Desenvolvimento de ferramenta computacional para projeto de canh??es de el??trons com grade e shadow-grid, PPM e coletores aplicados em v??lvulas de micro-ondas de pot??ncia e caracteriza????o experimental

• Autor(a) principal: XAVIER, CESAR C.
• Data de Publicação: 2010
• Tipo de documento: Tese
• Título da fonte: Repositório Institucional do IPEN
• Texto Completo: http://repositorio.ipen.br/handle/123456789/10019
• topic: electron guns; electron beams; permanent magnets; finite element method; microwave radiation; computerized simulation

Neste trabalho analisa-se o problema do transporte do feixe de el??trons em canh??es de el??trons, estruturas peri??dicas de ??m??s permanentes e em coletores de simples e m??ltiplos est??gios. Essa an??lise ?? de relev??ncia em projetos de dispositivos de micro-ondas de pot??ncia dos tipos amplicador klystron e v??lvula TWT. Determina-se a din??mica das part??culas a partir da solu????o da equa????o da trajet??ria que ?? derivada da for??a de Lorentz e da conserva????o de energia. A equa????o da trajet??ria obtida ?? diferencial de segunda ordem, n??o-linear e independentemente do tempo para o potencial generalizado. Utiliza-se o m??todo de Runge-Kutta de 4a Ordem para integrar a equa????o da trajet??ria das part??culas. Obt??m-se o potencial escalar el??trico a partir da solu????o da equa????o de Poisson. Numericamente, obt??m-se os po- tenciais escalares el??tricos e magn??ticos, por meio do M??todo de Elementos Finitos (MEF). Ao longo do movimento de uma part??cula, obtida a partir da solu????o da equa????o da trajet??ria, deposita-se carga el??trica. Utilizam-se macropart??culas, uma vez que ?? praticamente imposs??vel modelar cada part??cula do problema, a partir do m??todo Part??cula na C??lula (Particle in Cell - PIC). Neste caso, tem-se um problema acoplado para o potencial escalar el??trico e as trajet??rias das macropart??culas, uma vez que, as trajet??rias das macropart??culas dependem dos potenciais e estes, por sua vez, dependem das trajet??rias. ?? converg??ncia deste problema acoplado utiliza-se o M??todo das Aproxima????es Sucessivas (MAS). A plataforma desenvolvida, baseada nos m??todos acima, comp??e-se de duas ferramentas computacionais. A primeira, XMGUN, dedica-se ao projeto de: canh??es de el??trons com grades e grades de sombreamento; e coletores de simples e m??ltiplos est??gios considerando, ainda, a emiss??o de el??trons secund??rios. A segunda, XMAGUN, volta-se ao projeto de estruturas peri??dicas com ??m??s permanentes. Afere-se o desempenho da ferramenta computacional XMGUN com o diodo plano de Pierce operando na condi????o em que a corrente ?? limitada pelas cargas espaciais. Por sua vez, verica-se o desempenho do XMAGUN por meio de simula????es com estruturas do tipo PPM separadas pelo v??cuo e na presen??a de pole pieces. Os resultados obtidos em todas as simula????es convergiram satisfatoriamente para as solu????es anal??ticas. Utilizando o XMGUN, projeta-se um canh??o de el??trons com 30 kV de tens??o de anodo e uma perve??ncia de 1,37 Perv com capacidade de fornecer uma corrente el??trica de 7,1 A. Esse canh??o tem uma malha com 2796 elementos e 5057 n??s. As principais caracter??sticas geom??tricas do canh??o de el??trons s??o: raio do catodo rc=14,6 mm; raio do disco do catodo rk =6,2 mm; e ??ngulo do eletrodo de focaliza????o = 37. Neste caso, a velocidade transversal normalizada e o alcance do feixe zw observados s??o de 0,068 e 26,88 mm respectivamente. Obt??m-se uma concord??ncia superior a 93% em corrente e perve??ncia com o EGUN. Utilizando, ainda, o XMGUN, s??o simulados coletores de simples e m??ltiplos est??gios. O coletor de simples est??gio apresenta 1612 n??s e 2969 elementos, e o de 4 (quatro) est??gios, 2496 n??s e 4257 elementos. As tens??es dos eletrodos do 1o, 2o, 3o e 4o est??gio s??o de 9,45 kV, 8,65 kV, 6,45 kV e 3,45 kV respectivamente. Durante as simula????es, devido ?? emiss??o de el??trons secund??rios, observa-se, para o coletor de simples est??gio, macropart??culas penetrando na regi??o de deriva, fen??meno este indesejado, e n??o observado para o coletor de 4 (quatro) est??gios. Considerando o XMAGUN, projeta-se um arranjo peri??dico com pole pieces e 5 (cinco) ??m??s permanentes, capaz de fornecer um campo magn??tico, no centro da estrutura, de 0,42 T. Neste caso, a geometria do arranjo peri??dico obtida ??: raio interno rm1 e externo rm2 do ??m?? permanente s??o iguais a 3,5 mm e 7,5 mm respectivamente; raio externo do pole piece r3 = 7,5 mm ; raio interno rf1 e externo rf2 da ponteira do pole piece s??o 1,6 mm e 3,05 mm respectivamente; espessura do ??m?? permanente T=2,95 mm; per??odo magn??tico L =8,5 mm. A reman??ncia do ??m?? permanente utilizada ?? de Br=0,85 T. A malha dessa estrutura peri??dica magn??tica apresenta pouco mais de 20.000 n??s e 40.000 elementos.