Главная >> Применение >> Типовые примеры >>

Электронная пушка

мультифизический анализ электронной пушки, магнетронно-инжекторный ускоритель гиротрон, магнит, ускоритель

Пример предоставлен к.ф-м.н М.Ю. Глявиным и М.В. Морозкиным (ИПФ РАН). Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ в рамках проекта 04-02-17114.

Гиротроны являются мощными источниками высокочастотного электромагнитного излучения. Гиротроны используются в установках управляемого термоядерного синтеза для электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы. Гиротроны с выходной мощностью до нескольких десятков киловатт на частотах 24-30 ГГц все шире используются в различных технологических приложениях.
Пучок электронов в гиротронах формируется, как правило, магнетронно-инжекторными пушками. В приведенном примере анализируется магнетронно-инжекторная пушка технологического непрерывного гиротрона.

Тип задачи
Осесимметричная мультифизичная задача теплопередачи, механики и электростатики.

Геометрия

красное - токовод накала подогревателя;
синее - трубка поддержки и второй токовод, обеспечивающий и накал подогревателя, и подачу отрицательного потенциала от высоковольтного источника;
желтое - нагреватель;
голубое - катод (область эмиттера расположена примерно напротив левого конца нагревателя и имеет протяженность примерно 1/6 от полной длины конической образующей);
коричневое - анод (в диодном режиме работы имеет потенциал корпуса лампы, т.е. заземлен);
серое - керамика изоляторов.

Дано
Мощность излучаемого поля 3-10 кВт;
Частота излучаемого поля f = 24 ГГц;

Напряжение катода U = 15-25 кВ;
Ток электронного пучка I = 0-2 A;
Рабочая температура катода T = 1500 °С.

Задание

1. Катод пушки работает в режиме температурного ограничения эмиссионного тока. Рассчитать мощность подогревателя (накала) для вывода катода в номинальный тепловой режим (1500 С). Определить распределение температур в элементах конструкции. Рассчитать систему охлаждения.
2. Вследствие нагрева происходит тепловое смещение позиции катода, что приводит к изменению магнитного поля на катоде и, как следствие, изменяет параметры электронного пучка. Определить тепловой уход катода от расчетного положения.
3. Определить напряженность электрического поля в зазоре катод-анод с целью предотвращения электрического пробоя при подаче высокого напряжения.

Решение

1. По результатам решения серии задач была определена требуемая мощность подогревателя чуть ниже 90 Вт, что удовлетворяет ограничениям, накладываемым источником питания накала.
   Введение водяного охлаждения анода позволяет избежать нагрева внешних элементов лампы.
   

2. Удлинение катода вследствие нагрева составляет 2 мм. Перемещение катода относительно анода составляет 0.2 мм.
   

3. Максимальная напряженность поля составляет 8 кВ/мм при напряжении 30 кВ, что обеспечивает достаточную электрическую прочность в рабочих режимах.
   

Результаты расчетов по программе ELCUT соответствуют экспериментальным данным о температуре, полученным методом оптического пирометрирования, и оценкам теплового смещения катода, сделанным экспериментально. Однако, поскольку не все типы катодов можно подвергать нагреву до рабочих температур до установки в прибор (в силу снижения эмиссионных свойств при переносе активированного катода через атмосферу) и невозможности прямого пирометрирования в готовом приборе, описанная процедура расчетов представляется более целесообразной, чем другие методы при разработке магнетронно-инжекторных пушек гироприборов.

• Скачать файлы задачи