Генерация и усиление мультимегаваттных микросекундных свч импульсов

3.2 Исследования релятивистского карсинотрона. 110.

3.2.1 Взаимодействие умеренно релятивистского о < 2) электронного пучка с обратной пространственной гармоникой слабо гофрированного волновода. 110.

3.2.2 Конструкция и расчет релятивистского карсинотрона. 113.

3.2.3 Экспериментальные исследования релятивистского карсинотрона. 117.

3.2.4 Исследование автомодуляционных режимов в релятивистском карсинотроне. 134.

3.3 Исследование резонансных черенковских СВЧ генераторов. 140.

3.3.1 Особенности резонансных черенковских СВЧ генераторов с повышенным сечением пространства взаимодействия. 140.

3.3.2 Элементы теории релятивистских черенковских СВЧ генераторов с высокодобротными электродинамическими системами. 142.

3.3.3 Конструкция и расчет черенковского резонансного СВЧ генератора. 150.

3.3.4 Экспериментальное исследование релятивистских оротро-нов. 154.

3.4 Экспериментальное исследование релятивистского секционированного СВЧ усилителя. 161.

3.4.1 Особенности СВЧ усилителей на сильноточных релятивистских электронных пучках. 161.

3.4.2 Эксперименты с ЛБВ на замедленной волне. 164.

3.4.3 Эксперименты с ЛБВ на (+1)~ои пространственной гармонике. 170.

3.5 Заключение. 172.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ГИРОРЕЗОНАНСНЫХ СВЧ ПРИБОРОВ С РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ. 174.

4.1.1 Особенности гиротронов на релятивистском электронном пучке. 174.

4.1.2 Гиротрон на релятивистском электронном пучке с симметричной модой магнитного типа. 175.

4.1.3 Гиротрон на релятивистском электронном пучке с несимметричной модой высокого порядка. 181.

4.2 Релятивистский гироклистрон на несимметричных объемных модах высокого порядка. 198.

4.2.1 Особенности гироклистрона на интенсивном релятивистском электронном пучке. 198.

4.2.2 Элементы теории и расчет гироклистрона. 200.

4.2.3 Экспериментальное исследование 30-ГГц гироклистрона в моноимпульсном режиме. 233.

4.2.4 Экспериментальное исследование 30-ГГц гироклистрона в 243 частотном режиме.

4.3 Заключение. 255.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

257.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА. 259.

СПИСОК АВТОРСКИХ РАБОТ. 267.

Актуальность темы

диссертации. В начале семидесятых годов прошлого века возникла новая ветвь вакуумной сверхвысокочастотной электроники, основанная на применении сильноточных электронных пучков, формируемых сильноточными электронными ускорителями прямого действия со взрывоэмис-сионных катодов. В 1973 году в совместных экспериментах ФИ АН СССР и НИРФИ впервые было получено когерентное (одномодовое и одночастотное) излучение сильноточного электронного пучка с КПД 10% в релятивистском карсинотроне [1]. В последующие годы в целом ряде отечественных и зарубежных лабораторий были созданы СВЧ приборы как аналогичного, так иных типов [2,3]. Релятивистские СВЧ приборы быстро продвигались в новые диапазоны частот и наращивали выходную мощность, которая через несколько лет превысила 1 ГВт [3]. Однако длительность импульса составляла, как правило, десятки наносекунд и соответственно энергия в импульсе при гигантской мощности составляла десятки джоулей. Таким образом, с одной стороны релятивистская СВЧ электроника предлагала гигантские мощности при небольшой энергии в импульсе, а с другой стороны классическая СВЧ электроника могла обеспечить практически стационарный режим при «умеренной», в пределах нескольких мегаватт, мощности. Между этими двумя ветвями электроники существовал провал в выходных параметрах предлагаемых приборов. Между тем, для ряда важных физических и технических приложений: создания ускорителей элементарных частиц нового поколения — суперколлайдеров, радиолокации, исследований взаимодействия мощного электромагнитного излучения с плазмой и т. д. необходимы источники СВЧ излучения с выходной мощностью в несколько десятков мегаватт при длительности импульсов несколько сот наносекунд. То есть источники, мощность которых была бы ниже, чем у релятивистских, но существенно выше, чем у классических при энергии в импульсе ниже, чем у традиционных, но существенно выше, чем у релятивистских приборов. Естественно создавать такие источники, либо используя преимущества релятивистских СВЧ приборов (простота формирования электронных пучков со взры-воэмиссионных катодов), дополняя их положительными свойствами классических приборов, либо использовать преимущества классических приборов (высокая электропрочность электродинамических систем, стабильные электронные пучки), дополняя их положительными свойствами релятивистских приборов (высокие напряжения и большие токи).

