Электроника больших мощностей

Из книги "Электроника больших мощностей"

1962

Хотя электронными процессами все шире и шире пользуются в современной электротехнике, нетрудно видеть, что все же есть область, куда электроника почти не проникает. Действительно, электронные процессы в настоящее время наиболее широко применяются в измерительной технике (катодные осциллографы, фотоэлементы, высокочастотные измерения, усилители и т.д.), для решения кибернетических проблем (автоматика, счетно-решающие устройства, стабилизаторы и др.), в связи (радио, телевидение, радиолокация и т. д.). Однако применение электроники сверхвысоких частот к решению энергетических проблем находится еще в своей начальной стадии.

Эту область применения электроники я и назвал "электроникой больших мощностей". Такое название, конечно, является условным, так как невозможно установить границу, где начинаются "большие мощности". Поэтому под электроникой больших мощностей, мне думается, следует понимать тот отдел электроники, в котором электроника сверхвысоких частот используется для получения непосредственного энергетического эффекта, т. е. для генерации электромагнитных колебаний, которые трансформируются не только в электромагнитные волны, но и в тепло, в энергию ускоренных корпускулярных пучков и в другие виды энергии.

Мне думается, что внедрение сверхвысокочастотной электроники в большую энергетику является одним из наиболее обещающих направлений развития современной электроники. Основные преимущества сверхвысокочастотной энергетики уже сейчас выявляются совершенно четко: это - возможность сосредоточения большой электромагнитной энергии в малых объемах, а также исключительная гибкость, с которой происходит трансформация высокочастотной энергии в другие виды энергии (концентрированный подвод тепла, ускорение элементарных частиц, создание, нагревание и удержание плазмы и т. д.). Недостаточное использование электроники в энергетике объясняется тем, что в настоящее время отсутствуют эффективный и надежный метод генерации сверхвысокочастотной энергии и метод ее преобразования в другие виды энергии.

Для развития электроники больших мощностей нужно начать с решения этих задач и искать эти решения на широкой научной базе.

Наша работа началась с теоретического исследования процессов генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний. Мы исходили из предпосылки, что мощные колебания могут эффективно создаваться только электронными процессами, происходящими в постоянных (скрещенных) магнитном и электрическом полях, и разработали метод теоретического рассмотрения таких процессов. Этот метод является достаточно общим и полным; в частности, с его помощью удалось дать наглядную количественную теорию процессов, происходящих в генераторах магнетронного типа.

Указанный метод и важнейшие результаты изложены в нашей большой работе "Электроника больших мощностей", законченной в апреле 1952 г. и давшей название всему направлению. После этой работы наши исследования по электронике больших мощностей стали развиваться более широко...

В своей начальной стадии эта работа (как в экспериментальной, так и в теоретической части) велась мною в тесном сотрудничестве с С. И. Филимоновым и С. П. Капицей. Неизменный интерес к теоретическим вопросам проявлял В. А. Фок, давший ряд ценных советов. Я благодарен моим друзьям и сотрудникам за то, что они принимали участие в моей научной работе, несмотря на трудные условия, в которых она протекала в 1946-1952 гг.

Задачи, стоящие перед электроникой больших мощностей

Электроника охватывает широкий круг физических явлений, связанных с прохождением электрического тока через газ. Следует отметить два важных и интересных физических свойства электрического тока при прохождении его через газ, которые открывают для электротехники совершенно новые возможности и поэтому широко используются на практике.

Первое свойство электрических процессов при прохождении тока через газ заключается в том, что их инерционность исключительно мала, и поэтому ими легко управлять. Со времени открытия электронов физическая причина этого свойства стала понятной: она кроется в том, что заряд переносится электронами, масса которых в несколько тысяч раз меньше массы ионов. При прохождении электрического тока через газ (в отличие от его прохождения через металл) можно быстро и эффективно влиять на движение электронов.

Второе важное физическое свойство электрического тока при прохождении через газ заключается в том, что движение электронов в газе при достаточно высоком разрежении газа осуществляется с очень малым "трением" и поэтому с малыми потерями; это дает возможность сообщать электронам, создающим электрический ток, очень большие скорости. В металле большой ток с малыми омическими потерями осуществляется большим количеством медленно движущихся электронов. В газе, наоборот, ток с теми же потерями можно осуществить малым количеством быстро движущихся электронов, что возможно из-за того, что потери при достаточно низких давлениях практически исчезают.

Свобода движения электронов в газе и малая их инертность уже давно широко используются в электронных лампах, которые обеспечили успешное развитие современной радиотехники (особенно в области сверхвысоких частот); но электронные процессы не достигли еще таких показателей, чтобы они могли быть применены в энергетике. Возможности, которые открываются физическими процессами, сопровождающими прохождение тока через газ, до сих пор^* если и используются в энергетике, то только для решения второстепенных задач.

