 мм. С учетом этого сгусток от второго резонатора должен группироваться на 26 28 мм ближе. Амплитуда переменного напряжения 12 должна быть больше 1.5 , так как при меньших амплитудах исчезает фактор больших амплитуд и мод у ляция приближается к синусоидальной. Но при очень больший амплитудах возрастает разброс скоростей эле к тронов. Теперь рассмотрим подробнее влияние различных факторов на раб о ту резон а тора: Протяженность и амплитуда напряжения первого зазора. Графики на рис.3.7 иллюстрируют зависимости параметров характеризующих эле к тронный поток от первого зазора . Рабочей является область с d 1 =15 1 мм. Это определяется необходимостью иметь Z opt > 56 мм, что не достигается при d 1 < 14 мм. При больших значениях d 1 зазор не обеспечивает достато ч на большого тока I 1max /I 0 . Недостатком этой области является большая кр у тизна тока I 1max /I 0 и КПД по ширине зазора d 1 .Фактически ток зависит не от самой ширины зазора , а от угла пролета в зазоре. Поэтому при флюктуациях ускоряющего напряжения U 0 будет происходить изменение тока и КПД. П о этому необходимо делать жесткую схему стабилизации ускоряющего поте н циала. Расстояние между центрами зазоров. График отражающий влияние L 12 на ток I 1max /I 0 и КПД второго зазора представлен на рис.3.9. На этом рисунке представлена зависимость для резонатора “0” - типа. Но поскольку физич е ские принципы взаимодействия одинаковы для резонаторов “0” и “ “ - вида, то основные закономерности можно рассмотреть и поэтому графику. С ув е личением L 12 растет конвекционный ток I 1max /I 0 и уменьшается положител ь ное КПД второго зазора . Объяснить это явление можно , если обратиться к рис.3.10. На этом рисунке представлены два крайних случая. Рис.3.10(а). с о ответствует короткой пролетной трубе, т.е. малому L 12 . При этом электроны попадают в максимум тормозящего поля второго зазора. Они сильно торм о зятся, отдают много энергии и поэтому КПД второго зазора высок. Но при этом сгусток становится более рыхлым и разваливается. В результате ко н векционный ток на выходе из резонатора становится маленьким. Рис.3.10(б). соответствует длинной пролетной трубе. Сгусток попадает на прямолине й ный участок синусоиды. Это способствует дальнейшему группированию электронов и повышению конвекционного тока. При этом Рис.3.10.К объяснению влияния L12 на I1max/I0 и е12 электроны отдают только малую часть своей энергии полю резонатора и п о этому КПД второго зазора становится мален ь ким. Это два крайних случая. При расчетах они не встречаются, но с их помощью можно наглядно объяснить влияние L 12 на ток и КПД. Но надо о т метить, что подобный механизм не всегда оказывается справедливым, в частности, в дальнейшем будет исследована одна из точек, где ток I 1max /I 0 будет уменьшаться и при увеличении, и при уменьш е нии L 12 . 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 пр е пятствует то обстоятельство. что при изменении входного зазора во второй зазор поступает измененный электронный поток и поэтому взаимодействие с ним будет носить иные резул ь таты. Поэтому влияние ширины второго зазора на электронный поток , в ы ходящий из первого резонатора, будем рассматривать при неизменных п а раметрах первого зазора и расстояния между первым и вторым зазорами. Результаты исследований приведены на рис.3.11. При больших d 2 уменьш е ние ширины зазора приводит к увеличению электронного КПД е12 и макс и мума тока I 1max /I 0 , а также к уменьшению Z opt . Это можно объяснить лучшим взаимодействием электронного потока при уменьшении зазора .При бол ь ших d 2 электронный поток группируется далеко, что хорошо по причинам ,описанным выше. При дальнейшем уменьшении ширины зазора d 2 уменьшается снач а ла ток I 1max /I 0 , а затем и электронный КПД е12 . Уменьшение тока можно объяснить, тем что сгусток от второго зазора группируется ближе, чем сгу с ток от первого. Поэтому происходит размывание максимума тока и он сн и жае т ся. Снижение электронного КПД происходит при меньших значениях d 2 , чем снижение тока I 1max /I 0 . Это объясняется тем, что КПД зависит от того какую часть энергии отдадут электроны с зазор. Она тем больше, чем бол ь ше коэффициент взаимодействия, т.