расчет теплового режима выходного резонатора клистрона

ПРЕПРИНТ- 89 - 6 4 / 1 4 1 .
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА
ВЫХОДНОГО РЕЗОНАТОРА
КЛИСТРОНА
МОСКВА
19Э9
МОСКОВСКИ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВШЦИИ
И СРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ.
УНИВЕРСИТЕТ им.И.В.ЛОНСНОООВА
Научно-исследовательский институт ядерной физики
А.В.Тиунов,
В.И.Швед/нов
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕИИМА ВУХОДЧОГО
РЕЗОНАТОРА КЛИСТРОНА
Препринт
Н И Ш МГУ - 89 - СА/Ш.
Москва 1 9 8 9
УДК G2T.3.038.614
Предгтааяены реаультаты численного расчета теплового режима
выходного резонатора клистрона с учетом двух источников теплового разогрева - токооседание в пролетном канале и СВЧ потери в
гтликах резонатора, возбуждаемого пучком. Проанализированы зависимости (максимального изменения температуры, максимальной
величины деформации и сдвига резонансной частоты) от величины
тепловых потерь для двух вариантов материала стенок (сталь и
мляь). Результаты расчетов позволяют выбрать оптимальный режим
работы клистрона с учетом тепловых потерь и-тепловых деформаций.
Л.В.Тиунов, В.И.Шведунов
Расчет теплового режима выходного резонатора клистрона.
НИИ Ядерной физики МГУ, 1969.
Прогресс в различных областях науки и техники , ч
частности в ускорительной технике, требует создания все более
мощных клистронов непрерывного действия /I/. С ростом средней
мощности" клистрона существенно возрастают требования к системе
съема тепла с различных элементов прибора. В настоящее времч
разработаны весьма эффективные системы охлаждения коллекторов
клистронов, позволяющие осуществлять теплосъем до I кВт/см /I/.
В то же время,в литературе опубликовано мало результатов, касающихся расчета теплового режима выходного резонатора. Существует два основных источника разогрева выходного резонатора клистрона : СВЧ потери в стенках и токооседание в пролетном канале
из-за динамической расфокусировки пучка. Анализ последнего эффекта осбенно важен для многолучевых приборов, где при равной с
однолучевыми приборами выходной мощности токооеедание в пролетных
каналах может быть существенно большим из-за большей суммарной
границы между пучками и поверхностями каналов. Разогрев выходного резонатора при определенных условиях может быть весьма существенным,что может приводить к его деформации и заметному
сдвигу резонансной частоты .
В данной работе выполнен расчет теплового режима выходного
резонатора клистрона с помощью пакетов программ "PRUD-7>" / 2 /
и "HAST"/3/ по методике изложенной в /4/. Первоначально осуществлялся расчет электродинамических характеристик резонатора - были определены его резонансная частота, распределение СВЧ пвтерь.
Далее при заданном уровне СВЧ потерь и тепловых потерь пучка
рассчитывались температурное поле и деформации резонатора. Затем
для деформированного резонатора вновь производился расчет его
собственной частоты. Расчеты выполнялись г приближении упругих
деформаций . Поэтому температурные поля.деформации и сдвиги
частот рассчитывались на единицу тепловых потерь независимо для
СВЧ потерь (Рс8ч^ к н а г Р е в а пучком ( P n V 4 ( r a ' и » таким образом ,
определялись коэ#*штенты повышения температуры -™4-^ , ? '.; /(,
•еличины де*прмапий к (V _
Ц\:$- и величины сдвига частоты
dp'v * § Р
" 1 ' У ч м а Р н о л повышение температуры д Т ,
••личина деформации л R к сдвиг частоты д ^ для произвольных
величин Pppj и ?_.,—» «опт» быть оценены ив Лпрмулам :
Л1 . р
3<•>'сеч
| 1 „ г<-ъь
^
_. ИГ.. . р
• "^ЕГР
^ г п » « 'путл
,, i
>•
(fa)
.
(I.)
Расчеты выполнены в диапазоне 2450 МГц для акскальносимметрнчного тороидального резонатора,форма которого вместе
с распределением электрической компоненты поля рабочего колебании показана на рис. 1а. Рассматривались резон«торы с двумя
вариантами материала стенок: первый вариант - медный резонатор,
второй ыарнант - резанатор, одни из стенок которого является
частью фокусирующей системы и выполнена из стали. Относительнее
распределение П Л А Т Н О С Т И GB4 потерь для первого варианта показана
на рис. 16. Дяд второго варианта основные СВЧ потери имеют мест*
гл стальной торцевой сменке выходного резонатора. В расчетах
предполагалось ,что потери пучка равномерно распределены в
пролетном канале на выходе последнего резонатора.
Вид кенечноэлементой сетхк , на которой производился расчет
температурных полей и деформаций для варианта I, показан на pic.
