Генерация и усиление мультимегаваттных микросекундных СВЧ импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

О1

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВ Николай Иванович

ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ МУЛЬТИМЕГАВАТТНЫХ МИКРОСЕКУНДНЫХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 2 МДР 2072

Нижний Новгород, 2012

005015442

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Г.Г. Соминский

доктор технических наук М.И. Яландин

доктор физико-математических наук Г.Г. Денисов

Ведущая организация: Институт общей физики РАН

Защита состоится «19 » марта 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д002.069.02 при Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан « /<7> февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 взрывоэмиссионными катодами. 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 и других 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 сотен киловатт, мощности. 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 взрывоэмиссионных 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).

Следует заметить, что исследования по созданию эффективных мульти-мегаватгных приборов велись и ведутся как в нашей в стране, так и за рубежом. В МГУ [4, 5] (карсинотрон и клистрон); ИСЭ СО РАН [6] (карсино-трон, совместно с ИПФ РАН); ФИ РАН [7] (карсинотрон) - первое направ-

ление; ИЯФ 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 магникон 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 мультимегаваттных СВЧ импульсов;

2) обеспечение эффективного селективного взаимодействия сильноточных электронных пучков с электромагнитными волнами в много-модовых электродинамических системах, предназначенных для генерации и усиления мультимегаваттных 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 излучения; разработка и применение методов подавления этих процессов.

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

Научная новизна результатов исследования определяется следующими оригинальными результатами:

• Экспериментально показана возможность генерации мультимегаваттных СВЧ импульсов с микросекундной длительностью импульса на базе взрывоэмиссионного инжектора электронов. Создан карсинотрон (релятивистская лампа обратной волны - JIOB) с длиной волны излучения 3,2 см и выходной мощностью свыше 30 МВт при длительности импульса до 0,4 мкс. Генератор позволил впервые провести в СВЧ диапазоне исследование рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в плазме.

• Создана теория релятивистских резонансных СВЧ генераторов. Экспериментально показано, что релятивистские оротроны, работающие как на моде шепчущей галереи ТЕ5, | резонатора кругового сечения, так и на объемной моде ТМ,.2.1 двухзеркального резонатора, способны эффективно работать в одномодовом 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 ведущего магнитного поля, либо прямолинейный (400 кэВ, 400А, 1 мкс), либо винтовой (400 кэВ, 120 А, 1 мкс) электронный пучок с высоким питч-фактором (я > 1,2) и малым разбросом по скоростям (ДУх/Ул.<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 гиро-троне 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 гироклис-тронах резонаторов на последовательности несимметричных объемных мод высокого порядка. В релятивистском гироклистроне на последовательности мод TE5 2.rTE5.31 получена выходная мощность 15 МВт при КПД 40% и коэффициенте усиления 30 дБ.

Практическая значимость диссертационной работы.

В диссертационной работе даны рекомендации по созданию мультиме-гаваттных 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 высокоэффективных импульсных генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового излучения.

Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в ИПФ РАН, ОИЯИ, ИАЭ, ЗАО НПП ГИКОМ, ИОФ РАН.

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 30 дБ) 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 объемных 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 в выходной секции гироприбора способен поглощать значительную часть выходного излучения.

Публикации и апробация результатов.

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.

Основные результаты работы опубликованы в работах [А2-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.

6

Личный вклад автора в выполненные работы.

Соискатель является полноправным соавтором представленных публикаций, будучи ведущим исполнителем или руководителем представленных работ. Он активно участвовал в численном моделировании и конструировании СВЧ приборов, разработке и проведении экспериментов, обработке полученных данных, в проведении их анализа; ему принадлежит разработка и создание ряда измерительных и вычислительных методик. 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 гиро-тронов 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, 56А-58А, 60А-62А, 67А]. автору принадлежит постановка задач, выполнение необходимых расчетов, выработка и реализация рекомендаций по стабилизации электронных пучков микросекундной длительности, формируемых взрывоэмиссионными инжекторами. Автором реализован релятивистский карсинотрон с микросекундным выходным импульсом при мультимегаваттной мощности. 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. Автору принадлежит инициатива «возврата» к термоэмиссионным инжекторам электронов на базе которых в релятивистском карсинотроне реализован режим без СВЧ пробоев [29А, ЗОА] и проведено на мегаваттном уровне мощности наблюдение автомодуляционных режимов [31А-34А].

Автору принадлежит инициатива проведения исследований гирорезо-нансных приборов с микросекундной длительностью импульса и мультимегаваттной выходной мощностью. В работах [45А-55А] им осуществлень1 постановка задач исследований, выполнение аналитических расчетов параметров гиротронов 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 [1А, 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 мультимегаватгных СВЧ импульсов.

Структура и объём диссертации

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

Краткое содержание диссертации

Во введении сформулирована цель работы и постановка задачи, обоснована актуальность темы. Дано аннотированное изложение диссертации по главам.

В первой главе рассматриваются вопросы формирования, диагностики, транспортировки и осаждения на коллектор релятивистских электронных пучков микросекундной длительности в системах со взрывоэмиссионными катодами с точки зрения их применимости в мощных СВЧ генераторах и усилителях.

В ц. 1.1 дана постановка задачи по формированию интенсивных электронных пучков микросекундной длительности с качеством, приемлемым для получения высоких КПД в СВЧ приборах. Приведены параметры трех экспериментальных стендов, специально созданных для проведения исследований в рамках диссертации (таблица 1.).

Таблица 1. Основные параметры электронных ускорителей ИПФ РАН с микросекундной длительностью импульса

Название Напряжение (кВ) Ток (А) Тактовая частота (Гц) Длительность импульса (мкс) Тип электронного пучка Тип катода

«Сатурн» 400 200 0 1-3 Прямолинейный Взрывоэмисси-онный

Сатурн Т» 350 400 / 200 0 0,5-8 Прямолинейный/ винтовой Термоэмиссионный

Сатурн Г» 450 200 1-10 0,5-1 Винтовой Термоэмиссионный

Рассмотрена специфика формирования релятивистских электронных пучков с микросекундной длительностью в системах с взрывоэмиссионными катодами. Возможность формирования микросекундных релятивистских электронных пучков (РЭП) была продемонстрирована Рпс1тап М. и игу М.[18], однако применимость таких пучков в СВЧ приборах подразумевает достаточную стабильность пространственно-временных характеристик в течение всего импульса. Изменение геометрии электронного пучка не должно приводить к значительному изменению связи пучка с синхронной гармоникой электродинамической системы и, конечно же, к значительным потерям тока. Для получения экспериментальных данных по динамике электронного пучка был создан электронный ускоритель, описанный в п. 1.2. С переходом от наносекундных к микросекундным импульсам падает электропрочность всех видов изоляции, следовательно, растут габариты установок. Но при этом упрощается задача формирования высоковольтных импульсов. В созданной установке впервые для формирования микросекундных высоковольтных импульсов применена одноконтурная формирующая линия с сосредоточенными параметрами [1А].

В п. 1.3 приведены экспериментальные результаты по исследованию катодной плазмы и электронного пучка, сформированного в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией (КДМИ). Приведены зависимости времени коммутации КДМИ с катодом в однородном магнитном поле от приложенного напряжения и величины ведущего магнитного поля. С помощью токовых диагностик выяснено, что внешняя граница электронного пучка расширяется со средней скоростью (их = 4*105 см/с), примерно вдвое меньшей, чем скорость расширения катодной плазмы ((0,6 -1)*10 см/с). "Мгновенная" скорость расширения внешней границе РЭП поперек магнитного поля изменяется в течение импульса. Эта скорость достигала 0,4*106 см/с примерно через 0,8 мкс от на-

чала импульса и нарастала при / =1,1 мкс до их= 1,8*106см/с [2А]. Скорость расширения границы пучка растет с ростом напряжения на катоде (и тока). Поскольку основная эмиссия электронов происходит не с внешней (по радиусу) кромки плазмокатода, была установлена возможность фиксации внешней границы пучка с помощью коллимирующей диафрагмы без существенных потерь тока, т. е. возможность введения РЭП без существенных потерь в канал с диаметром, меньшим диаметра анода. Продольная скорость наиболее быстрой и потому наиболее важной для СВЧ прибора фракции катодной плазмы не изменялась вдоль канала транспортировки и составляла (3-5)*106см/с и (7-11)*10б см/с при напряжениях на диоде 200 кВ и 300 кВ соответственно [ЗА]. Значительное снижение продольной скорости катодной плазмы (почти на порядок) отмечено (как токовыми, так и рентгеновскими диагностиками [4А]) в КДМИ с катодом в ослабленном магнитном поле. В этой системе плазма расширяется в большей степени в сторону катододержателя, чем в сторону канала дрейфа, поскольку происходит ее торможение магнитной пробкой [5А, 6А]. Поперечная скорость расширения границы основной фракции электронного пучка в системе с катодом в ослабленном магнитном в несколько раз ниже, чем в системе с катодом в однородном поле. Обнаружена азимутальная неоднородность в периферийных слоях электронного пучка, приводящая к дополнительному расширению пучка из-за неустойчивости конвективного типа. Срезанием диафрагмой внешних слоев пучка, несущих не более 10% от полного тока эта неустойчивость подавляется [7А].

В п. 1.4 приведены экспериментальные результаты по исследованию динамики коллекторной плазмы. При бомбардировке электронами металлических элементов возникает плазма (особенно охотно в неотпаянных системах). Выяснено, что коллекторная плазма представляет значительную проблему при реализации микросекундных источников СВЧ излучения [1А, 2А] . Необходимо либо предотвратить ее возникновение, либо задержать момент образования. При этом следует учитывать следующие факторы:

• плазма, возникающая на коллекторе мощного СВЧ источника, приводит сначала к переизлучению рабочей моды в паразитные, а затем инициирует СВЧ пробой в электродинамической системе [8А];

• скорость распространения плазмы вдоль выходного волновода зависит от мощности канализируемого СВЧ излучения [9А];

• плазма образуется на поверхности коллектора путем ионизации десор-бированных с поверхности и из пор металла высокомолекулярных соединений, обусловленных несовершенством вакуумной откачки [19];

• десорбция поверхностного слоя молекул носит ударный характер, а десорбция из пор - тепловой, отсюда следуют и различные значения порога удельного энерговыделения в поверхностном слое коллектора для образования плазмы [1А];

• коллекторная плазма служит источником положительных ионов, ускоряющихся в поле провисания потенциала электронного пучка. Зарегистрирована скорость ионов, до 108 см/сек [10А].