е. чем меньше зазор. Поэтому при уменьшении d 2 электронный КПД возрастает. Причиной его падения при дальнейшем уменьшении d 2 является появление колеблющихся электронов во втором зазоре , но это происходит при малых d 2 , которые не имеют пра к тического применения. Влияние амплитуды на втором зазоре 2 аналогично влиянию шир и ны зазора d 2 . В первом приближении увеличение амплитуды схоже по своему действию с уменьшением зазора. Влияние амплитуды 2 лучше ра с смотреть на примере резонатора “0” - типа, так как в резонаторе “ “ - типа изменять амплитуду только на втором зазоре невозможно. Зависимости п а раметров 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 око н чательной о п тимизации прибора. Суммируя вышесказанное о втором зазоре надо еще раз подчер к нуть, что его параметры надо выбирать не только из соображений высокого тока I 1max /I 0 и приемлемого КПД е12 =2 3%, но и подбирая Z opt > 56 мм. для клистрона с резонатором “ “ - т и па. Рис.3.11. Зависимость I 1max /I 0 и е12 от ширины второго зазора d 2 Рис.3.12. Зависимость I 1max /I 0 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 т о ка I 1max /I 0 . При этом достигается максимальный КПД. Типичное взаимное расположение тока и КПД в пространстве представлено на рис.13. Необх о димость ставить резонатор в месте где ток не достигает максимума, объя с няется 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 напряж е ние на нем не достигало минимума, а быстрые попадали в минимум напр я жения. Это позволяло равномерно затормозить все электроны. При перег о не и быстрые, и медленные электроны тормозятся одним напряжением. П о этому либо медленные выбросятся их зазора, либо быстрые затормозятся не достаточно эффективно. Выходной резонатор является обычным узким с углом пролета мен ь ше /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 макс и мальную 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. Рис.3.13. Взаимное расположение тока I 1max /I 0 и КПД выходного зазора е3 в пр о странстве. 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 фо р муле: где 3 - амплитуда напряжения третьего зазора I н3 = I н3 / 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 I н3 и cos стан о вится 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 I 1max /I 0 и расстояние на котором этот ток становится максимальным Z opt . На рис.3.19 представлены зависимости I 1max /I 0 и Z opt от магнитного поля B 2 /U 0 . Увеличение тока I 1max /I 0 и расстояния Z opt позволяет увеличить КПД прибора. Из вышесказанного понятно что для получения оптимальных параметров прибора магнитное поле должно быть минимальным, но обеспечивать приемлемое токопрохождение. Рис.3.19. Зависимость I 1max /I 0 и Z opt от магнитного поля B 2 /U 0 В процессе разработки прибора использовалось поле величиной B 2 /U 0 =70-180. Это достаточно сильное поле особенно при B 2 /U 0 >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: d 1 =15.5 мм, d 2 =10 мм, L 12 =27 мм, 1 =1.5, 2 =-1.5, на интервале 0-30 мм поле равно B 2 /U 0 =84, а дальше поле равно B 2 /U 0 =140. Полученные результаты приведены в табл.3.11. Для сравнения там же приведены результаты для такого же клистрона , но с равномерным магнитным полем. Полученный I 1max /I 0 является лучшим за весь период расчета. Видно, что с равномерным полем результат хуже как по току так и по расстоянию Z opt . Таблица 3.11. Сравнительные результаты при неравномерном и равномерном магнитном поле Маг.поле I 1max /I 0 Z opt 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 заз о ра, мм Теоретическая ширина зазора, мм Отклонение, % 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: определяется электронная проводимость, а по формуле: определяется электронный КПД зазора. На рис.3.7(б) пунктиром нанесена линия КПД, рассчитанная по такой методике для 1 =1. Погрешность соста в ляет 1-2%, что говорит о возможности применения данной методики для оценочных расчетов. Аналогично по формуле: можно оценить значение коэффициента взаимодействия. 76 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) 2. отчисления на социальные нужды (40.5% от суммы ЗП) 3. затраты на эксплуатацию ЭВМ в расчете 5000 рублей за 1 час машинного времени 4. накладные расходы, составляющие 100% от суммы заработной платы, социальных отчислений, затрат на эксплуатацию ЭВМ 5. прибыль составляет 20% от суммы предыдущих статей 6. 