Методика компьютерного моделирования трехмерных возмущений геометрии и распределения плотности объемного заряда в неадиабатических магнетронно-инжекторных пушках гиротронов

Method of computer simulation of three-dimensional perturbations of geometry and distribution of bulk charge density in nonadiabatic magnetron-injector guns of gyrotrons

Irina Utkina

PhD student, National Research University Higher School of Economics, Russia, Nizhny Novgorod.

Kseniia Leshcheva

PhD student, N. I. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Russia, Nizhny Novgorod

Vladimir Manuilov

Professor, N. I. Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Russia, Nizhny Novgorod.

Аннотация. Разработана методика компьютерного моделирования параметров винтовых электронных пучков при трехмерных возмущениях геометрии и распределения плотности тока эмиссии в неадиабатических электронных пушках гиротронов. Эффективность методики проиллюстрирована на примере расчета электронной пушки гиротрона с рабочим магнитным полем 0,65 Тл, ускоряющим напряжением 15 кВ и током пучка 3А.

Abstract. The technique of computer modeling of parameters of helical electron beams at three-dimensional perturbations of geometry and distribution of current density of emission in nonadiabatic electron guns of gyrotrons is developed. The efficiency of the technique is illustrated by the example of calculating an electron gun of a gyrotron with a working magnetic field of 0.65 T, an accelerating voltage of 15 kV and a beam current of 3A.

Ключевые слова: гиротрон; винтовой электронный пучок; неадиабатическая электронная пушка.

Keywords: gyrotron; helical electron beam; gyrotron electron gun.

Традиционно в качестве электронно-оптических систем гиротронов используются адиабатические магнетронно-инжекторные пушки (МИП) [1]. Наряду с несомненными достоинствами (надежность, простота, малая критичность) МИП обладают и рядом принципиальных недостатков, среди которых, вследствие специфики формирования винтового электронного пучка (ВЭП) в адиабатических полях, наиболее серьезным и принципиально не устранимым является влияние шероховатостей эмиттера и тепловых начальных скоростей электронов. Указанные факторы приводят к существенному увеличению разброса вращательных скоростей электронов, что приводит к необходимости снижения питч-фактора (отношения вращательной и продольной скоростей электрона в рабочем пространстве) для сохранения устойчивости ВЭП. Резко снизить влияние шероховатостей и тепловых скоростей можно при неадиабатической схеме формирования ВЭП, поскольку в данном случае вначале формируется прямолинейный пучок, и лишь затем осуществляется его первоначальная закрутка в неадиабатическом электрическом или магнитном поле. Дальнейшее увеличения осцилляторной скорости частиц до требуемой величины производится за счет адиабатического сжатия пучка в плавно нарастающем магнитном поле. Существует несколько схем неадиабатических ЭОС [2]. Одной из новых и недавно предложенных является аксиально-симметричная система формирования (рис.1) [3], в которой прямолинейный пучок инжектируется через кольцевую щель под углом к магнитному полю и за счет этого осуществляется первичная закрутка пучка. Первые численные расчеты таких систем показали, что в них, по сравнению с МИП, возможно существенное снижение скоростного разброса и за счет этого увеличение питч-фактора прибора при сохранении устойчивости ВЭП.

Рисунок 1. Неадиабатическая электронно-оптическая система

Однако на данный момент неизученным остается вопрос влияния неоднородности эмиссии на работу данных систем. Электронно-оптические системы в гиротронах, в отличие от других вакуумных приборов СВЧ, работают в режиме температурного ограничения эмиссии, а не ограничения тока пространственным зарядом пучка. Поэтому, вследствие неоднородности прогрева катода по азимуту, в них наблюдается существенное нарушение азимутальной симметрии распределения плотности тока эмиссии, что приводит к азимутальной неоднородности электронного потока [4]. В адиабатических магнетронно-инжекторных пушках это является причиной появления неоднородных полей, которые, в свою очередь, увеличивают скоростной разброс электронов. Нарушение симметрии распределения пространственного заряда может, в принципе, ухудшить характеристики и неадиабатических электронно-оптических систем (ЭОС) гиротронов. Эта задача требует отдельного рассмотрения.

На основе пакета программ для трехмерного моделирования CST Studio Suite [5] в работе [6] была разработана методика учета нарушения симметрии плотности тока. В данной работе она расширена и доработана с учетом специфики задания эмиссии в неадиабатических системах.   Программа препроцессор позволяющая за счет предварительного независимого вычисления начальных координат, скоростей частиц и токов трубок тока была дополнена возможностью задавать эмиссию с торцевой поверхности (рис.1) в отличии от наклонной как в случае адиабатических ЭОС (рис.2).

Рисунок 2. Адиабатическая электронно-оптическая система

Программа постобработки выходных параметров системы расширена возможностью деления на сектора торцевого эмиттера и последующим анализом каждой фракции как вместе, так и по отдельности.

Для оценки точности разработанного алгоритма было проведено моделирование работы неадиабатической электронной пушки гиротрона с рабочим магнитным полем 6,5 кГс, ускоряющим напряжением 15 кВ и током пучка 3А. Расчеты параллельно проводились по 2-мерной программе EPOS [7] и трехмерной программе CST Studio Suite. Рассчитывался вариант с однородной по азимуту эмиссией. Расчеты программой EPOS и CST Studio Suite при использовании разработанных программ пред- и пост-обработки, демонстрируют хорошее соответствие (питч-фактор равен 1.7 и 1.68, скоростной разброс 9 и 11% соответственно), что говорит о возможности применения разработанной методики для расчетов неадиабатических ЭОС.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00142.

Список литературы:
1.    A.L.Goldenberg, M.I.Petelin Formation of helical electron beams in adiabatic gun. Radiophys. Quantum Electron. 1973. V.16, No 6. p. 141.
2.    М.Ю.Глявин, А.Л.Гольденберг, В.Н.Мануилов, М.В.Морозкин. Экспериментальное исследование электронно-оптической системы низковольтного гиротрона с неадиабатической электронной пушкой. Изв. Вузов. Радиофизика, 2011. Том 54. №8-9. С.690-695.
3.    A. L. Goldenberg, M.Yu.Glyavin, K. A. Leshcheva, V.N.Manuilov Nonadiabatic electron-optical system of a technological gyrotron. Radiophys. Quantum Electron. 2017. V.60, No 5. p. 395.
4.    Лукша О.И. Винтовые электронные потоки гиротронов: динамика пространственного заряда и методы повышения качества: Дисс. … докт. физ.-мат. Наук. СПбГПУ. Санкт-Петербург, 2011. 285 с.
5.    https://www.cst.com/Products/CST
6.    Лещева К. А., Мануилов В. Н. Численное 3D-моделирование систем формирования винтовых электронных пучков гироприборов с азимутально неоднородным распределением тока эмиссии. Успехи прикладной физики. 2019. Т. 7. № 3. С. 298.
7.    Krivosheev P. V., Lygin V. K., Manuilov V. N., Tsimring Sh. E.. Int. J. of Infrared and MM waves. 2001. Vol. 22. No. 8. P. 1119.