Выяснено, что потоки ионов из коллекторной плазмы и электроны, упруго отраженные от поверхности коллектора могут оказывать существенное влияние на параметры сформированного в КДМИ электронного пучка [11А-13А]. Потоки упруго отраженных электронов способны также вносить нежелательную обратную связь в усилительных системах.

В п. 1.5 сделаны выводы - рекомендации по применению РЭП, сформированного в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией. В соответствии с этими рекомендациями для генерации микросекундных импульсов необходимо использовать РЭП, сформированный в КДМИ с катодом в неоднородном магнитном поле с использованием коллимирующих пучок устройств и развитого коллектора. В 3-х сантиметровом диапазоне длин волн целесообразно ограничиться токами в пределах 1-2 кА.

Глава 2 посвящена вопросам формирования и диагностики релятивистских микросекундных электронных пучков, сформированных с термоэмиссионных катодов, с параметрами необходимыми для генерации и усиления мультимегаватгных микросекундных СВЧ импульсов.

В п. 2.1 дано обоснование «возврата» к термоэмиссионным инжекторам электронов. Эксперименты по генерации СВЧ излучения на основе РЭП, сформированных со взрывоэмиссионных катодов, показали, что получение микросекундной длительности СВЧ импульсов возможно лишь при ограничении генерируемой мощности и соответственно мощности электронного пучка на уровне, который может быть обеспечен термоэмиссионными инжекторами электронов. Эти инжекторы, конечно, существенно сложнее взрывоэмиссионных инжекторов (требуют сложного подогревателя и системы его питания), но могут обеспечить вакуумные условия и чистоту поверхности электродинамических систем, а значит, и максимальную их устойчивость к СВЧ пробоям, достигнутую в мощных классических СВЧ приборах.

П. 2.2.1 содержит описание моноимпульсного электронного ускорителя с термокатодом, формирующего в зависимости от величины ведущего магнитного поля, либо прямолинейный с током до 400 А, либо винтовой электронный пучок с током до 200 А, при энергии 350 кэВ и длительности импульса 1-10 мкс[14А].

В п. 2.2.2 рассмотрены особенности сильноточных магнетронно-инжекторных пушек с термокатодом. Плотность тока эмиссии термокатодов в зависимости от длительности импульса и материала катода варьируется в широких пределах (1-100) А/см2 и на много порядков меньше плотности тока взрывоэмиссионных катодов. Поэтому для получения интенсивного РЭП необходимы катоды больших размеров. При этом для получения

11

необходимого диаметра пучка в канале транспортировки приходится применять большую его компрессию. Другая особенность сильноточных систем с термокатодом состоит в выборе режима работы. Вследствие ограниченной эмиссионной способности термокатодов для уменьшения компрессии потока целесообразно отбирать весь термоток.

При конструировании сильноточных магнетронно-инжекторных систем необходимо учитывать также увеличение пространственного заряда над эмитирующим пояском, обусловленное наличием многократных осцилля-ций электронов над ним. При повышении тока пучка происходят запирание электронов, вылетевших с участка эмиттера ближнего к каналу транспортировки быстрее, чем с дальнего участка в результате накопления над ним объемного заряда. Для ослабления указанного эффекта необходимо увеличивать продольную компоненту электрического поля и тем самым продольную скорость сноса электронов с эмиттера. Это может достигаться следующими способами: за счет установки дополнительного фокусирующего электрода за кромкой эмиттера; увеличением угла наклона катода к оси системы; приближением (в допустимых пределах, определяемых пробойным значением электрического поля) к катоду канала транспортировки. Приведенные соображения были учтены при выборе конфигурации электродов для электронной пушки в траекторном анализе [15А-16А].

В п. 2.2.3 приведены расчетные параметры и результаты экспериментального исследования электронной пушки в режиме формирования прямолинейного потока электронов. В процессе численного моделирования путем подбора конфигурации электродов пушки, конфигурации ведущего магнитного поля, распределения потенциалов получены следующие проектные параметры: напряжение на первом аноде относительно катода 200 кВ, напряжение на катоде 500 кВ, ток 500 А, ведущее магнитное поле 50 кЭ, наклон катода к оси \|/ = 50°, радиус катода ^ = 5 см, плотность тока на эмиттере < 10 А/см2. При токе 500 А перепад электрического поля на эмиттере составлял от 26 кВ/см до 31 кВ/см при этом относительная поперечная скорость электронов р± = 0,07, соответственно продольная рц = 0,86, др^ = = 0,036, Др|Г 0,003.

В пушке использовался катод с импрегнированным алюминатно-бариевым эмиттером, вольтамперная характеристика которого хорошо соответствовала закону 3/2 во всем диапазоне напряжений. Максимальный ток составил 440 А при напряжении 410 кВ и номинальной температуре эмиттера 1050-1150 °С. Остальные параметры электронного пучка также получены близкими к расчетным параметрам [17А]. Эта электронная пушка использовалась также для формирования винтового электронного пучка (ВЭП) - п. 2.2.4. В таком режиме уменьшалась величина ведущего магнитного поля, а напряжение на первом аноде подбиралось для получения необходимой осцилляторной скорости электронов [18А, 19А]. Приведены ре-

зультаты исследования в рабочих режимах влияния отраженных от магнитного зеркала электронов на формирование электронного пучка [20А]. Работа проведена с помощью магнитного анализатора [21А-23А].

П. 2.3.1. содержит описание 450 кэВ, 200 А микросекундного электронного ускорителя с тактовой частотой до 10 Гц [24А].

Как и предыдущая установка, ускоритель имеет безмасляную систему вакуумной откачки и прогреваемый до 500 °С канал транспортировки электронного пучка, что обеспечивает вакуумные условия, приближающиеся к условиям в промышленных приборах. Моноимпульсный ускоритель запи-тывался от высоковольтного источника в виде генератора импульсного напряжения с емкостным накопителем и формирующей линией.

Ускоритель с тактовой частотой запитывался через импульсный трансформатор. Ограничение на тактовую частоту (10 Гц) обусловлено разумным весом и стоимостью биологической защиты.

В п. 2.3.2 и 2.3.3 приведены соответственно результаты расчетов и тестирования электронной пушки специально спроектированной для исследования гирорезонансных приборов. Основное отличие от предыдущей модификации пушки заключается в конфигурации промежуточного анода, обеспечившей полное запирание тока при отрицательном потенциале относительно катода на этом электроде не более 1 кВ.

Пушка (рис. 1) рассчитана на получение ВЭП с параметрами: энергия электронов - 450 кэВ, ток - 200 А, питч-фактор - 1,3.

Рис. 1. Схема трехэлектродной электронной пушки. Пунктиром обозначено распределение ведущего магнитного поля (1 - катод, 2 - первый анод, 3 - второй анод).

Максимальный ток, полученный с гексаборид-лантанового эмиттера, не превышал 70 А (плотность тока на эмиттере 4 А/см2) при максимально реализованной мощности накала. В этих режимах происходила деформация спирали подогревателя с последующим закорачиванием на корпус катода. Поэтому дальнейшие эксперименты велись с низкотемпературным алюми-натно-бариевым эмиттером, с которым были получены расчетные параметры пучка. Азимутальная неоднородность нагрева эмиттера при рабочей

температуре не превышала 12 °С. Разброс электронов по скоростям в сформированном электронном потоке в значительной степени зависит от однородности эмиттера. Контроль однородности алюминатно-бариевого эмиттера велся с помощью электронного микроскопа. Исследовалась структура поверхности и ее элементный состав (на основе спектрального анализа) новых эмиттеров и эмиттеров в конце срока службы. По форме и частоте эмитирующих пор и наличию бария в них можно судить о качестве катода и его пригодности. Азимутальная неоднородность электронного пучка, измеренная методом составной диафрагмы [24А] не превышала 20%. Для анализа ВЭП в реальных режимах использован магнитный анализатор, в котором сепарация электронов по скоростям осуществляется адиабатически нарастающим по ходу пучка магнитным полем [25А].

Коллектор электронов создавался с учетом многократного переотражения электронов от его поверхности [26А], что сильно расширяет след пучка в сторону убывания магнитного поля. Этот эффект необходимо учитывать и при конструировании выходного СВЧ окна.

Глава 3 посвящена исследованиям приборов черенковского типа. Первые этапы работ по генерации мультимегаваттных микросекундных СВЧ импульсов излучения выполнены с релятивистским карсинотроном [1]. Существенно, что электродинамическая система карсинотрона имеет достаточно большое поперечное сечение, что позволяло ожидать достаточно высокую устойчивость ее к СВЧ пробою. Применение сильноточного РЭП микросекундной длительности в СВЧ приборе может осложняться из-за катодной и коллекторной плазмы, заполняющей канал транспортировки с высокими продольной ~108 см/с и поперечной ~106 см/с скоростями. Поэтому было целесообразно на первом этапе исследований остановиться на известном приборе, который, по крайней мере в режиме коротких импульсов работает безотказно [1]. С учетом рекомендаций, изложенных в первой главе, генератор был рассчитан на относительно низкие параметры электронного пучка: энергия электронов е ~ 400 кэВ; ток 1 кА (п. 3.2.13.2.3). Выполнены экспериментальные исследования карсинотрона как в короткоимпульсном (длительность импульса т < 100 не.) [1А, 27А], так и в длинноимпульсном (т ~ 1 мке, рис. 2) режимах (п. 3.2.3) [1А, 28А]. Получена длительность СВЧ генерации около одной микросекунды на длине волны

~ 4 см при уровне выходной мощности в несколько десятков мегаватт (рис. 3, п. 3.2.3).

Рис. 2. Схема эксперимента с карсинотроном в режиме микросекундных импульсов: 1 - катод, 2 - анод, 3, б -соленоиды, 4 - диафрагма, 5 - электродинамическая система, 7 - зеркало, 8 - вакуумное окно.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения на КДМИ (а) и огибающей СВЧ импульсов при различной компрессии (а = Н/Нк) электронного пучка: 6) а = 3; в) а = 3,6; г) а = 4,8 (карсинотрон на длину волны 4 см).