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 Анализ условий труда оператора вычислительной техники с оценкой тяжести и напряженности труда Согласно ГОСТ 12.0.002-74 опасным производственным фактором считается фактор, воздействие которого приводит к травме. Вредный производственный фактор - фактор, воздействие которого на работающего приводит к заболеванию. Операторы ЭВМ, операторы по подготовке данных, программисты и другие работники ВЦ (вычислительного центра) сталкиваются с воздействием таких опасных и вредных производственных факторов, как электрический ток, повышенный уровень шума, повышенная температура окружающей среды, отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность рабочей зоны, психофизические факторы (напряжение зрительных и слуховых анализаторов, умственное напряжение) и др. В ГОСТ 12.0.003-74 дается классификация опасных и вредных производственных факторов, которые по природе воздействия делятся на следующие: физические; химические; биологические; психофизиологические. К первым трем относится ряд опасных факторов. а) Высокое значение напряжения в электрической цепи. Эксплуатация оборудования машинного зала связана с применением переменного электрического тока напряжением 220В,частотой 50Гц. Ток именно такой частоты наиболее опасен для жизни человека. Электрический ток, проходя через организм, оказывает термическое, электролитическое и биологическое воздействие, вызывая местные и общие электротравмы. Местные травмы подразделяются на: электрические ожоги, электрические знаки, металлизацию кожи, механические повреждения, электро-офтальмию. Общие электротравмы или электрические удары по тяжести делятся на четыре степени: 1 степень - судорожное сокращение мышц без потери созна-ния; 2 степень - сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившемся дыханием и работой сердца; 3 степень - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (или того и другого сразу); 4 степень - клиническая смерть. б) Повышенный уровень статического электричества. Электризация - это комплекс физических и химических процессов, приводящих к разделению в пространстве зарядов противоположных знаков или к накоплению зарядов одного знака. Суть электризации заключается в том, что нейтральные тела, не проявляющие в нормальном состоянии электрических свойств, в условиях отрицательного контакта или взаимодействия становятся электрозаряженными. На рассматриваемом рабочем месте оператора ЭВМ электризация (повышенный уровень статического электричества) возникает на поверхности экранов видеомониторов при длительной их работе и на анодном электроде электронно-лучевых трубок этих устройств. Статическое напряжение на них может достигать 11 кВ. Статическое электричество оказывает вредное воздействие на организм человека, причем не только при непосредственном контакте с зарядом, но и за счет действия электрического поля, возникающего вокруг заряженных поверхностей. в) Повышенный уровень шума на рабочем месте. Шумом называется всякий неблагоприятно действующий на человека звук. Обычно шум является сочетанием звуков различной частоты и интенсивности. Требования к шуму определяются СНиП 11-12-77 и СН-512-78. В помещениях программистов и операторов видеотерминалов уровень звука не должен превышать 50дБа. Многочисленными исследованиями установлено, что шум является общебиологическим раздражителем и в определенных условиях может влиять на все органы и системы организма человека. Исследованиями последних лет установлено, что под влиянием шума наступают изменения в органах зрения человека(снижается устойчивость ясного видения и острота зрения, изменяется чувствительность к различным цветам и др.) и вестибулярном аппарате; нарушаются функции желудочно-кишечного тракта; повышается внутричерепное давление; происходят нарушения в обменных процессах организма и т.п. На рассматриваемом месте работы оператора ЭВМ на него действует непостоянный прерывистый шум, производимый следующими устройствами: кондиционеры воздуха, вентиляторы систем охлаждения аппаратуры, принтеры. Такой шум ухудшает точность выполнения рабочих операций, затрудняет прием и восприятие информации (слежение, сбор информации, мышление). г) Повышенная температура окружающей среды, влажность. Система кондиционирования, вентиляции и отопления должна соответствовать ГОСТ 12.1.005-88, СНиП 11-33-75 и СН-512-78.