Методы достижения предельных значений КПД в мощных вакуумных резонансных СВЧ-приборах О-типа

Цель: разработка комплекса математических методов и программных средств для моделирования и оптимизации мощных резонансных СВЧ-приборов О-типа, проведение комплексных имитационных физико-технических исследований для выяснения условий реализации режимов предельных значений КПД в таких приборах, разработка методов, обеспечивающих достижение значений КПД, близких к предельным, рекомендаций по конструированию приборов указанного типа с максимально высоким КПД. Разработан новый класс математических моделей электронных процессов в резонансных СВЧ-приборах О-типа, названных дискретно-аналитическими и сочетающих высокую эффективность (скорость расчета на пять порядков выше, чем по универсальным численным программам) с высокой адекватностью (отличие от результатов MAGIC-моделирования в пределах 5%). Предложены: метод макрошагов, включающий методы зондирования, перебора с масштабированием и экспертную оценку промежуточных результатов и позволяющий находить глобальный экстремум алгоритмически заданной целевой функции при условиях ее многомерности, многоэкстремальности и сложной структуры области определения; комплекс программ KlypWin, обеспечивающий компьютерную реализацию дискретно-аналитической модели и метода макрошагов, а также иерархическую структуру хранения данных и удобные входной и выходной интерфейсы. Исследованы условия реализации предельных значений КПД в резонансных СВЧ-приборах клистронного типа. Показано, что максимальный КПД достигается при условии максимальной насыщенности сгустка при реализации одного из трех режимов группировки, названных COM, COM2 и CSM. Показано что в СВЧ-приборах с модуляцией эмиссии возможно сочетание высоких значений КПД с высокими значениями коэффициента усиления в рамках нового класса приборов, включающих регенерацию СВЧ-энергии во входном контуре. Такие приборы названы резотродами. Смоделированы несколько вариантов перспективных конструкций клистронов и резотродов с КПД около 90% для использования в системах Большого адронного коллайдера (LHC), перспективных сверхмощных кольцевого коллайдера (FCC) и линейного коллайдера (CLiC) и др.