Исследование влияния несоосности регулярной части магнитной периодической фокусирующей системы и пролетного канала лампы бегущей волны на траекторию электронного потока

В настоящей работе представлены результаты трехмерного моделирования в программе CST Particle Studio траекторий электронного потока в лампе бегущей волны Ka-диапазона частот. Показано влияние на уровень токопрохождения угловой, радиальной и комбинированной (угловой и радиальной) несоосностей элементов регулярной части магнитной периодической фокусирующей системы и пролетного канала. Установлено, что наибольшее влияние на траекторию электронного потока оказывает угловая несоосность элементов регулярной части магнитной периодической фокусирующей системы и пролетного канала замедляющей системы. Однако данное влияние значительно ниже, чем влияние несоосностей в области влета в пространство взаимодействия (первые 5–6 магнитов магнитной периодической фокусирующей системы).

Ключевые слова: лампа бегущей волны, электронный поток, токопрохождение, магнитная периодическая фокусирующая система, поперечная составляющая магнитной индукции.

Введение

В настоящее время лампы бегущей волны (ЛБВ) находят широкое применение в различных областях науки и техники. [1] Их развитие сопровождается переходом в более коротковолновый диапазон длин волн, и, как следствие, уменьшением геометрических размеров пространства взаимодействия. Уменьшается радиус пролетного канала и поперечное сечение проводника, из которой изготовлена спираль замедляющей системы (ЗС). Это приводит к усложнению процесса юстировки магнитной периодической фокусирующей системы.

Во время сборки ЛБВ с МПФС зачастую наблюдаются случаи нарушения расстояния между полюсными наконечниками. В случае, если расстояние между наконечниками меньше положенного, приходится прибегать к дополнительной шлифовке магнита с целью уменьшения его высоты. При этом возможно появление магнитной крошки между наконечниками и неравномерной высоты магнита, в результате чего может появиться несоосность элементов магнитной системы и пролетного канала ЛБВ. Наличие радиальной и/или угловой несоосностей оси магнита относительно оси пролетного канала приводит к значительному увеличению поперечной составляющей магнитной индукции. Это связано с тем, что часть продольной составляющей магнитной индукции становится поперечной относительно оси пролетного канала. [2] Также к несоосности могут приводить «усадочные напряжения» [3] возникающие в процессе перехода компаунда, фиксирующего положение магнитов и настроечных элементов МПФС, в твердое состояние.

В работах [4–5] представлены результаты качественной оценки влияния на уровень токопрохождения угловой, радиальной и комбинированной (угловой и радиальной) несоосностей магнитов магнитной периодической фокусирующей системы и пролетного канала в области влета в пространство взаимодействия (первые шесть магнитов МПФС) ЛБВ Ka-диапазона частот. Большой интерес представляет исследование влияния несоосности элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЗС на траекторию электронного потока.

Целью настоящей работы является качественная оценка влияния на уровень токопрохождения угловой, радиальной и комбинированной (угловой и радиальной) несоосностей магнитов магнитной периодической фокусирующей системы и пролетного канала в регулярной части МПФС ЛБВ Ka-диапазона частот.

Методика исследования

В программе CST Particle Studio [6] было проведено моделирование траектории заряженных частиц в электро- и магнитостатических полях. Спиральная замедляющая система ЛБВ представлена в виде трубки, что позволяет значительно упростить построение сетки, уменьшить время расчета и не оказывает влияния на конечный результат. Экспорт данных о заряженных частицах был осуществлен с помощью Particle Interface из модели области влета в пространство взаимодействия представленного в работах [4–5].

На рисунке 1 представлена 3D-модель сегмента регулярной части МПФС (общий вид модели– 1a; модель в сечении — 1b), построенная в программе CST Particle Studio. На рисунке 1 приняты следующие обозначения: 1 — полюсный наконечник (8 штук); 2 — кольцевой магнит (7 штук); 3 — модель замедляющей системы; 4 — Particle Interface. Для удобства магниты исследуемого сегмента регулярной части МПФС пронумерованы от 1 до 7.

Рис. 1. Исследуемая модель сегмента регулярной части МПФС, построенная в программе CST Particle Studio

Для исследования влияния угловой несоосности на траекторию электронного потока выбрано максимально возможное значение отклонения магнита 0,44° между полюсными наконечниками. Для исследования влияния радиальной несоосности на траекторию электронного потока значение смещения магнитов составляет 0,02 мм.

Результаты исследования и обсуждение

На рисунке 2 представлены результаты расчета траекторий электронного потока без учета поперечной составляющей магнитной индукции (2a) и с учетом поперечной составляющей магнитной индукции, которая имеет величину 1 % от продольной составляющей (2b). Направления поперечных составляющих выбрано таким образом, чтобы компенсировать друг друга для обеспечения хорошего уровня токопрохождения.

Рис. 2. Результаты расчета траекторий электронного потока в пролётном канале замедляющей системы без учета поперечной составляющей магнитной индукции (a) и с учетом поперечной составляющей магнитной индукции (b)

Для оценки влияния угловой несоосности элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЛБВ на уровень токопрохождения был проведен ряд расчетов:

1. 2 магнит наклонен на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ;
2. 2 и 3 магниты наклонены в одну сторону на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ;
3. 2 и 3 магниты наклонены в разные стороны на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ;
4. 2 и 4 магниты наклонены в одну сторону на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ;
5. 2 и 4 магниты наклонены в разные стороны на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что угловая несоосность элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЛБВ не вносит значительного влияния на уровень токопрохождения. Наиболее сильное отклонение электронного потока наблюдается при одновременном отклонении 2 и 3 магнитов в разные стороны (рисунок 3). При этом незначительное оседание электронного потока на ЗС наблюдается в области 7 магнита.