Система кондиционирования машинного зала ВЦ должна быть рассчитана на обеспечение в теплый период года температуры23-25 градуса, влажности 40-60 процентов и скорости движения воздуха 0,1-0,2 м/с. В холодный период года температура не должна быть меньше 22-24 градуса. Повышенная температура воздуха и влажность может привести к нагреву тела человека, как следствие этого возникает быстрая утомленность, головокружение. Источником повышенной температуры является разнообразная аппаратура. д) Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная освещенность рабочей зоны. Система освещения на ВЦ должна удовлетворять требованиям СНиП 11-4-79. Рекомендуется применять систему комбинированного искусственного освещения с использованием люминесцентных ламп типа ЛБ и светильников отраженного или рассеянного светораспределения (тип УСП-5.2х40, УСП-35-2х40, ЛВ003-2х40-002), расположенных в равномерном прямоугольном порядке. Аномальное освещение рабочего места может привести к снижению зрения, головной боли, преждевременному утомлению. Источником этого является неправильное расположение источников света. 8.1. Последствия психофизических перегрузок оператора Психофизиологические опасные и вредные производственные факторы по характеру их действия подразделяются на физические и нервно-психические перегрузки. На рабочем месте оператора ЭВМ действуют в основном только нервно-психические перегрузки. а) Умственные и эмоциональные перегрузки. Обусловлены спецификой труда оператора ЭВМ. При умственной работе, по сравнению с физической, потребление кислорода мозгом увеличивается в 15-20 раз. Если для умственной работы требуется значительное нервно-эмоциональное напряжение, то возможны изменения кровяного давления, пульса. Длительная работа такого характера может привести к заболеваниям, в частности сердечно-сосудистым и некоторым другим. б) Перенапряжение анализаторов. На рабочем месте оператора ЭВМ возможно перенапряжение органов зрения, вызываемое применением дисплеев с низким разрешением, не отрегулированных по яркости и контрастности, а также неправильной их установкой относительно окон и осветительных приборов. В связи с этим, немаловажное значение имеет задача планирования процесса труда, с целью не допустить перенапряжения органов чувств, которое может привести к стрессам. Таблица Матрица опасности для выявленных опасных и вредных производственных факторов представлена в таблице. источник опасности Повыш. Напряжение статич. Эл-во Шум умств. и эмоц-ные перегруз. Перенапр. органов чувств сеть электропитания # Принтеры # Кондиционеры # Вентиляторы # Видиомониторы # # Специфика труда # 8.2. Пожарная безопасность в вычислительных центрах Источником пожара в помещении, где находится ПЭВМ, может быть короткое замыкание, перегрузка соединительных проводов сети, возникновение больших переходных сопротивлений. При коротком замыкании и перегрузке температура перехода тока с одного провода на другой повышается и происходит воспламенение изоляции. Пределы огнестойкости строительных конструкций, эвакуационные пути, конструктивно-планировочные решения регламентированы в СН и П 2-01.02-85. Исключительно важное значение для предотвращения электротравматизма имеет правильная организация обслуживания действующих электроустановок, четкое и своевременное проведение ремонтных и профилактических работ. 8.3. Выбор системы кондиционирования и расчет числа кондиционеров Дипломный проект был написан в помещении 4 ПЭВМ. Около входной двери находится углекислый огнетушитель. Для отопления помещения в холодный период года предусмотрена водяная система отопления. Наряду с естественным освещением в темное время суток применяется люминесцентная система освещения. Для кондиционирования в помещении с ПЭВМ необходимы кондиционеры. Для кондиционирования используются бытовые кондиционеры БК. Их устанавливают в окнах и воздух подается непосредственно в помещение. Минимальное количество наружного воздуха, подаваемого в помещение, должно быть не менее необходимого по санитарным нормам подачи на 1 час, что составляет 30 кг/ч. В связи с этим минимальное необходимое количество наружного воздуха GHmin=30*n кг/ч, n-число рабочих (n=4). Ghmin = 30*4 = 120 кг / ч. В рассмотренной схеме организации воздухообмена