В настоящей диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в НИРФИ и ИПФ РАН, по обоим указанным направлениям. Первое направление развивалось для обеспечения исследований по взаимодействию мощного электромагнитного излучения с плазмой. Второе развивалось в интересах международной программы создания электрон-позитронного суперколлайдера.

Следует заметить, что исследования по созданию эффективных мультиме-гаваттных приборов велись и ведутся как в нашей в стране, так и за рубежом: МГУ[4,5] (карсинотрон и клистрон) — ИСЭ СО РАН [6] (карсинотрон, совместно с ИПФ РАН) — ФИ РАН [7] (карсинотрон) — первое направлениеИЯФ СО РАН [8−10] (гирокон) — ФИЯФ РАН по заказу КЕК [10] (клистрон) — SLAC [11] (клистрон), Thomson Tubes [12](клистрон) — CPI [13] (гироклистрон), Мерилендский университет [14](гироклистрон), Calabasas Creek Research [15] - (многопучковый клистрон) — второе направление. На этом направлении в последнее время достигнуты впечатляющие успехи в Naval Research Laboratory, где создан маг-никон с выходной мощностью 10−20 МВт на частоте 11,4 ГГц при длительности импульса 0,2−1 мкс [16] и CPI, где создан многопучковый клистрон с выходной мощностью 10,4 МВт на частоте 1,3 ГГц при длительности импульса 1,5 мкс [17].

Целью диссертационной работы является разработка и исследование физических принципов создания мультимегаваттных источников сверхвысокочастотного излучения (автогенераторов и усилителей) с микросекундной длительностью импульса диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн, а также их экспериментальная реализация. С этой целью выявлено и предлагается решение следующих групп задач:

1. формирование, транспортировка и диагностика интенсивных электронных потоков, обеспечивающих возможность генерации и усиления мультиме-гаваттных СВЧ импульсов;

2. обеспечение эффективного селективного взаимодействия сильноточных электронных пучков с электромагнитными волнами в многомодовых электродинамических системах, предназначенных для генерации и усиления мультиме-гаваттных СВЧ импульсов диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн с микросекундной длительностью импульса;

3. исследование явлений и процессов, ограничивающих мощность и длительность излучения в мультимегаваттных микросекундных источниках СВЧ излученияразработка и применение методов подавления этих процессов.

4. создание экспериментальной базы для исследования мультимегаваттных источников СВЧ излучения с микросекундной длительностью импульса.

Научная новизна результатов исследования.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими оригинальными результатами:

• Экспериментально показана возможность генерации мультимегаваттных СВЧ импульсов с микросекундной длительностью импульса на базе взры-воэмиссионного инжектора электронов. Создан карсинотрон (релятивистская ЛОВ) с длиной волны излучения 3,2 см, выходной мощностью свыше 30 МВт при длительности импульса до 0.4 мкс. Генератор позволил впервые провести в СВЧ диапазоне исследование рассеяния Мандельштама — Бриллюэна на плазме.

• Создана теория релятивистских резонансных СВЧ генераторов. Экспериментально показано, что релятивистские оротроны, работающие как на моде шепчущей галереи ТЕ5 ] 1 резонатора кругового сечения, так и на объемной моде ТМ 1.2.1 двухзеркального резонатора, способны эффективно работать в одно-модовом и одночастотном режимах. На длине волны 2,5 см получена выходная мощность 0, ЗГВт при КПД 15%.

• Впервые экспериментально показана возможность получения высоких коэффициентов усиления в приборах черенковского типа на базе сильноточного релятивистского электронного пучка сформированного со взрывоэмиссионного катода. Создан секционированный черенковский СВЧ усилитель сантиметрового диапазона волн с выходной мощностью 100 МВт и коэффициентом усиления свыше 30 дБ.

• Создан термоэмиссионный инжектор электронов, формирующий в зависимости от величины магнитного поля, прямолинейный (400 кэВ, 400А, 1 мкс), либо винтовой (400 кэВ, 120А, 1мкс.) электронный пучок с высоким питч-фактором (§>1,2) и малым разбросом по скоростям (АУх<15%). Экспериментально подтверждено высокое качество винтового электронного пучка при токе, составляющем значительную часть ленгмюровского тока (до 0,5−0,7).

• Впервые экспериментально показана возможность сохранения высоких КПД в гиротроне и при релятивистских энергиях электронов. В гиротроне с энергией электронов 350 кэВ получена выходная мощность 20 МВт при КПД 50% на длине волны 1 см при и длительности импульса СВЧ 0,5 мкс.

• Экспериментально показана перспективность применения в гироклистро-нах резонаторов на последовательности несимметричных объемных мод высокого порядка. В релятивистском гироклистроне на последовательности мод ТЕ5.2.1-ТЕ5.3.1 получена выходная мощность 15 МВт при КПД 40% и коэффициенте усиления 30 дБ.