Проведенные исследования продемонстрировали необходимость увеличения адаптивности электродинамических систем к СВЧ пробою. Эта задача решалась двумя путями. Первый основан на технологических решениях: применении высоковакуумных материалов, безмасляной системы вакуумной откачки и термокатодов. Релятивистская лампа обратной волны (ЛОВ) с электродинамической системой из бескислородной меди прогревалась до 400 °С. Электронный пучок формировался в пушке с термокатодом. В этих

условиях на частоте 8,9 ГГц была получена выходная мощность 5 МВт при длительности импульса 8 мкс, равной длительности питающего напряжения (п. 3.2.4) [29А]. Мощность, по-видимому, ограничивалась вторичным электронным разрядом, а не СВЧ пробоем [ЗОА]. Удлиненный вариант этой ЛОВ использован для исследования нелинейной динамики ЛОВ как распределенной системы (п. 3.5). В эксперименте были реализованы все возможные режимы от стационарной генерации до хаотической автомодуляции при уровне мощности до 2 МВт [31А-35А].

На втором пути предполагалось добиться успеха за счет снижения высокочастотных полей на стенках электродинамических систем путем увеличения сечения пространства взаимодействия и/ или его секционирования -п. 3.3. Для этой цели было выполнено теоретическое исследование резонансных черенковских СВЧ генераторов (п. 3.3.1, 3.3.2) [35А], спроектированы (п. 3.3.3) и исследованы три варианта релятивистских оротронов (п. 3.3.4). Эти варианты отличались методами селекции мод по поперечному индексу. Все три генератора работали в одночастотном и одномодовом режиме с выходной мощность в несколько сот мегаватт [1А, 36А, 37А].

Оротроны могут использоваться и как автогенераторы и как высокоселективные входные секции секционированных усилителей.

В п. 3.4. приведены результаты исследований двух вариантов трехсекци-онных СВЧ усилителей. Рассмотрены особенности СВЧ усилителей на сильноточных релятивистских пучках (п. 3.4.1). Поскольку эмиссия электронов происходит в процессе взрыва, естественно было предположить наличие большой шумовой составляющей в электронном потоке. Для сужения полосы усиления пространство взаимодействия было секционировано: лампа обратной волны (ЛОВ) - ввод мощности - лампа бегущей волны (ЛЕВ), рис. 4. Причем входная секция работала в режиме регенеративного усиления. В этом усилителе впервые был получен коэффициент усиления свыше 30 дБ при выходной мощности 100 МВт (п. 3.4.2) [38А].

Рис. 4. Фотография электродинамической системы черенковского усилителя

Стабильность фазы выходного излучения усилителя проверена интерференционным методом. Повторяемость интерференционной картины в дальней зоне от двух идентичных усилителей и сдвиг интерференционных полос в зависимости от разности фаз во входных каналах усилителей показали пригодность усилителей для практических применений [39А], рис. 5.

а б

Рис. 5. Свечение табло под действием излучения от двух каналов усиления (а) и одного (б).

Наиболее интересен с точки зрения возможных применений усилитель с ЛБВ на + 1ой пространственной гармоникой. Для ее реализации необходима небольшая глубина гофрировки боковой поверхности и ее электропрочность приближается к электропрочности гладкого волновода [40А] (п. 3.4.3). Реализация такого усилителя подразумевала наличие тока свыше 1 кА. На такой ток была спроектирована и практически изготовлена квази-пирсовская пушка с термокатодом [41 А]. Однако недостаток средств не позволил довести до финиша изготовление катода большого диаметра. Проведенные эксперименты позволили сделать следующие выводы [п. 3.5]:

• на основе электронных пучков, полученных со взрывоэмиссионных катодов, возможно получение микросекундных СВЧ импульсов в диапазоне сантиметровых волн с мощностью несколько десятков мегаватт;

• среди черенковских СВЧ приборов наиболее перспективен секционированный усилитель с выходной секцией на +Г" пространственной гармонике слабогофрированного круглого волновода, имеющего электропрочность близкую к электропрочности гладкого волновода;

• мощность микросекундных импульсов излучения в релятивистском карсинотроне ограничивается СВЧ пробоем в замедляющей системе при параметрах электронного пучка, которые могут быть обеспечены термокатодами;

• для повышения мощности целесообразен переход к приборам, не требующим замедления рабочей волны (убитронам и гиротронам).

Следует отметить, что убитрон для своей реализации требует не менее сложной электронно-оптической системы, чем гиротрон, и пока дает меньший КПД. С учетом наличия опыта, полученного при создании классических гиротронов [42А-44А], предпочтение в дальнейших исследованиях было отдано гироприборам.

Глава 4 посвящена исследованию гиротронов и гироклистронов на релятивистском электронном пучке.

В настоящее время гиротроны являются наиболее эффективными источниками мощного излучения миллиметрового диапазона. Так на частоте 170 ГГц получена мощность излучения свыше 1 МВт в непрерывном режиме работы [20-21]. Однако потенциальные возможности этих приборов как по уровню мощности излучения, так и по рабочим диапазонам, где эти приборы могут быть конкурентоспособны, далеко не исчерпаны. Очевидно, что повышение энергии электронов - наиболее действенный способ повышения мощности гиротронов, так как наращивание тока пучка ограничено эффектами пространственного заряда. При этом для поддержания величины КПД на достаточно высоком уровне целесообразно уменьшать длину пространства взаимодействия, расширяя тем самым ширину полосы циклотронного резонанса и усложняя задачу селекции мод (п. 4.1.1). Работа выполнена в два этапа. Главной целью первого было исследование принципиальной возможности получения высоких КПД при релятивистских энергиях электронов (п. 4.1.2). Конечной целью второго была создание выходной секции гироклистрона длинноволновой части диапазона миллиметровых волн с точки зрения обеспечения устойчивости к СВЧ пробою в режиме мульти-мегаваттных микросекундных импульсов (п. 4.1.3). Как уже было отмечено, безусловным достоинством гиротронов является возможность использования гладких электродинамических систем и, соответственно, обеспечение электропрочности пространства взаимодействия. Последнее обстоятельство усиливается при выборе в качестве рабочих азимутально-симметричных мод ТЕоп-типа, у которых отсутствуют нормальные составляющие электрических полей на стенках электродинамической системы. Кроме того, такие моды не создают в стенках электродинамической системы продольных токов, что позволяет избежать искрения в местах соединений выходных вол-новедущих секций и тем самым инициации СВЧ пробоя.

Оптимизация профиля резонатора гиротрона проводилась на основе стационарной модели релятивистского гиротрона с самосогласованной нефиксированной структурой поля [45А]. Дополнительный анализ и моделирование временной динамики было проведено с использованием двумерной версии Р1С-кода КА11АТ[22] (п. 4.1.2). При выборе в качестве рабочей мо--ды ТЕо.1.1 наиболее опасной конкурирующей модой является ТЕ2л.1. При ускоряющих напряжениях до 230 кВ стартовый ток паразитной моды не превышает стартовый ток основной моды в области рабочих значений маг-

нитного поля (Но ~ 4,3 кЭ) и возбуждается мода TE2.i.i- При дальнейшем росте напряжения из-за роста стартового тока паразитной моды и снижении стартового тока рабочей моды за счет механизма нелинейной конкуренции генерация на моде ТЕ2.1.1 подавляется и устанавливается одномодо-вый режим генерации на моде ТЕ0.и.

Максимум КПД достигается при магнитном поле, соответствующем жесткому режиму самовозбуждения. Однако режим подобран так, что при меньших напряжениях при той же величине магнитного поля режим возбуждения является мягким в том смысле, что данная ветвь стационарных автоколебаний достигается при малых величинах начальных возмущений. Максимальная мощность излучения составила 7'МВт при длительности импульса до 6 мкс и КПД 45 % (п. 4.1.2). Зависимости выходной мощности от величины резонансного магнитного поля, полученные из стационарной теории с нефиксированной структурой поля и моделированием, в рамках двумерной версии PIC-кода KARAT, хорошо согласуются с результатами эксперимента. Длительность СВЧ импульса соответствовала длительности питающего напряжения. Таким образом, была подтверждена возможность реализации высокого КПД (45 %) гиротрона на повышенных по сравнению с традиционными энергиями электронов [45А, 46А]. Этот же гиротрон использован для наблюдения автомодуляционных процессов в системе с запаздывающей обратной связью [47А].

В настоящее время рядом исследовательских групп ведутся работы, направленные на создание мощных импульсных микроволновых источников, предназначенных для питания линейных электронных ускорителей нового поколения. При этом для диапазона миллиметровых волн наиболее перспективными признаны усилители, основанные на стимулированном излучении периодических электронных пучков. В частности, на стимулированном циклотронном излучении. На пути к созданию одного из вариантов усилителей последнего типа выполнена разработка мультимегаваттного автономного генератора - гиротрона с рабочей модой объемного типа, подобной тем, которые используются в гиротронах для плазменных экспериментов [20-21] (п. 4.1.3). Такие моды, в отличие от используемых в [23-26], имеют электрическое поле на стенках резонатора, однако, основываясь на результатах экспериментов с приборами черенковского типа (гл. 3), можно было ожидать, что при достаточно малой длительности импульса прибор будет работать без СВЧ пробоя.