весь воздух, проходящий через кондиционер, считается наружным. Наружный воздух с расчетной температурой tн=28.50С охлаждает кондиционером до tк, а затем нагревается до tвн - температуры помещения. При расчете числа кондиционеров следует решить систему уравнений: 3600*Qэвм=N*r*Gк*Cк*(tвн-tк) 3600*Qк=r*Gк*Cк*(tн-tк) где N-число кондиционеров, r-средний расчетный удельный вес воздуха, r=1.2 кг/м3 Gк - производительность кондиционера по воздуху, м3/ч Ск - средняя теплоемкость охлаждающегося воздуха, кДж/кг*0С Ск=1.005+1.8d где d=623*fк*рк/(В-fк*рк), рк - упругость насыщенного пара при температуре tк. Зависимость р от t приведена в таблице, где fк - относительная влажность в долях, В=993 Гпа - полное барометрическое давление, Сн выбирается аналогично Ск при рн и fн. Выбираем по таблице кондиционер БК-1500. Для него Gк=400 м/ч, Qк=1.74 кВт. QЭВМ - результирующее тепловыделение в машинном зале. Мощность средств вычислительной техники по технической документации составляет 7.5 кВт. Тепловыделение человека 75 Вт. Общее тепловыделение n*75=300 Вт. Тепловыделение от источников освещения составляет n*65 Вт, где n-количество источников освещения, n=16, общее тепловыделение 65*16=1040 Вт. Находим QЭВМ: QЭВМ=7.5+0.3+1.04=8.34 кВт. Параметры tвн, fвн определяются на основе ГОСТ 12.1.005-88. Примем tвн=240C, fвн=50%, tк задается с учетом того, что перепад температур ЭВМ не должен превышать 150С. Относительная влажность fк должна быть порядка 75-80% . Расчетная температура наружного воздуха для теплого периода года составляет tн=28.50С. Расчет числа кондиционеров выполняется для трех значений относительной влажности наружного воздуха fн-40, 60, 80%. По формулам (7.3) и (7.4) определяется Ск: Ск=1.005+1.8*(623*0.75*23.38/993-0.75*23.38)=21.16 кДж/кг*0C Аналогично определяется значение Сн. Для f=40% : Cн=1.005+1.8*(623*0.4*38.91/993-0.4*38.91)=18.86 кДж/кг*0C Для f=60% Cн=28.004 кДж/кг*0C. Для f=80% Cн=37.29 кДж/кг*0C. Требуемое число кондиционеров N=int 3600*Qэвм/1.2Gк*Cк(tвн-tк) +1 При tн=28.50C принимаем tк=200C, tвн=240C, fк=75%, fк=50% Cк=1.005+1.8(623*0.75*23.38/993-0.75*23.38)=21.16 кДж/кг*0C N=int 3600*Qэвм/1.2Gк*(tвн-tк) +1=1.73, следовательно, N=1. Число кондиционеров должно обеспечить необходимую производительность по холоду Qк Qк=r*Gк*Cн(tн-tк)/3600 Определяем Qк: fн=40% , Сн=18.86 Qк=12*400*18.861(28.5-20)/3600=21.375 кВт, fн=60% ,Cн=28.004 Qк=31.73 кВт f н=80% ,Cн=37.28 Qк=42.26 кВт Во всех трех случаях выполняется условие Qк>Qктабл Qктабл=1.74 кВт. Проверим соответствие количества наружного воздуха санитарным нормам. Производительность по воздуху Gн=N*Gк=1*400=400 м3/ч Условие Gн>Gн мин (Gн мин=240 кг/ч) выполняется, следовательно, число БК-1500 можно принять равным 1 Бытовой кондиционер БК-1500 используется для ПЭВМ и СМЭВМ. Устанавливается в окнах и подает обработанный наружный воздух непосредственно в зал. В процессе выполнения НИР необходимо, чтобы деятельность человека не сопровождалась вредным воздействием на среду обитания. Для этой цели необходимо избежать попадания во внешнюю среду отходов производства и вредных веществ. Для этого необходимо обеспечить герметичное хранение вредных веществ. Отходы производства собирать в специальные контейнеры и вывозить к месту переработки или уничтожения. При наличии большого количества вредных паров, образующихся при пайке, вентиляционные отверстия и шахты должны быть снабжены специальными фильтрами, задерживающими проникновение паров во внешнюю среду. В особых случаях следует применять химические нейтрализаторы. В заключении следует отметить, что данный дипломный проект является безопасным в экологическом плане и при соблюдении требуемых норм безопасности при работе с ПЭВМ и периферийными устройствами не представляет опасности для жизни оператора ЭВМ. Кроме того используемые при проектировании технические средства не приводят к загрязнению окружающей среды и обострению экологической обстановки. Важное значение для предупреждения потенциально опасных для жизни человека факторов заключается в правильной организации работы на ЭВМ, в своевременном обслуживании действующих электроустановок. 