^* (Написано в 1952 г.)

Почему это происходит: может быть, энергетике не нужны быстро протекающие процессы? На этот вопрос нужно ответить отрицательно: электроника больших мощностей может решить ряд важнейших проблем электротехники, еще не решенных и которые без нее не могут быть разрешены. Укажем только на некоторые из этих проблем: передача больших мощностей по волноводам на большое расстояние с малыми потерями; получение интенсивных, хорошо направленных пучков электромагнитных волн и корпускулярных пучков; прямое использование атомной энергии; эффективный метод разделения изотопов. Даже этого неполного перечня достаточно, чтобы показать перспективность развития электроники больших мощностей.

Рассмотрим вопрос: есть ли принципиальные причины, препятствующие развитию электроники больших мощностей? Я думаю, что на этот вопрос следует ответить утвердительно: такие причины есть; хотя на первый взгляд они кажутся незначительными, на самом же деле они пока что оказываются решающими препятствиями. Только преодолев эти препятствия, можно осуществить электронные процессы больших мощностей.

Если электроны движутся в вакууме (в отсутствие ионов), то они образуют облачко, заряженное отрицательно. Благодаря одноименности зарядов происходит их расталкивание, чем нарушается правильность движения. Если облачко имеет небольшую плотность, то расталкивание, вызванное объемными зарядами, мало искажает движение, но по мере увеличения мощности плотность облачка растет и вместе с нею растут расталкивающие силы, Эти силы могут стать столь велики, что при увеличении мощности характер движения электронов может быть полностью нарушен. В обычных электронных приборах, например в радиолампах, это явление наступает при сравнительно небольших мощностях. Поднимать допустимую мощность путем увеличения размеров аппаратуры оказывается малоперспективным, так как можно показать, что линейные размеры должны возрастать как квадрат перерабатываемой мощности, поэтому при достаточно больших мощностях все размеры становятся неосуществимо большими.

Возмущающее действие объемных зарядов является главной причиной, ограничивающей применение электронных процессов при больших мощностях. Каковы же средства борьбы с ограничивающим влиянием объемных зарядов? Этих средств два, и часто их действие очень эффективно.

Первое уже широко используется: это - компенсация объемных зарядов положительными ионами газа. Хорошо известно, что если электронный процесс идет не при высоком вакууме, то отрицательно заряженное облачко электронов пронизывается положительными ионами, которые благодаря своей большой инертности не принимают участия в динамике процесса, но своими зарядами нейтрализуют взаимное расталкивание электронов. Таким путем удается осуществить электронные процессы, в которых участвуют уже значительные мощности. На практике это осуществляется, например, в ртутных выпрямителях, тиратронах и других газонаполненных приборах.

Однако это средство имеет два существенных и неизбежных недостатка, которые в значительной степени обесценивают главные преимущества электронных процессов. Первый недостаток связан с дополнительными потерями, вызываемыми присутствием в рабочем пространстве газовых молекул, с которыми сталкиваются быстро движущиеся электроны. Второй и главный недостаток вызван тем, что присутствие посторонних ионов сильно ограничивает возможность эффективного электрического воздействия на движение электронов.

Другое средство борьбы с объемными зарядами является более действенным: это - компенсация объемных зарядов силами, вызванными движением электронов в постоянном магнитном поле. В качестве примера, иллюстрирующего механизм этого процесса, разберем один из самых простых и известных случаев компенсации магнитным полем вредного действия объемных зарядов, когда облачко электронов движется параллельно силовым линиям магнитного поля. Под влиянием объемного заряда электроны приобретают поперечные скорости, направленные перпендикулярно к магнитному полю; возникающая при этом сила Лоренца закручивает траектории электронов в плоскости, перпендикулярной к основному движению, и возвращает электроны обратно в облачко. В результате этого облачко при своем движении не расплывается и сохраняет постоянное поперечное сечение.

Фокусирующее действие постоянного магнитного поля хорошо известно и широко используется на практике для компенсации расталкивающего действия объемных зарядов. Это замечательное свойство магнитных полей проявляется и в других, более сложных случаях" когда его часто не замечают, несмотря на то, что физический механизм аналогичен только что разобранному. Магнетрон - это наиболее яркий пример прибора, в котором фокусирующее действие магнитного поля на электронный процесс реализуется в замаскированном виде.