2 .Для более точного задания граничных условий в расчет вкло чался такке предпоследний резонатор и выполненные из стали
элементы фокусирующей системы. На рис. 2 видно положение охлаждающих каналов. Предполагалось, что охлаждение осуществляется
водей в однофазном режиме е коэМицивнтем теплоотдачи ее «16000
Вт/м-град, независящим от температуры. На рис.За и б,соответственно, показан вид температурного поля для варианта I для двух
случаев: Р ^ ц - Т кВт, Р ^ ^ 0 и P ^ q l * 0, Р п у ч ^ к В т . Характер деформаций резонатора показан на рис. 4а,о для обоях вариантов се елвдуюаум* величинами тепловых потерь :
Таблица I . Прмаааднм T N M e , R и а я е
(
дож вариант клястрана
f
t
1
Вариант I
q ТцАкс
3 Рсач
|
I
t
I
Вариант 2
41,5 вС/«Вт
282 ^/кВт
129
410 #С/кВт
°С/кВт
Э РпуЦКА
оРсьч
Э
г\ МДКС
3
р
О УН If Д
IS—
д Рсъч
Э Г ПУЧКА
:
0,02 мм/кВ*
0,04 мм/кВт
0,022 «af/кВт
0,09 мм/кВт
-Р.,8 W V R B T
I
. 7 , 9 МГц/кВт
-4,0 МГц/иВт
J
-11,6 МГц/кВт
a
РИС.
i a -
РАСПРШШШ
ашпинююй имгаипы
РАБОЧИХ) KOaSMW
5-
ПОП
i
ОЧНОСИЛИЫЮЕ Р А а Г в И И И В
ПОПРЬ Д № ВАРИАНТА I .
ШЮТНОСТМ СВЧ
T—^fZ^
J-J
uu I :
КАНАЛ
rr
—U
i_
Рис. 2 Конечноэлвментная сетка для расчета
температур^'* полей и деформаций
8
a
т—i
-Г
Рис. 3 Вид температурного поля для варианта I :
а- Р С Б Ч - I кВт , Р ^ ^ 0 ;
a
Рис, 4 Характер деформаций резонатора c ^ f * к В т » Р цучка
ц у ч ав
е
а- вариант I : деформации увеличены в 100 рае
{
б- вариант 2 : деформации увеличены
в 16.7 раза .
4
1гВт:
10
Р,«вг
Рис.!5 .
Занисимость максимальней)
повышения
температуры от мощности тепловых потерь
0. OS
О
Р«с.б .
/
2
Зависимость
резонатора
J
4
5
Р,мвт
максимальной деформации
от
моицтг.ти
топлопьпс потерь
II
-10 -
Рис. 7 . Зависимость сдвига резонансной( частоты
выходного резонатора от мощности
тепловых потерь .
12
P r n » = I кВт, Р„,„,„„ = 4 кВт. Величины деформаций для первого
варианта увеличит.! в 100 pas, для второго в 16,7 раза.
Основные результаты расчета - зависимости максимального повышения температуры, максимальной величины деформации, сдриг'а
рязонангной частоты от вели«ины тепловых потерь для двух вариантов резонаторов даны на рис. 5-7, В табл. I даны коэффициенты, входящие в формулы (I а'-в) и определяющие наклон прямых на
ргг. 5-7.
На основании проведенных результатов можно сделать следующие выводы.
1. Суммарный сдвиг частоты выходного резонатора клистрона
при уровне тепловых потерь в несколько жВт может превышать ширину рабочей полосы прибора.
2. Возникающие деформации велики и М О Г У Т Н О С И Т Ь неупругий
характер. Поэтому сдвиг резонансной частоты'будет иметь сложнуп зависимость от числа включений прибора и будет накмриватьг:ч с течением времени.
3. Уменьшения сдвига резонансной частоты мояно добиться
расположением охлажцащиг каналов бл^же к пролетной трубе,
wenwneHveM длины той части пролетной трубы, расположенной в
пределах резонатора, на которой происходит наибольшее осаждеifn» пучка.
Литература
1. Корешком О.Н. Мощные клистроны дециметрового диапазона
за рубежом. - Обзоры по электронной технике. Серии I
Электроника СВЧ, выпуск 16 (1217), 1966, с.40. •
2. Абрамов А.Г.,Дайковский А.Г., Ершов С.С и др. Пакет программ
PRUD-0 для расчета ускоривших структур. - Препринт И ® 3
83-3, Серпухов, 1983 .
Ь. Абрикосов А.Г., Абрамов А.Г., Барсуков А.Б. и др.
Программное обеспечение ДЛИ расчета температурных полей
и деформаций конструкций усяоршмних структур. - Препринт
№ Ю Э 64-64, Серпухов, 1964.
a-.
Grisliin V.K. ,lahkaiiov B.S., Tiuuov A.V. et «1 .
Computer simulation of the RE1 properties and
thenaal coaaishions of the disk-and-washer accelerating
structure for the Crt race brack mioroti'on.
Hucl. In9t. & Ueth. А^55(19в?) pp.
Андрей Викторович Т/унов
Василий Иванович Шведунов
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО. РЕЖИМА ВЫХОДНОГО
РЕЗОНАТОРА КЛИСТРОНА
Препринт НИИ® МГУ
Работа поступила в ОНТИ P5.I0.89
Редактор
К.И.Стратилатова
Подписано в печать 24.11.69
Л - 14337
Печать офсетная. Бумага для множительных
аппаратов. Формат 60x84/16. Уч.- изд. л. - 0,9.
Усл.п.л. - 1,0.
. Тираж 100 экз.
8а"83 '•' 4571.
Бесплатно
Отпечатано в лаборатории офсетной печати
и множительной техники Отдела научно технической информации НИМШ МГУ
II9899, Москва ГСП