Электроника больших мощностей
Академик П. Л. Капица
Хотя электронными процессами все шире и шире пользуются в современной электротехнике, но 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.), в кибернетике (автоматика, счетно-решающие устройства, стабилизаторы и др.), в связи (радио, телевидение, радиолокация и т. д.). Однако применение электроники сверхвысоких частот для решения энергетических проблем находится еще в начальной стадии.
Эту область применения электроники я назвал «электроникой больших мощностей». Данное название, конечно, является условным, так как невозможно установить границу, где начинаются «большие мощности». Поэтому под электроникой больших мощностей, мне думается, следует понимать тот отдел электротехники, в котором электроника сверхвысоких частот используется для получения непосредственного энергетического эффекта, то есть 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 электротехники. 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 генерирования 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...
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 инертность 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 электрона 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. Это возможно потому, 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 пер если и используются в энергетике, то только для решения второстепенных задач.
Почему это происходит? Может быть, энергетике не нужны быстро протекающие процессы? Так думать было бы неверно. Электроника больших мощностей может решить ряд важнейших, еще не решенных проблем электротехники, 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 лучков 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, и хотя на первый взгляд они кажутся незначительными, на самом деле они пока 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, и этим 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 так возрасти, что при увеличении мощности характер движения электронов полностью нарушится. 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 пропорционально квадрату перерабатываемой мощности; поэтому при достаточно больших мощностях все размеры становятся неосуществимо большими.
Возмущающие действия объемных зарядов являются 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 использовано 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.
Второе 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 магнитному полю; возникающая при этом сила Лоренца закручивает траектории электронов в плоскости, перпендикулярной 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. Как известно, она достигает сотен киловатт на квадратный сантиметр рабочей поверхности катода, вокруг которого движется электронное облачко...
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 этому 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...
В заключение я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и др.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но ее будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики.
(Из книги П. Л. Капица «Электроника больших мощностей». Издательство Академии наук СССР, Москва, 1962 г.)
Магнетрон — электронный прибор, который применяется для генерации электромагнитных колебаний сверхвысокочастотного диапазона (длина волны порядка нескольких сантиметров).
На катод магнетрона подается большой отрицательный потенциал. Роль колебательных контуров, необходимых при генерации сверхвысоких частот, играют объемные резонаторы-цилиндрические отверстия, просверленные в массивном медном аноде. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси катода.
Электроны, вылетающие из катода, искривляют свой путь под действием силы Лоренца. Магнитное поле подбирается таким образом, чтобы траектория электрона почти касалась анода.
В объемных резонаторах всегда существуют малые начальные электромагнитные колебания за счет нерегулярности электронных траекторий и случайных толчков электромагнитного поля. Из-за этих колебаний около щелей резонаторов существуют переменные электрические поля. Электроны.) пролетающие мимо щелей, либо ускоряются этими полями, забирая у резонаторов энергию либо замедляют движение, отдавая в этом случае свою энергию (в виде электромагнитного излучения) объемным резонаторам. В среднем электроны больше отдают свою энергию объемным резонаторам, чем забирают от них.
При установившемся режиме генерации электронное облачко не распределено равномерно в рабочем пространстве между анодом и катодом, а образует сгустки, которые П. Л. Капица назвал электронными язычками.
На схеме 1 и 1ʹ — два электрона, выходящие из катода. Электрон 1 ускоряется электромагнитным полем вблизи резонатора, и возвращается на катод, а электрон 1ʹ замедляется полем вблизи резонатора В и уже не может вернуться на катод. Он движется к аноду, отдавая резонаторам свою энергию.
Ω-угловая скорость вращения электронных язычков.
Высокочастотную энергию нельзя передавать по проводам. Дело в том, что при высоких частотах ток течет не по всему проводнику, а в очень тонком поверхностном слое. Сопротивление этого тонкого слоя велико, поэтому большая часть передаваемой мощности тратится на нагрев проводника, что приводит к большим потерям. Кроме того, при уменьшении длины волны большая часть энергии переменного тока тратится на излучение. Если длина волны становится сравнима с размерами проводника, то он начинает работать как антенна. (Для обычного пятидесятипериодного переменного тока длина электромагнитной волны равна 6 000 км. Поэтому при передаче электрического тока даже на тысячу километров потери на излучение малы.)
Высокочастотную энергию можно передавать по волноводам — металлическим трубам. Они могут быть круглого или прямоугольного сечения. Высокочастотная энергия распространяется по волноводам в виде электромагнитного поля по всему сечению. Стенки волновода играют роль рельсов.
На рисунке изображены два возможных вида электрических и магнитных полей в волноводе круглого сечения. Сплошными линиями показано электрическое поле, пунктирными-магнитное, стрелками указано направление векторов напряженности этих полей.
Читайте в любое время