Как известно, магнетрон генерирует колебания сверхвысоких частот, которые возбуждаются равномерным движением электронного облачка, имеющего периодическое распределение плотности зарядов. Осуществить облачко с четко очерченными границами и с высокой плотностью зарядов возможно только благодаря тому, что расталкивающие силы между электронами компенсируются участвующим в процессе постоянным магнитным полем. Это достигается процессом, который называют фазовой фокусировкой. Этим процессом объясняется исключительно большая мощность, которую удается реализовать в современных магнетронах при импульсных режимах. Известно, что она достигает сотен киловатт на квадратный сантиметр рабочей поверхности катода, вокруг которого движется электронное облачко. Правда, такая мощность подается импульсами продолжительностью не больше нескольких микросекунд, но это не меняет принципиальной стороны вопроса, так как время установления электронных процессов составляет ничтожную часть длительности импульса.

Получение таких мощностей на практике показывает, что ограничения, накладываемые объемными зарядами на электронные процессы при больших мощностях, могут сниматься, если движение электронов происходит в постоянном магнитном поле.

Законно поставить вопрос, почему до сих пор электронные процессы в магнитном поле не были использованы для развития мощной сверхвысокочастотной электротехники? Я думаю, что для этого есть три причины.

Первая причина: еще не полностью осознаны большие возможности, скрытые в электронике, для развития электротехники больших мощностей.

Вторая: проблемы, которые могут быть решены электроникой больших мощностей, не имеют еще достаточного научного обоснования.

Третья: физическая сущность явлений, происходящих в соответствующих электронных приборах, теоретически понята в недостаточной степени; не преодолены трудности, связанные с расчетом таких явлений и приборов.

Наши исследования велись с целью продвинуть разрешение этих трех вопросов как в теоретическом, так и в экспериментальном направлении.

Я считал, что самое главное - отыскать наглядный и практически легко используемый метод теоретического рассмотрения электронных процессов, происходящих в постоянном магнитном поле. Неудовлетворительность существующего теоретического уровня можно иллюстрировать методом расчета, применяемым обычно при конструировании магнетронов: после многолетней (в основном эмпирической) работы осуществляется большое количество различных магнетронов, среди них отбирают образцы с лучшими показателями; далее на основе математических формул, найденных из теории подобия, эти магнетроны могут быть пересчитаны для других условий работы; при этом они сохраняют свои основные показатели. Магнетроны, найденные таким эмпирическим путем, представляют собой хорошо работающие приборы с к. п. д., доходящим до 60-70%. Такой способ позволяет инженерам-конструкторам удовлетворять запросы радиотехники на сегодня, но, конечно, он не может привести к пониманию и использованию всех возможностей, скрытых в электронике магнетрона.

В наших исследованиях мы прежде всего стремились вскрыть механизм электронных процессов, происходящих в присутствии магнитного поля, и разработать метод их расчета. Эта задача сводится к решению уравнений движения, хотя и хорошо установленных, но достаточно сложных. До сих пор они поддавались только численному интегрированию, с помощью которого трудно выяснить физическую картину рассматриваемых явлений. Метод решения этих уравнений основан на периодичности происходящих процессов, обусловленных как постоянным магнитным полем, так и высокочастотными колебаниями. Если эту периодичность исключить математической операцией усреднения, то получается простое и достаточно точное решение, позволяющее понять физическую картину явлений и приводящее к математическим выражениям, удобным для расчетов. Траектории электронов, которые ранее находились в результате численного интегрирования, этим методом получаются в явном виде в элементарных функциях.

Мы показали, как этот метод был применен для решения различных конкретных задач электроники и как полученные результаты подтверждаются опытом. Мы подробно исследовали процессы в планотроне и магнетроне. Планотрон аналогичен магнетрону, но разница заключается в том, что магнетрон как бы замкнут сам на себя, а планотрон есть магнетрон, который разорван и развернут в плоскости, чем и объясняется данное ему название. Мы также применили наш метод к обычным многокамерным магнетронам и сравнили полученные теоретические результаты с опубликованными опытными данными.

Мы исследовали резонансное действие высокочастотно поля на круговое (ларморово) движение заряженных частиц и в связи с этим теоретически рассмотрели пооцесс разделения изотопов, использующий это действие. Расчет проводился методом усреднения и привел к количественному описанию процесса, который может иметь и другие применения.

Наконец, мы дали общий разбор других задач, пока еще весьма проблематичных, которые могли бы быть решены планотроном в электронике больших мощностей. Мы показали, как принципиально можно решить задачу передачи энергии на большие расстояния. Дело в том, что из теории следует обратимость электронных процессов в планотроне и магнетроне, поэтому они не только могут превращать, как сейчас, постоянный ток в высокочастотные колебания, но и обратно - превращать высокочастотные колебания в постоянный ток. Этим открывается возможность передавать электроэнергию по волноводам в виде волн высокой частоты.

Эти соображения имеют довольно проблематичный характер и лишь иллюстрируют то положение, что развитие электроники больших мощностей имеет важное значение для науки и техники.

Я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но ее будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики.