Расчет коллектора с жидкостным охлаждением. Проектирование многорезонаторного клистрона

1.5 Расчет коллектора с жидкостным охлаждением.

Коллектор - это электрод электронно-оптической системы, на котором заканчивается движение электронов, эмитированных катодом. При ударе о металлическую токовосприни­мающую поверхность кинетическая энергия электронов переходит в тепло. Средняя мощность, выделяемая в коллекторе :

Wcp=c(1-he)IU/Q,

где I- ток луча, U-напряжение,Q-скважность импульсов,                                                  he- электронный КПД,    c- коэффициент токопрохождения.

При мощности порядка киловатт и выше требуется принудительное жидкостное охлаждение – вода, антифриз. Коллектор, как правило, изолируют от корпуса прибора, чтобы имелась возможность измерять токопрохождение.

      Важнейшим моментом проектирования водяной системы охлаждения является оптимизация конструкции, при которой будет обеспечен заданный теплосъем при ограниченных значениях объемного расхода. Расход теплоносителя минимизируется при условии, чтобы температура охлаждаемой поверхности То не превышала температуру кипения теплоносителя. В качестве теплоносителя выбирается вода, отличающаяся рекордно высокой теплоемкостью, хорошей теплопроводностью, низкой химической активностью и дешевизной.

Если рассеиваемая на коллекторе мощность не превышает нескольких ватт, его можно расположить внутри вакуумной оболочки прибора.

Вторичная эмиссия с коллектора искажает истинное токорасределение. Поэтому по­лость коллектора стремятся сделать глубокой вытянутой и 'высадить' пучок в глубине кол­лектора.

При мощности порядка десятков ватт тепло обычно отводят при помощи радиатора, об­дуваемого воздухом. Коллектор располагается снаружи прибора, так что он является частью вакуумной оболочки.

При мощности порядка киловатта и более требуется принудительное жидкостное охла­ждение.

Приведенное разделение по мощности на типы охлаждения конструктивно условно. Так, можно создать коллектор с воздушным охлаждением на мощности 10-20 кВт или при­менить жидкостное охлаждение на мощности 50-100 Вт всё зависит от условий эксплуата­ции прибора.

В нашем случае при мощности 8,8 кВт используется водяное охлаждение. За значе­ние рассеиваемой мощности принимается вся подводимая мощность.

Вода является одним из лучших теплоносителей, т.к. имеет высокую теплопроводность, низкую вязкость, малую химическую активность, очень доступна. Однако при применении водопроводной магистрали ограничен расход воды (<18 л/мин), поэтому необходимо конст­руировать оптимальную конструкцию учитывая и этот фактор.

Универсальным уравнением конвективного отвода тепла является формула Ньютона-Рихмана:

Q = a ∙ F ∙( T₀ -T_s),

где Q - отводимый тепловой поток, а-коэффициент теплоотдачи, Fo -охлаждаемая по­верхнось. То - температура охлаждаемой поверхности коллектора, Ts -средняя температура охлаждающей жидкости.

Для предотвращения громоздких вычислений расчет ведется автоматизированно по задан­ным параметрам, т.е. мощности и геометрии коллектора. Ниже представлен график зависимости температуры охлаждающей поверхности от производительности насоса для двух вариантов охлаждающей системы (спиральная проточка и змеевик). Рассматривать охлаждающую систему типа ‘рубашка охлаждения’, как мне кажется, не имеет смысла, т. к. она не обеспечивает более менее приемлемой температуры коллектора (T_колл >> 100°C).

Рис.7. Эскиз конструкции жидкостной системы

охлаждения типа ‘спиральная проточка’.

Для клистронов внутренний диаметр коллектора Dо составляет (5…10)а, где а – радиус пролетной трубы в резонаторном блоке.

Dо = (5…10)а = 10*0,5 = 1,5 см.

Длина коллектора Lо определяется, исходя из величины допустимой мощности тепловой нагрузки W:

Lо <= Pо / п Dо W.

  Lо = Pо / п Dо W = 20 см.

Змеевик и спиральная проточка проектируются на объёмный расход не более 8 л/мин.

Толщина стенки выбирается в пределах 2…5 мм.

b – ширина = 0,4 см; а – глубина = 0,15 см; h1 – шаг = 0,5 5см.

1.6. Проектирование многорезонаторного клистрона.

         В данном разделе реализуется заключительной этап методики восходящего проектирования, при котором на верхнем уровне проектирования сложного объекта используются результаты, полученные при проектировании отдельных блоков на более низких иерархических уровнях. Многорезонаторный клистрон был условно разделен на линейный группирователь, нелинейный группирователь и выходной резонатор.

         Резонансные частоты резонаторов линейного группирователя определяются из требуемой величины напряжений на их зазорах и подбираются при проектировании линейного группирователя.

        По известным напряжениям U_i углы расстройки резонаторов определяются из соотношения   .

        Эти расстройки на частоте  f, неравной  f_0i  приводят к появлению реактив-ной проводимости B_i, откуда при f_cp + f_0i ≈ 2f_0i по известным j_pi можно определить частоты . Мощность, выделяемая электронным потоком в выходном контуре, определяется соотношением  .

         Мощность, поступающая в нагрузку, , где  - КПД контура ;  - эквивалентная проводимость выходного резонатора, G_pN  - прово-димость холодного резонатора, G_e  - электронная проводимость. G_эN - определяется из условия, что на f_cp  амплитуда напряжения на зазоре выходного резонатора удовлетворяет соотношению , тогда, учитывая, что , получим:  .

         При проектировании на выходные параметры: Р_вых,          h, К_р  и Df -накладываются следующие ограничения:

,

,

,

где величина с индексом “ ТТ” яляется требуемой (из технического задания).

        Внутренними параметрами являются N, I₀, a, b, d, r, Q_x, Q_i, f_i, l_i, где I - номера каскадов. Из них управляемые - число резонаторов N и длины пролётных труб l_i с прямым ограничением N<7 и функциональным ограничением l_i > l_N-1.

              Внешние параметры - это P_вх, f, U₀.