В гиротроне, в качестве рабочей выбрана вращающаяся мода магнитного типа TE5.3.i(n. 4.1.3). Нормальная компонента электрического поля, согласно оценкам, при выходной мощности 10 МВт не превышает 45 кВ/см, что значительно ниже значений (200 кВ/см), которые допускает наша технология. Расчеты КПД гиротрона проводились с использованием стационарной модели релятивистского гиротрона, стартовые токи определялись

для многоволновой модели с учетом трансформации мод на неоднородных участках выходного волновода. Для оценки устойчивости генерации рабочей моды и ее конкуренции с паразитными модами использовалась нестационарная модель с самосогласованной структурой поля. Оптимизация профиля резонатора проведена с учетом пространственного заряда пучка. Стартовый ток наиболее опасной паразитной моды TE6.3.i ниже стартового тока рабочей моды TE5.3.i только при напряжениях ниже 200 кВ, где ток и КПД генерации, а, следовательно, и выходная мощность паразитной моды невелики. При напряжении выше 200 кВ должна возбуждаться только рабочая мода ТЕ5 31. Электронный пучок встреливается в резонатор с конечной точностью и имеет конечную ширину, обусловленную шириной эмитирующего пояска катода [48А]. В этой связи были сделаны оценки влияния разброса ведущих центров электронных орбит и перекоса электронного пучка на КПД гиротрона (с упрощенным профилем резонатора). Влияние перекоса пучка на Ro-Ro.opt = ±1 мм = ±Х/10, или толщины пучка А/?0 = = 2 мм = Х/5 пренебрежимо мало, спад КПД 3 % . При токе пучка существенно меньше оптимального, например 30 А, влияние такого перекоса или толщины пучка заметно сильнее, КПД спадает на 6 %. Экспериментальные исследования были начаты на моноимпульсном стенде [48А] и продолжены на стенде с частотой повторения [49А]. При включении гиротрона на фронте импульса ускоряющего напряжения U0 циклотронная частота изменяется вследствие изменения релятивистской массы электронов. В мощных гиро-тронах при густом спектре собственных частот резонатора происходит каскадное (поочередное) возбуждение нескольких мод. Каскадное возбуждение мод ограничивает возможности увеличения мощности излучения гиротрона при увеличении напряжения и тока электронного пучка и переходе к более высоким рабочим модам. Возрастает опасность СВЧ пробоев при возбуждении паразитных мод вследствие отражения от выходного вакуумного окна, полностью согласованного только на частоте рабочей моды. В случае сравнительно короткоимпульсных (Ги ~ 1 мкс) режимов каскадное возбуждение мод затрудняет измерение мощности калориметрическим методом, поскольку энергия в излучении конкурирующих мод соизмерима с энергией излучения на рабочей моде. Исследовался сценарий включения гиротрона с рабочей модой ТЕ53 ь с возбуждением и без возбуждения мод ТЕ6.з.1 и ТЕ7.3.1 на микросекундном фронте питающего импульса (рис. 6). Для подавления генерации этих мод была уменьшена скорость нарастания напряжения на первом аноде электронной пушки (см. рис. 1). Это достигнуто шунтированием низковольтного плеча резистивного делителя дополнительной емкостью [49А].

иа— а*и0 и„ - идоти^^ио/иосиш,)3

Рис. 6. Сценарии включения гиротрона

Максимальна я измеренная мощность составляла 20 МВт при КПД 50% [50А].

Высокие выходная мощность и КПД гиротрона (удлиненной выходной секции гироклистрона), сохранявшиеся при сдвиге резонатора вдоль магнитного поля (рис. 7.) свидетельствовали одновременно о достаточной электропрочности выходной секции клистрона и высоком качестве электронного пучка.

те 5.3

Рис. 7. Характерные осциллограммы напряжения на катоде (трек I, 20 кВ/В), тока электронного пучка (трек 2, 4 А/В), напряжение на 1 аноде (трек 4) и огибающей СВЧ импульса (трек 3); а - резонатор в начале однородного участка ведущего магнитного поля и б - в конце последнего (сдвиг 100 мм).

П. 4.2 содержит результаты разработки и экспериментального исследования гироклистрона на объемных модах высокого порядка [50А- 54А].

Отличительной особенностью этого прибора, по сравнению с известными прототипами [23-26], является использование последовательности несимметричных пространственно-развитых мод высокого порядка, что дает этому сверхвысокочастотному усилителю следующие преимущества (п. 4.2.1): гироклистрон может работать с интенсивным трубчатым электронным пучком, поскольку электроны в магнетронно-инжекторной пушке эмитируются с пространственно-развитого катода; сформированный пучок компрессируется в магнитном поле до номинального диаметра для прохождения пространства СВЧ взаимодействия, а затем вновь расширяется и оседает на пространственно-развитый коллектор; в выходном резонаторе электромагнитное СВЧ поле вращающейся моды высокого порядка значительно меньше на поверхности резонатора, чем в области взаимодействия, что позволяет избежать СВЧ пробоя и «усталости» материала стенок; методами, использовавшимися в мегаваттных непрерывных гиротронах диапазона коротких миллиметровых волн, выходная мода высокого порядка может быть превращена в гауссов волновой пучок и выведена через широкое окно.

Исходя из необходимости получения достаточно большого коэффициента усиления, выбрана тр'ехрезонаторная схема гироклистрона (п. 4.2.2). Рабочие моды в первом резонаторе ТЕ 51 ] (в другом варианте ТЕ5.2.1), в среднем резонаторе ТЕ 5.2.1, в выходном резонаторе ТЕ53 ]. Рабочие моды выбраны исходя из диаметра ведущих центров сформированного электронного пучка. Для минимизации связи между резонаторами по электромагнитной волне резонаторы разделены дрейфовыми областями, которые поглощают и рассеивают излучение. Первый резонатор излучает энергию в катодную область, а средний резонатор в сторону третьего резонатора, что так же минимизирует связь между резонаторами. Схема гироклистрона приведена на рис. 8.

Параметры первого и среднего резонаторов должны удовлетворять условию отсутствия самовозбуждения мод и, в то же время, обеспечивать достаточно большой коэффициент усиления и максимальный КПД. Длина однородного участка магнитного поля выбрана из условия получения необходимого коэффициента усиления (ЗОдБ). Для достижения максимума КПД третий резонатор должен находиться вблизи границы самовозбуждения [27], причем лучше в области слабой генерации. Параметры резонаторов выбраны исходя из этих соображений на основе аналитических оценок, уточненных численным моделированием. Расчетные данные легли в основу проекта гироклистрона рис. 8 (п. 4.2.2).

Рис. 8. Схематический чертеж гироклистрона на последовательности мод ТЕ5ЛЛ, ТЕЬ2 i, ТЕ521- 1 - катод, 2 - анод, 3 - промежуточный анод, 4 - электронный пучок, 5 - криомагнит, 6 - канал транспортировки электронного пучка, 7 - резонаторы, 8 ~ дрейфовые поглощающие трубки, 9 - входной волновод, 10 - коллектор, II -изоляторы, 12 - вакуумное окно, 13 - выходной волновод.

Реализован ввод мощности в резонатор через боковую стенку .[51А-53А]. При таком способе на первый план выходит проблема селекции мод, которая особенно существенна в варианте входного резонатора с рабочей модой имеющей две радиальные вариации поля. Согласно расчетным данным, из-за опасности самовозбуждения добротность ограничена значением около 50. Для селекции колебаний на гармониках рабочей частоты были рассчитаны варианты резонаторов с осесимметричными канавками на рабочей области, а также варианты с конической рабочей областью [53А].

В гироприборах падение электронов на поверхность коллекторов является, как правило, скользящим: с углами не более 10-20 градусов. При этом коэффициент отражения R электронов оказывается в интервале 0,6-0,9 и соответственно отражение электронов от поверхности коллектора является многократным. Моноэнергетичный первичный пучок при падении на коллектор порождает вторичный поток частиц, имеющий разброс, как по энергиям, так и по углам. Многократное отражение электронов и наличие вторичных электронов расширяет след пучка в сторону убывания магнитного поля. Распределение плотности мощности неравномерно: основной вклад в распределение дают первые 2-3 лавины отраженных электронов. След электронов тянется на значительное расстояние, поэтому для защиты выходного СВЧ окна необходимо установить дополнительный магнит с полем поперечным относительно оси коллектора [26А].

Экспериментальное исследование гироклистрона выполнено в два этапа. Сначала на моноимпульсном стенде (п. 4.2.3), где была показана его принципиальная работоспособность [52А], а затем на стенде с тактовой частотой (п. 4.2.4), где была проведена оптимизация прибора [50А].

На моноимпульсном стенде исследовались два варианта прибора: трех-резонаторный на последовательности рабочих мод ТЕ5 , Ь ТЕ5.2.1 и ТЕ5 31 и ТЕ52.ь ТЕ5.2.1 и ТЕ53 Ьа также двухрезонаторный на последовательности мод ТЕ3.2.1 и ТЕ53 ]. Общая длина электродинамических систем была одинакова. Спектры входного и выходного сигналов измерялись гетеродинным методом с использованием одного общего задающего генератора.

Эксперименты были начаты с трехрезонаторного варианта TE5.11, ТЕ5.2.1 и ТЕ5.3.1 Проектная длина выходного резонатора 35 мм не обеспечила достаточного усиления сигнала. Длина выходного резонатора была увеличена до 50 мм. В ходе исследований проявилась недостаточная устойчивость входного резонатора к самовозбуждению на второй гармонике гирочасто-ты, приводившая к провалу мощности в выходном сигнале. Чтобы повысить стартовый ток паразитной моды, практически без изменения стартового тока рабочей моды, резонатор был сделан слабо коническим (с углом 0,4°). Эксперименты показали, что предпринятые меры по подавлению возбуждения входного резонатора на второй гармонике гирочастоты недостаточны, поэтому был осуществлен переход во входном резонаторе от моды TE5.11 к моде ТЕ 5.2.1 и двухрезонаторному варианту прибора. С введением конусности расчетный стартовый ток наиболее опасного конкурента ТЕц.з.1 увеличился до 100 А, в то время как добротность рабочей моды уменьшилась на 30%. Первый резонатор был изготовлен из нержавеющей стали, а выходной - из бескислородной меди. Такой выбор материала для выходного резонатора диктовался не только повышенными требованиями электропрочности, но и возможностью использовать тело выходного резонатора как проводящий магнитный экран, корректировавший распределение импульсного магнитного поля вдоль резонаторов. Проводимость медного резонатора в большей степени зависела от температуры, при которой поддерживалась система, что позволяло изменять магнитное поле и тем самым оптимизировать угол пролета электронов в выходном резонаторе. Были получены параметры выходного излучения, близкие к проектным. В режиме усиления (когда при отсутствии входного сигнала выходное излучение также отсутствует) была получена выходная мощность 4,9 МВт при КПД 21% и коэффициенте усиления 28 дБ. Частотная полоса усиления при постоянном магнитном поле (на уровне 0,5 от максимума) была не менее 40 МГц. Динамическая характеристика усиления имела следующие характерные параметры: для входного сигнала менее 300 Вт коэффициент усиления составлял 43 дБ, для 1 кВт - 38 дБ, для 10 кВт - 30 дБ. Можно назвать три фактора, приводящие к уширению спектра выходного импульса по сравнению с входным: непостоянство питающего напряжения; нелинейность характеристики усиления гироклистрона, благодаря чему частоты на фронтах усиливаются в большей степени, чем на вершине. В эксперименте с трехрезонаторным вариантом на комбинации мод ТЕ5.2.1, ТЕ5.2.1 и ТЕ5.31

гнроклистрона на основе пучка 340 кВ, 80 А была получена мощность 6,5 МВт при КПД 24% и коэффициенте усиления 34 дБ [52А].

Полученные экспериментальные результаты были сопоставлены с результатами численного моделирования [54А]. В расчетной модели использована система дифференциальных уравнений, описывающая взаимодействие электронов с высокочастотным электромагнитным полем в резонаторах при наличии статического магнитного поля. В основе решения лежит совместное использование метода Рунге - Кутта и метода Ньютона. В расчетной модели учтены главные факторы, определяющие работу прибора: разброс электронов по скоростям, разброс центров электронных орбит, неоднородность статического магнитного поля, реальный профиль резонаторов, омические потери в резонаторах, провисание потенциала в пространстве взаимодействия, а также высокочастотный (ВЧ) пространственный заряд электронного пучка. Расчета производились на базе двух математических моделей. В первой модели продольная структура ВЧ электромагнитного (э/м) поля была фиксированная (ФСП), соответствующая структуре ВЧ э/м поля «холодного» резонатора (без электронного пучка). Во второй модели продольная структура ВЧ э/м поля в резонаторах была нефиксированная (самосогласованная, ССП) и для ее определения решалась краевая задача с заданными граничными условиями на входных и выходных сечениях резонаторов. Результаты численного моделирования показали, что оптимальные параметры, рассчитанные по модели с ФСП, близки к параметрам, рассчитанным по модели с ССП. Однако при отстройке от оптимальных параметров (например, при исследовании полосы усиления) расчет по модели с ФСП дает завышенные значения КПД. Заметим здесь, что скорость расчетов по модели с ФСП примерно на порядок выше, чем по модели с ССП. Поэтому модель с ФСП целесообразно применять для первичного определения области оптимальных параметров гироклистрона, а для более точных расчетов оптимальных параметров необходимо применять модель с ССП. Все расчетные параметры (кроме КПД) удовлетворительно совпадают с параметрами, полученными в эксперименте. Возможно, более низкий КПД был связан с большим, чем в расчетах разбросом электронов по скоростям. В этой связи в последующих экспериментах (п. 4.2.4) этому параметру было уделено особое внимание. В ходе исследования гироклистрона получены результаты, близкие к проектным параметрам. Однако полученные режимы обладали сильной нестабильностью, обусловленной как нестабильностью источников питания, так и прогревом импульсных соленоидов. Оптимизация и повышение энергетических характеристик гироклистрона является многопараметрической задачей, трудно разрешимой в моноимпульсном режиме. В связи с этим требовался переход от режима однократных импульсов ускорителя к режиму с частотой повторения, по крайней мере, 1-5 Гц, при стабильном магнитном поле (создаваемом с помощью криомагнита) и

стабильном импульсе ускоряющего напряжения с высокой однородностью вершины. Такой ускоритель был в ИПФ создан и дальнейшие эксперименты проводились на нем [24А]. Экспериментам с гироклистроном предшествовала оптимизация параметров электронного пучка [25А]. Компоновка исследованного варианта гироклистрона не отличается от компоновки описанной в предыдущем разделе. Была изменена конструкция первой дрейфовой области, выполненной из поглотителя АПМ-50 в виде колец.

В варианте клистрона ТЕ 5.2.гТЕ 5.зл с однородным вдоль системы резонаторов магнитным полем получена выходная мощность свыше 10 МВт при кпд 30%, коэффициенте усиления 30 дБ и полосе усиления 50 МГц.

При уровнях мощности, превышающих 7-8 МВт, наблюдался эффект снижения КПД (согласно оценкам, нормальная к поверхности резонатора электрическая компонента высокочастотного поля не превышает 6 кВ/см). Этот эффект пропадал при укорочении длительности СВЧ импульса путем уменьшения длительности источника входного сигнала, рис. 9. В этом режиме выходная мощность достигла 15 МВт, а КПД 40% [50А].

Рис. 9. Характерные осциллограммы выходного СВЧ импульса (трек 3) при различном положении входного импульса (трек 4) относительно импульса напряжения (трек 1, 20 кВ/В).

Эти косвенные признаки свидетельствовали о поглощении выходного излучения внутри прибора. На стенке выходного волновода (в области магнитного поля, обеспечивающего равенство циклотронной частоты нерелятивистских электронов частоте излучения), были обнаружены следы эрозии в виде кольца шириной несколько миллиметров. Можно было предположить, что наблюдаемый эффект обусловлен электронно-циклотронным разрядом у стенки волновода. В настоящее время это предположение подтверждено детальными расчетами В. Семенова и Н. Жаровой.

Экспериментальное исследование трехрезонаторного варианта ТЕ52-ТЕ5.2,-ТЕ5.з., показало увеличение коэффициента усиления до 36 дБ, остальные характеристики были близки к характеристикам двухрезонаторно-го варианта [50А].

Измерения относительной стабильности фазы выходного сигнала гирок-листрона проведено путем детектирования смешанных на Т-мосте и предварительно выровненных по амплитуде аттенюаторами входного (с магнетрона) и выходного (с гироклистрона) сигналов. Точность измерений 10°, ограничивалась электромагнитными наводками. С этой точность фаза стабильна (при фиксированном уровне питающего прибор напряжения) не только в режиме усиления, но и в режиме синхронизации автоколебаний в выходном резонаторе [50А].

В п. 4.3 сформулированы выводы по результатам исследований, приведенных в главе'.

В заключении сформулированы основные результаты работы и направления дальнейших исследований.

Экспериментальные исследования в настоящей диссертационной работе выполнены со следующей точностью измерений (в специальных-случаях она указывается самостоятельно): напряжение, ток, мощность СВЧ излучения, измеряемая калориметром - ±10%, частота СВЧ излучения, измеряемая гетеродинным методом - ±1 МГц.

В конце диссертации приведен список цитированной литературы из 112 наименований и перечень 87 публикаций автора по теме диссертации.

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 ~ I кА (взрывоэмисси-онные катоды) и ~ 200 А (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 излучения плазма, распространяющаяся со скоростью до 108 см/с вдоль и до 106 см/с 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 около 6 кВ/см при частоте излучения 30 ГГц.

• 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, 120 А) с высоким питч-фактором (1,2-1,3) при малом разбросе по поперечным скоростям (10-15%) и токе, составляющем значительную часть ленгмюров-ского тока (до 0,5-0,7). Способ основан на быстром выводе электронов из прикатодной области и минимизации числа их осцилляций в переходной области магнетронно-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 мке и на частоте 30 ГГц достигнута выходная мощность 20 МВт при длительности СВЧ импульса 0,5 мкс.

• Создан гироклистрон на последовательности несимметричных объемных мод высокого порядка ТЕ5.2.1-ТЕ5.3.,. На частоте 30 ГГц получена выходная мощностью 15 МВт при КПД 40%, коэффициенте усиления 30 дБ, полосе усиления 50 МГц и длительности импульса 0,5 мкс. По параметру PF2 = 13500 (произведению выходной мощности на квадрат частоты) прибор превосходит гироклистрон, разработанный в Университете штата Мериленд (8,6 ГГц * 80 МВт = 5920).

СПИСОК АВТОРСКИХ РАБОТ.

1А. Н.И. Зайцев. Физические процессы в релятивистских электронных источниках когерентного электромагнитного излучения с повышенными энергетическими характеристиками // Диссертация на соискание ученой степени к. ф.-м. н., Горький, ИПФ АН СССР, 1983, 171 с.

2А. Н.И. Зайцев, Н. Ф. Ковалев, Г.С. Кораблев, Б.П. Шемякин. Элементы динамики катодной и коллекторной плазмы в диоде с магнитной изоляцией // Физика Плазмы, 1981, т. 7, вып. 3, с. 560-563.

ЗА. N.I. Zaitsev, G.S. Korabljov, N.F. Kovaljov, I.S.KuIagin. Experimental study of the influence of cathode and collector plasma dynamics on the microwave generator with a relativistic electron beam // 10-th Eur. Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics, v. 1, Moscow, 1981, p. M-l.

4А. Н.И. Зайцев, E.B. Иляков, Ю.В. Родин, Е.И. Солуянов, М.Ю. Шмелев, В.В. Ястребов. Рентгеновская диагностика для исследования пространственно-временных характеристик сильноточного релятивистского электронного пучка // Приборы и техника эксперимента, 1989, №2, с. 50-152.

5А. С.П. Бугаев, Н.И. Зайцев, A.A. Ким, В.И. Кошелев, А.И. Федосеев, М.И. Фукс. Процессы в диодах с магнитной изоляцией, использующих взрывную эмиссию электронов // Релятивистская высокочастотная электроника, ИПФ АН СССР, 1981, с. 36-62.

6А. А.Ф. Александров, Ю. Галузо, Н.И. Зайцев, В.И. Кошелев, П.С. Стрелков, A.B. Федотов, А.Г. Шкварунец, М.Ю. Шмелев, В.И. Энгелько. Пространственно-временные характеристики РЭП // Релятивистская высокочастотная электроника. №5, ИПФ АН СССР, 1988, с. 163-182.

7 А. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, Г .С. Кораблев, И.С. Кулагин, В.Н. Мануйлов, Ю.П. Яшин. Динамика ореола сильно замагниченного РЭП // Журнал технической физики, 1991, т. 61, № 12, с, 100-104.

8А. Э.Б. Абубакиров, В.И. Белоусов, Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, Е.И. Солуянов, Ю.В. Родин. О влиянии коллекторной плазмы на работу релятивистской JIOB // Тез. докл. 6 Всесоюзн. симп. по сильноточной электронике. Часть 3, Томск, ИСЭ СО АН СССР, 1988, с. 37-39.

