Автоматизированное проектирование многорезонаторного клистрона.

В проектировании многорезонаторного клистрона (МРК) используется процесс восходящего проектирования (рисунок 1), основанный на разбиении сложного объекта на блочно-иерархические уровни и на последовательном переходе с проектирования блоков к проектированию системы из этих блоков. В режиме диалога с учетом технических требований к выходным параметрам и ограничений на управляемые параметры проводится синтез внутренних параметров МРК. Перед тем, как приступить к проектированию блоков МРК необходимо, используя данные из технического задания, произвести предварительный расчет, результаты которого применяются при разработке блоков многорезонаторного клистрона.

Рисунок 1 – Состав ППП «САПР.ЭП»

1. Предварительный расчет параметров клистрона

Исходные данные:

1. Определить значение средней частоты

2. Задать максимальный КПД

При λ от 5 до 15 см

3. Определить рабочий КПД, который зависит от рабочей длины волны и полосы пропускания

4. Определить мощность источника питания

5. Определить значение микропервианса, обеспечивающего требуемую полосу пропускания

6. Рассчитать ускоряющее напряжение

7. Рассчитать ток пучка

8. По заданному значению γ а определить радиус пролётной трубы а. Для этого рассчитать величину γ по формуле

9. Определить радиус пучка

10. Рассчитать плотность тока луча

11. Для пушки со сходящимся потоком предварительное значение коэффициента сходимости, который является тангеносм угла наклона огибающей потока на катоде равен:

12. Выбрать для области пролётного канала значение коэффициента превышения магнитного поля над бриллюэновским Nбр в интервале 1.2...1.7

2. Компьютерный расчёт основных элементов.

2.1. Проектирование электронной пушки.

Проектирование электронных пушек базируется на последовательном использовании процедур синтеза и анализа.

Программа SINTEZ реализует процедуру канонического синтеза, в которой по известным векторам выходных -Y и внешних -Q параметров электронного потока сразу получается описание структуры пушки вектором внутренних параметров X:

X=F (Y, Q).

Вектор выходных параметров Y=(P_μ, b, K₃, A_k, j_к) описывает известные значения геометрических и электрических параметров потока: микропервеанс P_μ, радиус пучка b, коэффициент заполнения в канале K₃ и угол наклона у катода A_k, плотность тока катода j_к .

В вектор внешних параметров Q(U₀, N_бp) входит ускоряющее напряжение U₀ и коэффициент превышения магнитного поля над бриллюэновским N_бp. Перечисленные параметры задаются в исходных данных к программе SINTEZ.

Вектор внутренних параметров Х содержит параметры R_н и R_кр - размеры катода, потенциал электродов, В(z) – осевое распределение магнитного поля, значение магнитного поля на катоде В_к и компрессию пучка К_s. Блок-схема программы синтеза изображена на рис. 2.

Так как синтезная форма электродов является нетехнологичной, то после расчета электронной пушки по программе синтеза необходимо провести коррекцию размеров по программе анализа ANALIZ. Метод анализа состоит в последовательном изменении геометрии электродов пушки и формы магнитного поля до тех пор, пока параметры формируемого пушкой пучка не будут близки к заданным. Этот процесс включает в себя следующие основные этапы: выбор исходного варианта геометрии пушки и конфигурации магнитного поля, траекторный анализ, по результатам которого определяются параметры формируемого пушкой пучка, внесение изменений в исходную геометрию и последующий траекторный анализ нового варианта. Блок схема программы анализа изображена на рис. 3.

Геометрия пушки описывается линиями второго и первого поряд­ка. Для этого сложная синтезная форма электродов пушки изменяется с помощью отрезков окружностей и прямых линий на более простую и технологичную в изготовлении. Линии второго порядка описываются восемью числами Z_н, r_н, Z_к, R_к, U, Z₀, r₀, R₀.

Здесь Z_н, r_н и Z_к, R_к - координаты начала и конца дуги окружности, Z₀, r₀ и R₀ - координаты центра и радиус ду­ги окружности. После линий второго порядка пятью числами описываются линии первого порядка Z_н, r_н, Z_к, R_к, U. Здесь Z_н, r_н, Z_к, R_к - координаты начала и конца отрезка. Количество линий второго и первого порядка задается в исходных данных параметрами N₂ и N_1.(В нашем случае N₂=1, N₁=7).

