Электронно-оптическая система, страница 3

Программа позволяет рассчитывать параметры трехмерной магнитной структуры произвольной формы, имеет интуитивный интерфейс, упрощающий описание проекта, мощную программу расчета электромагнитного поля, приспосабливаемую к требуемой точности решения, и мощный постпроцессор для представления результатов. Начальное разбиение на ячейки сразу предоставит информацию о решении поля, выделяя области с высокой напряженностью поля или с большими градиентами. Разбиение на ячейки затем уплотняется только там, где необходимо, уменьшая вычислительные затраты при максимизации точности. Если необходимо, пользователи могут ввести адаптивное решение, используя интерфейс программы.

Метод моделирования, используемый для вычисления полного трехмерного электромагнитного поля внутри структуры, основан на методе конечных элементов. В общем случае метод конечных элементов делит всё пространство на тысячи малых областей и представляет поле в каждой подобласти в виде локальной функции. Геометрическая модель анализируемого устройства автоматически разделяется на большое количество тетраэдров, имеющих 6 граней и 4 плоскости, сформированные четырьмя равносторонними треугольниками. Это тетраэдр называется конечным элементом. В каждой вершине запоминаются компоненты поля, касательные к трем граням четырехгранника. Кроме того, может также быть сохранена компонента векторного поля в средней точке выбранных граней, касательная к поверхности и перпендикулярная ребру

Имеется компромисс между размером ячейки, желательным уровнем точности и имеющимися в наличии вычислительными ресурсами. С одной стороны, точность решения зависит от того, насколько мала величина каждого из отдельных элементов - решения, основанные на ячейках, которые используют большое количество элементов,  более точны. С другой стороны, генерирование решение поля с большим количеством элементов требует существенную вычислительную мощь и память.

Чтобы получить оптимальную ячейку, в программе используется итеративный процесс, в котором ячейка автоматически учащается в критических областях. Сначала генерируется решение, основанное на грубом начальном разбиении на ячейки. Затем  учащаются ячейки, основываясь на соответствующих критериях погрешности, и генерируются новые решения. Когда выбранные параметры сходятся в пределах желаемого интервала, итеративный процесс заканчивается.

Величина магнитного поля в материале экранов не должна быть больше 1 Тл во избежание магнитного насыщения. Особенно серьёзна эта проблема в многоствольных клистронах и в многолучевых клистронах с расположением лучей по кольцу.

Вследствие неидеальности свойств магнитного материала окончательно положение магнитных элементов зачастую приходится подбирать или приходится добавлять кусочки материала, то есть юстировать магнитную систему.

Магнитная фокусирующая система в приборе выглядит следующим образом:

Рис.27 Магнитная система клистронного усилителя

Ниже приведен расчет распределения магнитного поля вдоль оси с учетом всех элементов прибора.

Рис.27 Распределение магнитного поля вдоль оси прибора

Наличие пиков на границе рабочего зазора является недостаточной разрешающей способностью программы. В реальных магнитных системах зависимости более плавные.

Было проведено экспериментальное исследование магнитной системы прибора и показано, что теоретические данные достаточно точно совпадают с экспериментальными. Результаты эксперимента показаны на Рис.28.

Рис.28 Экспериментальная кривая магнитного поля вдоль клистрона

Можно сделать вывод, что программой Maxwell можно с успехом пользоваться для модернизации уже имеющихся магнитных систем различных клистронных усилителей и для проектирования новых магнитных систем с меньшим весом и меньшим перепадом внутри магнитного зазора клистрона.