Рис. 3. Результаты расчета траекторий электронного потока при одновременном отклонении 2 и 3 магнитов в разные стороны на 0,44° относительно пролетного канала

Для оценки влияния радиальной несоосности элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЛБВ на уровень токопрохождения был проведен ряд расчетов:

1. Ось 2 магнита смещена на 0,02 мм относительно оси пролетного канала ЛБВ;
2. Оси 2 и 3 магнитов смещены в одну сторону на 0,02 мм относительно оси пролетного канала ЛБВ;
3. Оси 2, 3 и 4 магнитов смещены в одну сторону на 0,02 мм относительно оси пролетного канала ЛБВ.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что радиальная несоосность элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЛБВ не вносит значительного влияния на уровень токопрохождения. Видимого отклонения электронного потока не наблюдается. На рисунке 4 представлены результаты расчета траекторий электронного потока при смещении осей 2, 3 и 4 магнитов на 0,02 мм относительно оси пролетного канала ЛБВ.

Рис. 4. Результаты расчета траекторий электронного потока при одновременном смещении в одну сторону осей 2, 3 и 4 магнитов на 0,02 мм относительно оси пролетного канала

Для оценки влияния комбинированной (угловой и радиальной) несоосностей магнитов магнитной периодической фокусирующей системы и пролетного канала в регулярной части МПФС ЛБВ на уровень токопрохождения был проведен ряд расчетов:

1. 2 и 3 магниты наклонены в одну сторону на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ и их оси смещены на 0,02 мм в положительном направлении оси перпендикулярной оси прибора;
2. 2 и 3 магниты наклонены в одну сторону на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ и их оси смещены на 0,02 мм в отрицательном направлении оси перпендикулярной оси прибора;
3. 2 и 3 магниты наклонены в разные стороны на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ и их оси смещены на 0,02 мм в положительном направлении оси перпендикулярной оси прибора;
4. 2 и 3 магниты наклонены в разные стороны на 0,44° относительно пролетного канала ЛБВ и их оси смещены на 0,02 мм в отрицательном направлении оси перпендикулярной оси прибора.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что комбинированная (угловой и радиальной) несоосность элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЛБВ не вносит значительного влияния на уровень токопрохождения. Наиболее сильное отклонение электронного потока наблюдается при одновременном отклонении 2 и 3 магнитов в разные стороны на 0,44°. При этом направление радиального отклонения не вносит видимых изменений в траекторию электронного потока. Незначительное оседание электронного потока на ЗС наблюдается в области 7 магнита. Результаты расчета траекторий электронного потока при комбинированной несоосности элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЛБВ представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Результаты расчета траекторий электронного потока при комбинированной несоосности (одновременное отклонение 2 и 3 магнитов в разные стороны на 0,44°и смещение их оси на 0,02 мм)

Заключение

Результаты расчета траекторий движения заряженных частиц в электро- и магнитостатических полях при угловой, радиальной и комбинированной несооосностях элементов регулярной части МПФС и пролетного канала ЗС показали, что наибольшее влияние на траекторию электронного потока имеет угловая несоосность. Однако влияние несоосностей в регулярной части МПФС на траекторию электронного потока значительно ниже, чем влияние несоосностей в области влета в пространство взаимодействия (первые 5–6 магнитов МПФС). Это связано с тем, что последующие магниты МПФС компенсируют отклонение электронного потока.

Литература:

1. Гилмор А. С. Лампы с бегущей волной //М.: Техносфера. — 2013.

2. Афонин И. Н., Кивокурцев А. Ю. Проблематика контроля поперечных составляющих магнитной индукции кольцевых магнитов малых размеров // 65 лет деятельности на рынке СВЧ-электроники: итоги и современные тенденции. Материалы юбилейной науч.-техн. Конф. АО «НПП «Алмаз». Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2022. С. 3–7.

3. Галушко А. И. Внутренние напряжения в герметизирующих компаундах радиоэлектронной аппаратуры. — Советское радио, 1974.

4. Чигуров, И. О. Оценка влияния несоосности элементов магнитных периодических фокусирующих систем и пролетного канала лампы бегущей волны на уровень токопрохождения / И. О. Чигуров, М. В. Рахматулин, П. Д. Шалаев, Д. Л. Шалашова // Электроника и микроэлектроника СВЧ. — 2024. — Т. 1. — С. 166–170.

5. Рахматулин, М. В. Исследование влияния смещения магнитов МПФС и несоосности электронной пушки на токопрохождение ЛБВ / М. В. Рахматулин, Д. Л. Шалашова // Гагаринские чтения — 2024: Сборник тезисов докладов L Международной молодежной научной конференции, Москва, 9–12 апреля 2024 года. — Москва: Издательство «Перо», 2024. — С. 375–376.

6. Studio C. S. T. M. CST Studio Suite //Computer Simulation. — 2010.