9А. В.А. Бурцев, Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев, И.С. Кулагин, А.Г. Никонов, М.И. Петелин, И.М. Ройфе, Ю.М. Савельев, В.И. Энгелько. Применение релятивистских электронных пучков для генерации импульсов микроволнового излучения микросекундной длительности // Письма в ЖТФ, 1983, т. 9, № 23, с. 1435-1438.

10А. Н.И. Зайцев, Г.С.Кораблев. О механизме ускорения коллекторной плазмы в канале транспортировки сильноточного релятивистского электронного пучка//ЖТФ, 1982, т. 52, в. 1, с. 160-162.

ПА. Н.И. Зайцев, Г.С. Кораблев, И.С. Кулагин, В.Е. Нечаев. О влиянии потоков отраженных электронов на формирование сильноточного пучка в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией // Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, №11, с. 673-676.

12А.Н.И. Зайцев, И.С. Кулагин, В.Е. Нечаев. О влиянии потока ионов из коллекторной плазмы на формирование сильноточного электронного пучка в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией // Физика плазмы, 1981, т. 7, №4, с. 779-783.

13А. Н.И. Зайцев, Г.С. Кораблев, И.С. Кулагин, В.Е. Нечаев. О влиянии встречных потоков частиц на характеристики сильноточного релятивистского пучка, формируемого диодом с магнитной изоляцией // Физика плазмы, 1982, т. 8, № 5, с. 918-924.

14А.Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, Г.С. Кораблев, И.С.Кулагин, В.К. Лыгин, Б.З. Мовшевич, В.И. Цалолихин, М.Ю. Шмелев. Сильноточный мик-

росекундный электронный ускоритель с термокатодом для мощных СВЧ приборов // Приборы и техника эксперимента, 1995, № 3 с 138145.

15А.Н.И. Зайцев, В.К. Лыгин, В.Е. Нечаев, В.Н. Мануйлов, Ш.Е. Цимринг. Численное моделирование релятивистской магнетронно-инжекторной пушки с термокатодом // Тезисы доклада на 2 Межвед. семинаре по электронике СВЧ, Харьков,1987, с. 27.

I6A. Н.И. Зайцев, В.К. Лыгин. Траекторный анализ релятивистских термоэмиссионных пушек с магнитным сопровождением // Тез. докл. 9 семинара «Методы расчета ЭОС»,Ташкент, изд. «ФаН» Узб.ССР, 1988 с. 168.

17A.I.K. Batrak, V.N. Glazman, N.I.Zaitsev, V.N. H'in, E.V. Ilyakov, G.S. Ko-rablyov, I.S. Kulagin, V.K. Lygin, V.I. Tsalolikhin. Thermo emission gun with a high magnetic compression of a hollow microsecond 400 kV, 400 A electron beam // Abstr. (Part 1), 8-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Новосибирск, ИЯФ CO АН СССР, 1990, p. 133.

18А.Н.И. Зайцев, E.B. Иляков, И.С. Кулагин, П.В. Кривошеее, В.К. Лыгин, В.Н. Мануйлов. Магнетронно-инжекторные пушки для релятивистских гиротронов сантиметрового диапазона длин волн // Прикладная физика, 2003, № 1, с. 27-34.

19A.E.V. Ilyakov, P.V. Krivosheev, I.S. Kulagin, V.K. Lygin, V.N. Manuilov, R.M. Rozental, N.I. Zaitsev. Magnetron-injection guns for relativistic gyro-trons of centimeter ranges of wavelength // Int. Conf. on High-Power Particle Beams. Albuquerque, New Mexico USA June 23-28, 2002. Program and Book of Abstracts, p. 279.

20A. Н.И. Зайцев, E.B. Иляков, И.С. Кулагин, В.Н. Мануйлов. Влияние отраженных от магнитного зеркала электронов на формирование электронного пучка в релятивистском гиротроне // Прикладная физика, 2006, №3, с. 121-125.

21 А. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, И.С. Кулагин, А.С. Шевченко. Исследование магнитного анализатора релятивистских винтовых электронных пучков // Известия ВУЗов. Радиофизика, 2006, т. 49, № 2, с. 134-140.

22А. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, И.С. Кулагин, В.К. Лыгин, В.Н. Мануйлов, М.А. Моисеев, А.С. Шевченко. Экспериментальное исследование мощной магнетронно-инжекторной электронной пушки для релятивистских гироприборов // Известия ВУЗов. Радиофизика, 2006, т. 49, № 8, с. 680-685.

23А. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, И.С. Кулагин, В.К. Лыгин, В.Н. Мануйлов, В.Е. Нечаев. Формирование и диагностика интенсивных релятивистских винтовых электронных пучков для гиротронов // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2004, т. 47, № 5/6, с. 453-462.

24A.N.1. Zaitsev, S.A. Zapevalov, E.V. Ilyakov, S.Yu. Komishin, S.V. Kofanov, M.Yu. Kryltsov, I.S. Kulagin, V.K. Lygin, A.V. Malygin, V.N. Manuilov, B.Z. Movshevich, V.G. Perminov, M.l. Petelin, A.Sh. Fiks, A.S. Shevchen-ko, V.l. Tsalolikliin, V.V. Kiadukhin, A. Krasnykh. 500 keV, 200 A microsecond electron accelerator with a repetition rate of 10 Hz // RuPAC-2008 Reep. N THBH09.

25А. Н.И. Зайцев, A.K. Гвоздев, C.A. Запевалов, E.B. Иляков, А.Ш. Фикс, A.C. Шевченко. Магнитный анализатор винтового электронного пучка, на основе контролируемого магнитного зеркала // Приборы и техника эксперимента, 2011, № 2, с. 89-92.

26А. Н.И. Зайцев, В.Н. Мануйлов, Р.В. Хрусталев. Энергетическая нагрузка коллектора гиротрона с учетом отраженных от его поверхности электронов // Известия ВУЗов. Радиофизика, 2009, т. LI 1, №1, с. 55-61.

27А. Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев, Б.Д. Кольчугин, М.И. Фукс. Экспериментальное исследование релятивистского карсинотрона // ЖТФ, 1982, т. 52, № 8, с. 679-882.

28А.Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев, Г.С. Кораблев, И.С. Кулагин, М.М. Офицеров. Релятивистский карсинотрон с длиной волны 3 сантиметра и длительностью импульса 0.4 микросекунды // Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, № 14, с. 879-882.

29А. E.V. Ilyakov, I.S. Kulagin, G.S. Korablyov, N.I.Zaitsev. Relativistic carci-notron with a thermionic injector of electrons // IEEE Trans, on Plasma Science, 1998, v. 26, № 3, p. 332-335.

30A. N.F. Kovaljov, V.E. Nechaev, M.I. Petelin, N.I. Zaitsev. Scenario for output pulse shortening in microwave generators driven by relativistic electron beams // IEEE Trans, on Plasma Science, 1998, v. 26, № 3, p. 246-251.

31A.H.C. Гинзбург, Н.И. Зайцев, E.B. Иляков, И.С. Кулагин, Ю.В. Новожилова, А.С.Сергеев, А.К.Ткаченко. Наблюдение автомодуляционных режимов генерации в мощной ЛОВ // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, №20, с. 66-71.

32А. Н.С. Гинзбург, Н.И.Зайцев, Е.В. Иляков, Ю.В. Новожилова, И.С. Кулагин, P.M. Розенталь, A.C. Сергеев. Нелинейная динамика лампы обратной волны в условиях конкуренции двух мод // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1998, т. 41, № 12, с. 1565-1571.

ЗЗА.Н.С. Гинзбург, Н.И.Зайцев, Е.В. Иляков, Ю.В. Новожилова, И.С. Кулагин, A.C. Сергеев. Теоретические и экспериментальные исследования автомодуляционных режимов генерации 3-сантиметровой ЛОВ с мега-ваттным уровнем мощности // Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 1999, т. 7, № 5, с. 60-69.

34А. N.S. Ginzburg, N.I. Zaitsev, E.V.Ilyakov, I.S.Kulagin, Y.V. Novozhilova, R.M. Rozenthal, A.S. Sergeev. Observation of chaotic dynamics in a power-

ful backward-wave oscillator // Phys. Rev. Lett., 2002, т. 89, № 10, с. 1083041-1083044.

35A. Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев. Теория релятивистского оротрона с синусоидальным распределением высокочастотного поля вдоль траектории электронов // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1986, т. 29, № 2, с. 229-234.

36А. Н.И Зайцев, Н.Ф. Ковалев, Б.Д. Кольчугин, И.С.Кулагин, М.И. Петелин. Возбуждение двухзеркального резонатора с гофрированными стенками релятивистским электронным пучком // Письма в ЖТФ, 1982, т. 8, №15, с. 911-914.

37А. Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев, Б.Д. Кольчугин, М.И. Петелин, А.А. Яш-нов. Генерация мод шепчущей галереи релятивистским электронным пучком в условиях черенковского синхронизма // Тез. докл. 4 Всесо-юзн. симп. по сильноточной электронике, Новосибирск, 1982, с. 136139.

38А. Н.И. Зайцев, А.Б. Волков, Е.В. Иляков, Н.Ф. Ковалев, Б.Д. Кольчугин, И.С. Кулагин, Г.С. Кораблев. Реализация высокого усиления в мощном импульсном СВЧ усилителе с взрывоэмиссионной пушкой // Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, № 12, с. 6-10.

39А.А.В. Volkov, N.I. Zaitsev, N.F. Kovalev, B.D. Kolchugin, S.V. Kuzikov, M.I. Petelin. Experimental verification of mutual coherence of microwave sources based on high-current electron accelerators // Abstr. 2-nd Int. Workshop "Strong microwaves in plasmas", Nizhniy Novgorod, IAP RAS, 1993 p. S-29.

40A. Э.Б. Абубакиров, А.Б. Волков, Н.И. Зайцев, Б.Д. Кольчугин. Релятивистский СВЧ усилитель с электропрочной выходной секцией // Тез. докл. 9 симп. по сильноточной электронике, 1992, с. 209-210.