Практическая значимость и использование результатов работы. В диссертационной работе разработаны рекомендации по созданию мультимегаватт-ных источников СВЧ излучения с микросекундной длительностью импульса. Созданы прототипы СВЧ источников с рекордной мощностью при микросекундной длительности импульса. Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут применяться при создании высонеэффективных импульсных генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового излучения с микросекундной длительностью импульса. Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в ИПФ РАН, ОИЯИ, ИАЭ, ЗАО НЛП ГИКОМ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Плазма, возникающая на поверхностях подвергающихся интенсивной электронной бомбардировке и быстро распространяющаяся вдоль магнитного поля, инициирует сокращение длительности импульса в релятивистских источниках СВЧ излучения. Релятивистские сильноточные электронные пучки, сформированные в электронно-оптической системе, состоящей из коаксиального диода с компрессией пучка магнитным полем, а также пространственно-развитых коллиматора и коллектора, обладают достаточной стабильностью для генерации мультимегаваттных микросекундных СВЧ импульсов.

2. Сильноточные релятивистские электронные пучки, сформированные во взрывоэмиссионных инжекторах, обладают характеристиками, позволяющими реализовывать высокий (свыше ЗОдБ) коэффициент усиления в секционированных источниках СВЧ излучения черенковского типа с управляемой частотой и фазой.

3. Высокий КПД гиротронов (свыше 50%) сохраняется и при релятивистских энергиях электронов.

4. Применение в мощных гироклистронах резонаторов на последовательности несимметричных мод высокого порядка позволяет увеличить поперечное сечение пространства взаимодействия при сохранении необходимой селекции мод, что открывает новые перспективы для увеличения выходной мощности и частоты излучения СВЧ усилителей.

5. Электронно-циклотронный разряд приводит к поглощению значительной части генерируемого излучения при величине нормальной электрической компоненты СВЧ поля на стенке выходной секции гироприбора превышающей 6−7 кВ/см.

Апробация результатов. Основные результаты работы опубликованы в работах [А1-А87] и докладывались на научных семинарах НИРФИ и ИПФ РАН (1974;2011), на 8 Межвузовской конференции по электронике СВЧ, Ростов на Дону, 1976, на 3, 8. 12, 15 международных конференциях по мощным пучкам частиц (Новосибирск, Россия 1979; Новосибирск, Россия 1990; Хайфа, Израиль, 1998; Санкт — Петербург, Россия, 2004), на 2, 4−6 и 8-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» (1993; 1999; 2002; 2005; 2011;Н.Новгород) — 3,4 и 6 Всесоюзных симпозиумах по сильноточной импульсной электронике, Томск, 1978; Томск 1981; Томск, 1986.

Личный вклад автора в выполненные работы. Соискатель является полноправным соавтором представленных публикаций, будучи ведущим исполнителем или руководителем представленных работ. Автор активно участвовал в создании измерительных и вычислительных методик, численном моделировании, конструировании приборов, а также в полном объеме в осуществлении экспериментов и обработке полученных данных, проведении их анализа, подготовке текста публикаций. Значительное число соавторов обусловлено масштабом выполнявшихся работ с большим количеством участников разработки и проведением экспериментов со сложными аппаратурными комплексами, включавшими в свой состав специально разрабатываемые источники питания, программное обеспечение и т. п.

Соискатель участвовал в создании первых высокоэффективных гиротронов диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн [42А]. Автору принадлежит оптимизация параметров и адаптация для установки ТМ-3 гиротрона с длиной волны 4 мм — одного из первых приборов, специально созданных для СВЧ нагрева плазмы в установках УТС [43А, 44А].

В работах [2А-13А, 27А, 28А, 56−58А, 60А-62А, 67А] автору принадлежит постановка задач, выполнение необходимых расчетов, выработка и реализация рекомендаций по стабилизации электронных пучков микросекундной длительности, формируемых взрывоэмиссионными инжекторами, что позволило реализовать релятивистский карсинотрон с микросекундным выходным импульсом без СВЧ пробоев. Автором проведен теоретический анализ релятивистских резонансных черенковских СВЧ генераторов с повышенным сечением пространства взаимодействия [35А]. В работах [36А-37А] ему принадлежит расчет трех вариантов таких генераторов, разработка методики экспериментальных исследований и интерпретация полученных результатов. В работах [38А-40А] автору принадлежит реализация успешных экспериментов по исследованию релятивистских черенковских секционированных СВЧ усилителей, перспективных для работы с электронными пучками микросекундной длительности. Анализ полученных результатов позволил автору сделать вывод о необходимости применения в приборах с повышенными по сравнению с традиционными напряжениями технологий, принятых в промышленности (термокатоды, вакуумная гигиена и т. д.). Применение термоэмиссионного инжектора электронов позволило автору избавиться от СВЧ пробоев в релятивистском карсинотроне [29А, 30А] и провести на мегаваттном уровне мощности наблюдение автомодуляционных режимов [31А-34А].

