Анотація до роботи:

Камал Басраві Махмуд Аліє. Вплив теплових процесів на стабільність частоти коливань у багаторезонаторних магнетронних автогенераторах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

Дисертація присвячена теоретичному і експериментальному дослідженню частотних властивостей магнетронних автогенераторів. Вивчено загальні фізичні процеси в магнетронних автогенераторах з урахуванням впливу теплових процесів на катоді.

Розроблено двовимірну багатоперіодну математичну модель магнетрона з урахуванням впливу процесів тепловиділення і теплообміну між катодом і анодом, аналітичну математичну модель теплових процесів, що мають місце на катоді магнетронного автогенератора, а також запропоновано метод експериментального визначення “холодних” електродинамічних параметрів анодних блоків магнетронів.

Проведено теоретичний аналіз фізичного механізму фазового угруповання електронного потоку в магнетронних автогенераторах за умови впливу на фазування потоку складових поля ПЗ і компонент синхронного ВЧ поля (динамічний режим). Розглянуто особливості протікання конвекційного струму від катода магнетронів до анода на основі траєкторного аналізу руху електронів за умови наявності різних видів емісії (термоелектронної і вторинної).

Проведено теоретичні й експериментальні дослідження для вивчення впливу температури оксидного катода непрямого розжарення на стабільність частоти магнетрона. Показано, що одним з істотних чинників нестабільності частоти в магнетронах є флуктуації струму термоелектронної емісії, обумовлених додатковим розігріванням катода вторинною електронною емісією.

Наведено результати математичного моделювання і натурного експерименту знаходяться у добрій відповідності один з одним.

У дисертаційній роботі вирішується актуальна наукова задача, яка полягає в встановленні фізичних закономірностей впливу теплових процесів на частотні характеристики (девіацію частоти) магнетронних автогенераторів в умовах постійної зміни емісійної активності катода, розвитку методології математичного моделювання фізичних процесів нелінійної взаємодії в магнетронних автогенераторах з урахуванням впливу процесів теплообміну. Основні результати роботи полягають в тому, що:

1. Вперше розроблено двовимірну багатоперіодну математичну модель магнетрона з урахуванням впливу процесів тепловиділення і теплообміну між катодом і анодом. Для дослідження теплових процесів розроблено аналітичну математичну модель теплових процесів, що мають місце на катоді магнетронного автогенератора. Отримано аналітичний вираз для розрахунку додаткового підігріву поверхні оксидного катода електронами, що бомбардують катод.

2. Запропоновано точніший метод розрахунку енергії бомбардування електронами катода і анода магнетронів. Показано, що такий підхід дозволяє проводити моделювання вильоту на катод малоенергетичних частинок з енергіями вильоту менше 10 еВ без значного збільшення загального часу рахунку.

3. Вперше розроблено і застосовано метод експериментального визначення “холодних” електродинамічних параметрів анодних блоків магнетронів. Показано, що отримані результати вимірювання електродинамічних параметрів являють практичний інтерес і можуть бути використані як початкові дані в математичних моделях магнетронів під час проведення досліджень, направлених на вдосконалення їх конструкцій і режимів роботи.

4. Проведено аналіз механізму фазового угруповання електронного потоку в магнетронних автогенераторах за умови впливу на фазування потоку складових поля ПЗ і компонент синхронного ВЧ поля (динамічний режим). Показано, що кулонівські сили розштовхування сприяють поліпшенню процесу повторно-емісійного розмноження і утворенню режиму обмеження емісії, завдяки процесу “саморегулювання” струмовідбору з катода. Встановлено, що дія сил ПЗ погіршує частотні характеристики магнетронів (зростає фазовий розлад між спицею ПЗ і максимумом гальмуючого напівперіоду ВЧ поля) і практично не впливає на енергетичні характеристики приладів (відносна зміна вихідної потужності не перевищує (0.5–1.5) дБ, а зміна ефективності взаємодії не перевищує (3–4) %.). Розглянуто особливості фазового угруповання в динамічному режимі роботи магнетрона з урахуванням взаємодії замкнутого електронного потоку з ВЧ полем основного (випадок основної просторової гармоніки або - виду) і вищого (випадок -1 просторової гармоніки або - виду) видів коливань. Показано, що ефективність взаємодії електронів з ВЧ полем - виду значно знижується і ккд такої взаємодії не перевищує (10–15) %.

5. Вперше розглянуто особливості протікання конвекційного струму від катода до анода в магнетронах на основі траєкторного аналізу руху електронів за умови наявності різних видів емісії (термоелектронної і вторинної). Показано, що у разі використання оксидного катода непрямого напруження емісія з катода відбувається зі всієї його поверхні до моменту встановлення режиму обмеження емісії полем ПЗ у прискорюючих областях фаз ВЧ поля. Із областей з гальмуючими фазами вильоту має місце емісія термоелектронів у режимі насичення щільності струму термоемісії. У разі використання холодних безнакальних катодів основний відбір струму походить з прискорюючих областей фаз вильоту. При цьому в областях з гальмуючими фазами вильоту відбувається збіднення щільності електронної хмари.