41A.N.I. Zaitsev, E.V. Ilyakov, G.S. Korablyov, I.S. Kulagin, V.K. Lygin. Thermionic electron guns for high-power transit-type sources of microwave radiation // 12th Int. Conf. on High-Power Particle Beams (BEAMS'98). Haifa, Israel, June 7-12, 1998. Program and Abstracts, p. 322.

42A. Н.И. Зайцев, М.И. Петелин, Т.Б. Панкратова, В.А. Флягин. Гиротроны диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн // Радиотехника и электроника, 1974, т. 19, №5, с. 1056-1060.

43А. Н.П. Венедиктов, С.Н. Власов, Н.И. Зайцев, И.М. Орлова, М.М. Офицеров. Мощный гиротрон диапазона миллиметровых волн с преобразователем рабочего типа колебаний в волновой пучок // Тез. докл. 8 Межвузовской конференции по электронике СВЧ, Ростов на Дону, 1976.

44A.J1.H. Агапов, Д. Богданов, С.Н. Власов, Н.И. Зайцев, В.И. Курбатов, И.М. Орлова, М.М. Офицеров. Гиротроны для СВЧ нагрева в малых токомаках // Сб. ИПФ АН СССР, 1980, с. 215-220.

45А. Н.И. Зайцев, Н.С. Гинзбург, H.A. Завольский, В.Е. Запевалов, Е.В. Иляков, И.С. Кулагин, А.Н. Куфтин, В.К. Лыгин, М.А. Моисеев, Ю.В. Новожилова, P.M. Розенталь, В.И. Цалолихин. Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ импульса // Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып.7, с. 8-16.

46A.N.I. Zaitsev, N.S. Ginzburg, E.V. Ilyakov, I.S. Kulagin, V.K. Lygin, V.N. Manuilov, M.A. Moiseev, R.M. Rosenthal, V.E. Zapevalov, N.A. Zavolsky. X-band high-efficiency relativistic gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sei., 2002, v. 30, № 3, p. 840-845.

47A.N.I. Zaitsev, R.M. Rozental, I.S. Kulagin, E.V. Ilyakov,N:S. Ginzburg. No stationary Processes in an X-Band Relativistic Gyrotron With Delayed Feedback // IEEE Trans. Plasma Sei., 2004; v. 32, № 2, p. 418-421.

48A. Н.И. Зайцев, H.A. Завольский, В.Е. Запевалов, E.B. Иляков, И.С. Кулагин, B.K. Лыгин, М.А. Моисеев, В.Е. Нечаев, М.И. Петелин, P.M. Розенталь. Десятимегаваттный импульсный гиротрон с длиной волны 1 см и КПД 50% // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2003, т. 46, № 10, с. 914918.

49А. Н-И. Зайцев, С.А. Запевалов, A.B. Малыгин, М.А. Моисеев, A.C. Шевченко. Исследование сценария включения мощного импульсного гиро-трона на релятивистском электронном пучке // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2010, т. 53, № 3, с. 196-199.

50A.N.I. Zaitsev, Yu.Yu. Danilov, A.K. Gvozdev, S.V. Kuzikov, M.A. Moiseev, M.I. Petelin, M.E. Plotkin and S.A. Zapevalov. A PULSED MULTIMEGAWATT GYROKLYSTRON // Strong Microwaves in Plasmas. VIII Int. Workshop, Nizhniy Novgorod, Russia, 2011, p. 140.

51 A.B.А. Брызгалов, Н.И. Зайцев, И.С. Кулагин, C.B. Кузиков, М.А. Моисеев. Разработка и тестирование ввода мощности в релятивистский ги-роклистрон // Труды Научной конф. по радиофизике, Нижний Новгород, ННГУ, 2003, с. 70-71.

52А.Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, И.С. Кулагин, С.В. Кузиков, В.К. Лыгин, М.А. Моисеев, М.И. Петелин, A.C. Шевченко. Импульсный гироклис-трон на объемной моде высокого порядка // Известия ВУЗов. Радиофизика, 2005, т. 48, № 10/11, с. 830-834.

53А. I.S. Kulagin, S.V. Kuzikov, M.E. Plotkin, I. Syrachev, N.I. Zaitsev. Microwave components for 30 GHz high-power gyroklystron. волн // Conference Digest of the Joint 32nd Int. Conf. on Infrared and Millimetre Waves, and 15th Int. Conf. on Terahertz Electronics. Cardiff, UK, 3-7 September, 2007, v. I, p. 369-370.

54A. Н.И.Зайцев, А.В.Малыгин, М.А.Моисеев, P.A. Панов. Численное моделирование гироклистрона на релятивистском электронном пучке И

Всерос. конф. молодых ученых "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии", 3-6 марта 2006 г. Томск, с. 10-14.

55А. B.D. Kolchugin, N.F. Kovaljev, М.М. Ofitserov, M.I. Petelin, N.I. Zaitsev. Theoretical and experimental investigation of relativistic BWO // Book of abstracts 3-rd Int.Top. Conf. on High Power Electron and Ion Beam, Novosibirsk, 1979, p. 98.

56A. Н.И. Зайцев, G.S. Korabljev, V.E. Nechaev, M.M. Ofitserov, M.I. Fucs, B.P. Shemjakin. Peculiarities of the high-current beam formation for the relativistic oscillators // Book of abstracts 3-rd Int. Top. Conf. on High Power Electron and Ion Beam, Novosibirsk, 1979, p. 106.

57A. Н.И. Зайцев, M.A. Горшкова, B.E. Нечаев, В.И. Свешников, М.И. Фукс. Теоретическое и экспериментальное исследование структуры электронных пучков, формируемых коаксиальными пушками с магнитной изоляцией // Тез. докл. 3 Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике, Томск, 1978, с. 35-36.

58А. Н.И. Зайцев. Физические процессы в релятивистских электронных источниках когерентного электромагнитного излучения с повышенными энергетическими характеристиками //Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. ф.-м. н., Горький, ИПФ АН СССР, 1983, 38 с.

59А. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков. Юстировка и контроль положения сильноточного электронного пучка в канале транспортировки // ЖТФ, 1984, т. 54, №9, с. 1793-1794.

60А. Н.И. Зайцев, Н.Ф. Ковалев, Г.С. Кораблев, Б.П. Шемякин. Исследование коллекторной плазмы в коаксиальной пушке с магнитной изоляцией // Тез. докл. 3 Всесоюзного симпозиума по сильноточной импульсной электронике, Томск, ИСЭ СО РАН, 1978, с. 35.

61А. M.I. Fucs, G.S. Korabljev, V.E. Nechaev, M.M. Ofitserov, B.P. Shemjakin, N.I. Zaitsev. Peculiarities of the high-current beam, formation for the relativistic oscillators // Proc. 3-rd Int. Top. Conf. on High Power Electron and Ion Beam, Novosibirsk, 1979, p. 749-752.

62A. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, Г.С. Кораблев, И.С. Кулагин. Зондирование коллекторной плазмы излучением сантиметрового диапазона длин волн // Тез. докл. 7 Всесоюзн. симп. по сильноточной электронике. Часть 1. Томск, ИСЭ СО РАН, 1988, с. 176-178.

63A.N.I. Zaitsev, E.V. Ilyakov, I.S. Kulagin, G.S. Korablyov. A 400 kV, 400 A microsecond electron accelerator with a hot cathode // Proceedings of the XVI Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, May 23-30, 1994, Proc. SPIE 2259. p. 573-576.

64A. N.I. Zaitsev, E.V. Ilyakov, I.S. Kulagin, V.K. Lygin, V.N. Manuilov, P.V. Krivosheev, R.M. Rozental. Electron guns for high-power centimeter-

wavelength relativistic gyrations // Proc. of the 4th IEEE Int. Vacuum Electron Sources Conference, Saratov, Russia, 2002, p. 153-155.

65A. Зайцев Н.И., Гвоздев A.K., Петелин М.И., Моисеев М.А. Предварительные исследования 36 ГГц гироклистрона // Отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 15 июня 2009 г. № 02.740.11.0015 «Новые мощные источники и квазиоптические структуры свч диапазона» Промежуточный этап № 4, Н. Новгород, ИПФ РАН , 2011, с. 8-24.

66А.Н.И. Зайцев, А.К. Гвоздев, Ю.Ю. Данилов, С.А. Запевалов, C.B. Кузи-ков, М.А. Моисеев, М.И. Петелин, М.Е. Плоткин. Мультимегаваттный импульсный гиротрон-гироклистрон // Тезисы докл. 8 Всерос. сем. по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Н. Новгород, ИПФ РАН, 2011, с. 47-48.

67А.Н.И. Зайцев, Г.С. Кораблев, И.С. Кулагин. Релятивистский карсино-трон с коллимацией электронного пучка цилиндрической поверхностью // Тез. докл. 4 Всесоюзн. симп. по сильноточной электронике. Часть 2, Томск, ИСЭ СО РАН, 1982, с. 133-135.

68А. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, Ю.К. Ковнеристый, Г.С. Кораблев, И.С. Кулагин, И.Ю. Лазарева, В.И. Цалолихин, В.В. Шульгин. Калориметр для измерения энергии мощного электромагнитного импульса // Приборы и техника эксперимента, 1992, № 2, с. 153-154.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д., Сморгонский A.B., Цопп Л.Э. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов // Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, с. 179-208.

2. Carmel Y., Ivers J., Kriebel R.E., Nation J. Intense coherent Cherenkov radiation due to the interactionof a relativistic electron beam with a slov-wave structure //Phys. Rev. Lett., 1974, 33, p. 1278-1282.

3. V.L. Goldstein, M. Herndon, P. Sprangle, Y. Carmel, J.A. Nation. Gigawatt microwave emission from an intense relativistic electron beam // Plasma Phys. 1975, v. 17, № 1, p. 23-28.

4. Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Михеев B.B., Плетюшкин В.А., Сухо-дольский В.H. Применение релятивистского электронного потока, формируемого катодом со взрывной эмиссией, для получения длительной СВЧ генерации // ЖТФ, 1982, т. 52, в. 1, с. 110-111.

5. Дувидзон В.М., Пауткин А.Ю., Синцов В.В., Смилга В.И., Теребилов A.B., Тимохин А.Б., Шафранов Д.М. Мощный импульсный клистрон на основе пучка со взрывной эмиссией // Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, в. 7, с. 83-87.