Рис. 2. Блок-схема программы синтеза электронной пушки

Рис. 3. Блок-схема программы анализа электронной пушки.

Так как подробное проектирование и расчет электронной пушки были ранее выполнены в курсовой работе “Компьютерное проектирование электронной пушки ” [4], то ниже будут приведены полученные данные (по результатам расчета программ Sintez и Analiz).

Расчет электронной пушки методом синтеза проводится в программе «Sintez. В качестве исходных данных используем следующие параметры:

Синетезная форма электродов и распределения магнитного поля изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Форма электродов полученная методом синтеза.

Анализ электронной пушки проводился программой «Analiz. Исходными данными для анализа пушки являются размер расчетной области Z_и, ускоряющее напряжение U_o, геометрия и потенциалы электродов, данные о распределении магнитного поля. Необходимая для подготовки исходных данных информация берется ив результатов син­теза пушки.

Рисунок 3 – Выбор исходной геометрии пушки

—— - синтезная форма электродов

- - - - - технологичная форма электродов

─·─· - распределение магнитного поля

Продольный размер расчетной области можно ограничить плоскос­тью кроссовера пучка Z_и=z_кр Поперечный размер области задается в программе автоматически равным Z_и /2.

Геометрия пушки описывается линиями второго и первого поряд­ка. Для этого сложная синтезная форма электродов пушки изменяется с помощью отрезков окружностей и прямых линий на более простую и технологичную в изготовлении (рисунок 3, рисунок 4). Линии второго порядка описываются восемью числами Z_н, r_н, Z_к, R_к, U, Z₀, r₀, R₀.

Здесь Z_н, r_н и Z_к, R_к - координаты начала и конца дуги окружности, Z₀, r₀ и R₀ - координаты центра и радиус ду­ги окружности. После линий второго порядка пятью числами описываются линии первого порядка Z_н, r_н, Z_к, R_к, U. Здесь Z_н, r_н, Z_к, R_к - координаты начала и конца отрезка. Для каждой линии указывается нормированное значение потенциала U того электрода, к которому относится линия (на катоде U=0, на управляющем электроде и аноде U=1). Потенциал нормируется относительно U₀. Количество линий второго и первого порядка задается в исходных данных параметрами N₂ и N_1.(В нашем случае N₂=1, N₁=7).

Таким образам, катод пушки может быть описан дугой ок­ружности 1 с радиусом R₀=R_кр и прямой линией 2, у которой r_н = r_к=R_н. Значения R_кр и R_н известны из синтеза пушки. Остальные координаты выбираются из чертежа пушки. Потенциал катода U_к = 0.

Эквипотенциальная поверхность фокусирующего электрода аппроксимируется линиями 3 и 4. Потенциал фокусирующего электрода U_ф = 0. Между катодом и фокусирующим электродом из технологических сообра­жений предусматривают небольшой тепловой зазор Δr=R_н/10.

Анод пушки аппроксимируется линиями 5, 6 и 7. Линия 7 является стенкой пролетной трубы, поэтому для нее r_н = r_к=а . В продольном направлении линию 7 следует продолжить за пределы расчетной области и обязательно замкнуть на ось Z линией 8. Потенциал анода U_a= 1.

Вертикальные линии 4 и 5 проводятся так, чтобы выполнялось условие r_к ≥Z_н/2. Линии 2 и 3 по оси Z необходимо начинать из области отрицательных значений, т.е. Z_н=-0,1.

Размеры электродов пушки указываются в сантиметрах. Распределение магнитного поля задается массивом значений с постоянным шагом H_м=Z_н/(N_m-1), где N_m - число точек магнитного поля, для области пушки N_m= 17. Значение B₁ должно соответствовать величине магнитного поля на катоде B_к=8,6 Гс. Магнитное поле указывается в гауссах. Данные о магнитном поле представле­ны в виде таблицы 2.

Исходные данные для расчета методом анализа

Рисунок 4 – Конфигурация электронной пушки полученная аппроксимацией синтезной формы электродов.

Рисунок 5. Геометрия электродов с потоком электронов после проведения анализа