6. Проведено моделювання робочих ВАХ безперервного магнетрона М-857 за допомогою 2-D і 3-D математичних моделей магнетрона. Порівняння теоретичних залежностей з експериментом показало, що розбіжність даних комп'ютерного моделювання з експериментальними даними не перевищує одиниць відсотків. Встановлено, що урахування в 2-D моделі магнетрона теплових процесів дозволяє контролювати встановлення режиму теплового обмеження роботи магнетрона, що відповідає заданому тепловому режиму роботи магнетрона (наприклад, повітряне охолоджування).

7. Проведено математичне моделювання впливу температурного режиму роботи оксидного підігріючого катода магнетрона на стабільність частоти його генерації. Показано, що одним з істотних чинників нестабільності частоти в магнетронах є флуктуації струму термоелектронної емісії. Встановлено, що причина таких флуктуацій обумовлена додатковим розігріванням катода вторинною електронною емісією. Аналіз результатів моделювання показав, що зміна температури катода від 1060 С до 1110 С призводить до значних коливань частоти генерації магнетрона з девіацією до 29 Мгц. Із зростанням анодного струму на ВАХ і зростанням потужності генерації величину девіації можна зменшити до 19 Мгц і підвищити стабільність частоти генерації.

8. Експериментально встановлено, що відключення струму напруження термоелектронного катода дозволяє на два порядки зменшити девіацію частоти в магнетроні, довівши її до 80 ... 180 кГц зі збереженням решти параметрів приладу. Отриманий результат дозволяє розглядати його як ще один важливий дестабілізуючий чинник (на додаток до існуючих), який пов'язаний з наявністю флуктуацій струму емісії з катода, обумовлені додатковим підігріванням катода електронами, що бомбардують катод.

Публікації автора:

1. Чурюмов Г.И., Басрави К.М., Сивоконь К.В. Многопериодная математическая модель магнетрона. Радиоэлектроника и информатика, 2006, № 2, с. 15 – 27.

2. Басрави К.М., Фролова Т.И., Чурюмов Г.И. Особенности фазовой группировки в магнетронных приборах с распределенной эмиссией. Вісник Сумського державного університету. Серія: Фізика, математика, механіка,
   № 1, 2007, с. 105 – 116.

3. Басрави К.М., Чурюмов Г.И. Расчет и экспериментальное измерение параметров анодных блоков магнетронов. Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, № 756, 2007, с. 132 – 139. 19.

4. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И., Басрави К.М., Сивоконь К.В. Влияние тепловых процессов на катоде и аноде на частотные характеристики магнетронов. Радиоэлектроника и информатика, 2007, № 2, с.с. 34 – 46.

5. Churyumov G.I., Frolova T.I., Basrawi K.M. Simulation of Lock Mode in Two-Stage Magnetron. 2006 IEEE International Vacuum Electronics Conference (held jointly with 2006 IEEE International Vacuum Electron Sources) IVEC/IVESC 2006 (April 25-27, 2006, Monterey, California, USA), p.p. 243 – 244.

6. Churyumov G.I., Frolova T.I., Basrawi K.M. Two-Stage Magnetron for Radar Application. 2-nd Microwave & Radar Week in Poland. Proceedings of International Radar Symposium - IRS 2006 (24-26 May 2006 Krakov, Poland), p.p. 163 – 165.

7. Чурюмов Г.И., Грицунов А.В., Старчевский Ю.Л., Фролова Т.И., Басрави К.М., Экезли А.И., Перевертайло Р.А. Теоретические и экспериментальные исследования режимов перестройки частоты и синхронизации магнетронов. Материалы 16-ой Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” КрыМиКо 2006. 9-12 сентября, 2006. – Севастополь, с.с. 296 – 297.

8. Чурюмов Г.И., Фролова Т.И., Басрави К.М., Сивоконь К.В., Экезли А.И. Проблемы и тенденции применения магнетронных генераторов в информационных системах. Материалы 1-й Международной научной коференции “Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития”, 2-6 октября 2006. – Туапсе, с. 482 – 483.

9. Басрави К.М., Экезли А.И., Чурюмов Г.И. Экспериментальная методика расчета параметров анодных блоков магнетронов. Сборник трудов VI Харьковской конференции молодых ученых “Радиофизика и электроника”, 13-14 декабря 2006. – Харьков, с. 18.

10. Экезли А.И., Басрави К.М. Разработка методики измерения нестабильности частоты магнетрона. Материалы 11-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". Часть 1. - Харьков, 2007, с. 237.

11. Басрави К.М., Экезли А.И. Экспериментальное исследование распределения магнитного поля в магнетроне. Материалы 11-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке". Часть 1. – Харьков, 2007, с. 238.

12. Чурюмов Г.И., Старчевский Ю.Л., Фролова Т.И., Басрави К.М., Экезли А.И., Сивоконь К.В. Влияние теплового режима термоэмиссионного катода на частотные характеристики магнетронов. Материалы 17-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” КрыМиКо 2007 (10-14 сентября, 2007, Севастополь, Украина).