9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассчитан и спроектирован автогенераторный клистрон с электронным КПД в выходном зазоре равным е3 =0.62 и общим электронным КПД е =0.65. Для двухрезонаторного клистрона с тремя зазорами это является хорошим результатом. Это на 30-35% больше, чем у приборов выпускаемых промышленностью. Вместе с тем еще остаются возможности для последующего повышения КПД. Вероятнее всего они связаны с исследованиями широкого зазора с 1 3 с неравномерным электрическим полем. Результаты полученные при расчете электронного тока позволяют надеяться на повышение КПД Интересные перспективы открываются при использовании неоднородного магнитного поля. Уже рассчитан прибор с I 1max /I 0 =1.75 и общим КПД е =0.7. Но усложнение конструкции вызванное неоднородным магнитным полем вынудило пока не считать ее в качестве основного варианта . В дальнейшем упомянутые конструкции будут дорабатываться. 10. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Артюх И. Г. Мощные микроволновые электровакуумные приборы для систем связи и промышленного применения // Электронная промы ш ленность - 1991. - №6 - 57 c. 2. Gebauer R. Wiss. Voroff. d.Texhnixhen Hochxhule Darmstadt. - 1, 65 (1947); 1, 97, 1949 3. Клистроны. Перевод с английского - М: Советское радио. - 1952. - 129 c. 4. Solimar L. Extension on the one-dimension (klistron) Solution to finite gaps // J. Electron Contr. - 1961. - V11, №5. - p.361-383; 1962. - V12, №4. - p.313-314. 5. Хайков А. З. Клистронные усилители. - М.: Связь , 1974. - 392 с. 6. Федяев В. К. Расчет группирования электронов в клистронах с дли н ными зазорами // Известия ЛЭТИ - 1966 - Вып. 62. с.287-300 7. Канавец В. И., Лопухин В. П., Сандалов А. П. Нелинейные процессы в мощных тногорезонаторных клистронах и оптимизация их порпметров // Лекции по электронике СВЧ. Книга 7. Изд. Саратовского универс и тета, 1974. 8. Панов В. П., Сметанина Л. Ю., Юркин В. И. Расчет электронных пр о цессов в двухрезонаторном клистроне с широким входным зазором // Электроника. Рязань: РРТИ , 1978. с.3-6. 9. Костиенко А. И., Пирогов Ю. А. Взаимодействие электронного потока с полем СВЧ в широком плоском зазоре , возбужденном на высшем т и пе колебаний // Ради о техника и электроника. 1962 - Вып. 2 - с. 332-338 10. Исследование процессов , связанных с взаимодействием электронов с СВЧ полем широкого входного зазора при больших амплитудах. Н а учн.рук. Панов В.П. Отчет / РГРТА. - Рязань. - 1994. - 36 с. 11. Исследование процессов взаимодействия электронов с полем резон а тора при временах пролета, превышающих период колебаний и во з можности создания новых генераторов СВЧ. Науч. рук. Панов В. П. О т чет / РГРТА. - Рязань. - 1994. - 22 с. 12. Взаимодействие сгруппированного электронного потока с полем в ы сокочастотного зазора // Панов В.П., Буланкин В.А., Кутузова И.В., Ю р кин В.И. 13. Федяев В. К. Двухмерная модель электронного потока из деформ и руемых элементов // Вакуумная и плазменная электроника: Межвуз. сб. / Рязань: РРТИ - 1986 - с. 96-100 14. Федяев В. К., Юркин В. И. Программа анализа двухмерных динамич е ских процессов в клистронах // Вакуумная и плазменная электроника: Ме ж вуз. сб. / Рязань: РРТИ - 1986 - с. 101-105 15. Кацман Ю. А. Приборы СВЧ. - М.: Высш. шк., 1983. - 368 c. 16. Панов В. П. Направления развития и особенности клистронов // М е тодич е ские указания. Рязань: РРТИ - 1991. - 36 с. 17. Лебедев Н. В. Техника и приборы СВЧ, т. 2. - М.: Энергия , 1964. - 375 с. 18. Панов В. П. Пространственный заряд в клистронах // Методические ук а зания. Рязань: РРТИ - 1990. - 24 с. 19. Панов В. П., Кутузова И. В. Взаимодействие несгруппированного эле к тронного потока с ВЧ полем зазора // Электронные приборы : Межвуз. сб. / Рязань: РРТИ - 1992 с. 93-96 20. Панов В. П., Кутузова И. В., Юркин В. И. Коэффициент электронного взаимодействия выходного зазора клистрона // Электронные приборы : Межвуз. сб. / Р я зань: РРТИ - 1992 - с. 91-93 21. Панов В. П., Соломенников Г. В., Погорельский М. М. Дипломное пр о ектиров а ние // Методические указания. Рязань: РРТИ - 1989. - 28 с. 22. Панов В. П., Федяев В. К., Шишков А. А. Разработка новых констру к ций , методов и программ расчета клистронов // Электросвязь 1992- № 4 - с. 39-40 23. Расчет и исследованиелектронных процессов в динамическом режиме работы приборов: Отчет о НИР / РРТИ ; Руководитель В. П. Панов. - № 423834. УДК 621.385.624. - Рязань, 1975. - 87 c.

Приложенные файлы


Добавить комментарий