Автору принадлежит инициатива проведения исследований гирорезонанс-ных приборов с микросекундной длительностью импульса и мультимегаватт-ной выходной мощностью. В работах [45А-55А] им осуществлены постановка задач исследований, выполнение аналитических расчетов параметров гиротро-нов и гироклистронов, проведение экспериментальных исследований и интерпретация полученных результатов.

В работах [15А, 16А, 17А-20А] автору принадлежит аналитическая часть проекта релятивистской магнетронно-инжекторной пушки на основе термокатода и практическая реализация этой пушки.

В работах [1 А, 14А, 24А] автору принадлежит разработка электронных ускорителей с микросекундной длительностью импульса. В работах [5А, 25А, 59А, 62А] автором разработана система диагностики релятивистских электронных пучков микросекундной длительности, а в работе [68А] ему принадлежит реализация калориметра, с помощью которого выполнена большая часть измерений мощности мультимегаваттных СВЧ импульсов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано около 150 работ: получено 1 авторское свидетельство на изобретение- 5 статей опубликовано в зарубежных научных журналах- 38 статей издано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов- 7 статей размещены в тематических сборниках- 38 статей в сборниках трудов конференций, 59 работ являются тезисами докладов на конференциях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы (112 наименований) и списка авторских публикаций (87 пункт). Общий объем диссертации составляет 275 страниц.

Основные результаты диссертации.

• Для исследования мощных релятивистских СВЧ генераторов и усилителей созданы сильноточные электронные ускорители с микросекундной длительностью импульса, формирующие стабильные электронные пучки с энергией электронов 400 кэВ при токе «1 кА (взрывоэмиссионный катод) и «200А (термоэмиссионные катоды).

• Экспериментально обнаружено, что поперечное расширение внешней границы электронного пучка, сформированного в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, происходит со скоростью в 2−3 раза меньшей, чем соответствующая скорость границы катодной плазмы. Показано, что коллимация внешних слоев электронного пучка с потерей не более 10% тока стабилизирует электронный пучок.

• Обнаружено, что на поверхностях, подвергающихся интенсивной электронной бомбардировке, может образовываться не прозрачная для СВЧ излуче.

8 6 ния плазма распространяющаяся со скоростью до 10 см/сек вдоль и до 10 см/сек поперек магнитного поля.

• Экспериментально достигнуто увеличение длительности СВЧ импульса до 1 мкс в релятивистском карсинотроне с частотой 7,5 ГГц и мощностью 20 МВт путем использования коаксиального диода с компрессией и коллимацией электронного пучка, а также применением пространственно развитого коллектора.

• Обнаружен эффект поглощения СВЧ излучения в выходной секции ги-роприбора электронно-циклотронным разрядом с пороговым уровнем радиальной компоненты электрического поля на стенке волновода 6−7 кВ/см при частоте излучения ЗОГГц.

• Создан секционированный усилитель черенковского типа на сильноточном релятивистском электронном пучке. На частоте 9,37 ГГц получен коэффициент усиления свыше 30 дБ при мощности 100 МВт и длительности импульса 20 не.

• Реализован модернизированный способ формирования интенсивного винтового релятивистского электронного пучка (350 кэВ, 120А) с высоким питч-фактором (1,2−1,3) при малом разбросе электронов по поперечным скоростям (10−15%) и токе, составляющем значительную часть ленгмюровского тока (до 0,5−0,7). Способ основан на быстром выводе электронов из прикатод-ной области и минимизации числа их осцилляций в переходной области магне-тронно-инжекторной пушки.

• На основе сильноточных электронных ускорителей с термокатодом созданы гиротроны с КПД 45−50% при энергии электронов 300−400 кэВ. На частоте 9,4 ГГц получена выходная мощность 7 МВт при длительности СВЧ импульса 6 мкс и на частоте 30 ГГц достигнута выходная мощность 20 МВт при длительности СВЧ импульса 0,5 мкс.

• Создан гироклистрон на последовательности резонаторов с несимметричными объемными модами высокого порядка ТЕ52-ТЕ53 на частоте ЗОГГц с выходной мощностью 15 МВт при КПД 40%, коэффициенте усиления 30 дБ, полосе усиления 50 МГц и длительности импульса 0,5 мкс. По параметру РР2=13 500 (произведению выходной мощности на квадрат частоты) прибор превосходит гироклистрон, разработанный в Университете штата Мериленд (8,6ГГц* 80 МВт=5920).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.