6. Ельчанинов A.C., Загулов Ф.Я, Ковалев Н.Ф., Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский A.B. Высокоэффективный релятивистский карсино-трон // Письма в ЖТФ, 1980, т. 6, в. 7, с. 443-446.

7. Voronkov S.N., Loza О.Т., Strelkov P.S. Restriction of radiation pulse duration in microwave generators using microsecond REB // Proc.8-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990 (Beams'90), v. 2, p. 11471152.

8. Nezhevenko O.A., Yakovlev V.P., Hirshfield J.L., Kozyrev E.V., Gold S.H., Fliflet A.W., Kinkead A.K. Performance of X-band pulsed magnicon amplifier// Proc. of the 2003 Particle Accelerator Conf., p. 1128-1130.

9. Nezhevenko O.A., LaPointe M.A., Yakovlev V.P., Hirshfield J.L. 34 GHz, 45 • MW pulsed magnicon: first results, High Energy Density and High Power RF // Proc. of the 6th Workshop, 2003, p. 89.

10. Shashurin V. Experiment with VLEPP klystron // 3-rd Int. Workshop on Linear Colliders, v. 3, Protvino: BINP, 1991, p. 56-59 .

11. Caryotakis G. The klystron a microwave source of surprising range and endurance // Phys. Plasmas, 1998, v. 5, № 5. Pt. 2, p. 1590-1598.

12. Faillon G., Bres M. High-power microwave tubes for scientific instrumentation // Proc.8-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990 (Beams'90), v. 2, p. 1187-1204.

13. Blank M„ Borhard P., Cauffman S., Felch K. Broadband W-band gyrotron amplifier development // Proc. IR & MMW Conf., Shanghai, 2006, p. 198.

14. Lawson W., Cheng J., Calame J.P., Castle M., Hogan В., Granatstein V.L., Reiser M., Saraph G.P.High-power operation of a three-cavity X-band coaxial gyroklystron // Phys. Rev. Lett., 1998, v. 81, № 14, p. 3030-3033.

15. Song L., Ferguson P., Ives R.L., Miram G., Marsden D., Mizuhara M„ Neil-son J. Development of an X-band 50 MW multiple beam klystron // 5th Int. Vacuum Electronics Conf., April 27-29, 2004, Monterey, USA, p. 286-287.

16. Steven H. Gold, Arne W. Fliflet, Bahman Hafizi, Daniel F. Gordon and K. Kinknead. Transient effects in an X-Band magnicon amplifier // IEEE transactions on plasma science 2010, v. 38, № 6, p. 1328-1336.

17. Thomas Habermann, Rasheda Begum, Heinz Bohlen, Mark Cattelino, atal. High-power high efficiency L-band multiple-beam klystron development at CPI // IEEE transactions on plasma science 2010, v. 38, № 6, p. 1264-1269.

18. Friedman M., Ury M. Microsecond duration intense relativistic electron beams // Rev. Sei. Instr., v. 43, № 11, p. 1659-1661.

19. Авруцкий B.A. Условия перехода от предразрядных процессов в вакууме к разряду в десорбированном газе // Электричество. 1987, № 1, с. 5254. .

20. A.G. Litvak, G.G. Denisov, M.V. Agapova, V.E. Myasnikov, et al. Recent Results of Development in Russia of 170 GHz Gyrotron for ITER // The 35-th

Int. Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2010, Sept. 5-Sept. 10 Roma, Italy, Conference Digest, p. Tu.-El.l

21.Kasugai A., R. Minami, K. Takahashi, et al.. Development of a 170 GHz High-Power and CW Gyrotron for Fusion Application // 30 Intl. Conf. on IR and MM Waves, USA, 2005, p. 17-18.

22. Тараканов В.П. Универсальный электромагнитный код КАРАТ // Математическое моделирование. Проблемы и результаты. М.: Наука, 2003, с. 456-476.

23.Lawson W., Gouveia S., Hogan В., Granatstein V. Experimental results of four cavity 17 GHz gyroklystron // Proc. IVEC 2003, Seoul, p. 344-345.

24. Zasypkin E., I. Gachev, I. Antakov, E. Sokolov. W-band pulsed 300 kW gyroklystron amplifier//Proc. IR&MMMW Conf., Toulouse, 2001, p. 586-588.

25. Blank M., Borhard P., Cauffman S., Felch K. Broadband W-band gyrotron amplifier development // Proc. IR & MMW Conf., Shanghai, 2006, p. 198.

26. Calame J.P., Lawson W., Cheng J., Hogan В., Latham P.E., Castle M., Granatstein V.L., Reiser M. 100 MW gyroklystron development for linear colider applications // AIP Conference Proceedings 337.Pulsed RF Sources for Linear ColIiders.Montauk, NY, October, 1994. Ed. by R.C. Fernow. New York: American Inst, of Physics, 1995, p. 195-199.

27. Кураев А.А., Ковалев И.С., Колосов C.B. Математические модели и методы оптимального проектирования СВЧ приборов // Минск, Наука и техника, 1990, 392 с.

ЗАЙЦЕВ Николай Иванович

ГЕНЕРАЦИЯ И УСИЛЕНИЕ МУЛЬТИМЕГАВАТТНЫХ МИКРОСЕКУНДНЫХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ

Автореферат

Подписано к печати 7.02.2012. Формат 60 х 90 '/¡6. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 120 экз. Заказ № 18.

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Введение.

ГЛАВА 1 ФОРМИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ МИКРОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ В ИНЖЕКТОРАХ СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМИ КАТОДАМИ.

1.1 Введение.

1.2 Моноимпульсный ускоритель электронов с взрывоэмисси-онным эмиттером.

1.3 Элементы динамики катодной плазмы и электронного пучка в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией (КДМИ).

1.3.1 Исследования КДМИ с катодом в однородном магнитном поле.

1.3.2 Исследование КДМИ с компрессией электронного пучка магнитным полем.

1.4 Коллектор электронов.

1.5 Выводы.

ГЛАВА 2 ФОРМИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА РЕЛЯТИВИСТСКИХ МИКРОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ПУШКАХ С ТЕРМОКАТОДАМИ.

2.1 Введение.

2.2 Моноимпульсный ускоритель электронов с термокатодом.

2.2.1 Конструкция ускорителя.

2.2.2 Особенности сильноточных электронных пушек с термокатодом.

2.2.3 Электронная пушка в режиме формирования прямолинейного потока электронов.

2.2.4 Электронная пушка в режиме формирования винтового потока электронов.

2.3 Ускоритель электронов с периодическим следованием импульсов.

2.3.1 Конструкция ускорителя.

2.3.2 Расчет и конструкция электронной пушки.

2.3.3 Экспериментальные исследования электронной пушки.

3.2 Исследования релятивистского карсинотрона. 110

3.2.1 Взаимодействие умеренно релятивистского о < 2) элек- тронного 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

ВВЕДЕНИЕ

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 направление; ИЯФ 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 излучения; разработка 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=13500 (произведению выходной мощности на квадрат частоты) прибор превосходит гироклистрон, разработанный в Университете штата Мериленд (8,6ГГц* 80 МВт=5920).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д., Сморгонский А.В., Цопп Л.Э. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов.//Письма в ЖЭТФ,1973, т. 18,с. 179-208.

2. Carmel Y., Ivers J., Kriebel R.E., Nation J. Intense coherent Cherenkov radiation due to the interactionof a relativistic electron beam with a slov-wave structure// Phys. Rev. Lett., 1974, 33, p. 1278-1282.

3. V.L. Goldstein, M. Herndon, P. Sprangle, Y. Carmel, J.A. Nation. Gigawatt microwave emission from an intense relativistic electron beam.// Plasma Phys 1975, vol.17, N1, p. 23-28.

4. Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Михеев B.B., Плетюшкин В.А., Сухо-дольский В.Н. Применение релятивистского электронного потока, формируемого катодом со взрывной эмиссией, для получения длительной СВЧ генерации.// ЖТФ, 1982, т.52, в. 1, с. 110-111.

5. Дувидзон В.М., Пауткин А.Ю., Синцов В.В., Смилга В.И., Теребилов А.В., Тимохин А.Б., Шафранов Д.М. Мощный импульсный клистрон на основе пучка со взрывной эмиссией.// Письма в ЖТФ, 1990,т. 16,в.7,с.83-87.

6. Ельчанинов А.С., Загулов Ф.Я, Ковалев Н.Ф., Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский А.В. Высокоэффективный релятивистский карсинотрон.// Письма в ЖТФ, 1980, т.6, в.7, с.443-446.

7. Voronkov S.N., Loza О.Т., Strelkov P.S. Restriction of radiation pulse duration in microwave generators using microsecond REB// Proc.8-th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990 (Beams'90). v.2, p. 1147-1152.

8. Nezhevenko O.A., Yakovlev V.P., Hirshfield J.L., Kozyrev E.V., Gold S.H., Fliflet A.W., Kinkead A.K. Performance of X-band pulsed magnicon amplifier.// Proc. of the Particle Accelerator Conf., 2003,p. 1128-1130.

9. Nezhevenko O.A., LaPointe M.A., Yakovlev V.P., Hirshfield J.L. 34 GHz, 45 MW pulsed magnicon: first results, High Energy Density and High Power RF.// Proc. of the 6th Workshop., 2003, p.89.

10. Shashurin V. Experiment with VLEPP klystron.// 3-rd Int. Workshop on Linear Colliders, v.3(2),Protvino:BINP,1991, p.56-59 .

11. Caryotakis G. The klystron a microwave source of surprising range and endurance.// Phys.Plasmas,1998, v.5,N5,Pt.2, p.1590-1598.

12. Faillon G.,Bres M.High-power microwave tubes for scientific instrumenta-tion.//Proc.8-th Int.Conf. on High-Power Particle Beams, Novosibirsk, 1990, v.2, p. 1187-1204.

13. Blank M., Borhard P., Cauffman S., Felch K. Broadband W-band gyrotron amplifier development. //Proc. IR & MMW Conf., Shanghai, 2006, p.198.

14. Lawson W., Cheng J., Calame J.P. ,CastleM., Hogan В., Granatstein V.L., Reiser M., Saraph G.P.High-power operation of a three-cavity X-band coaxial gy-roklystron. // Phys.Rev.Lett.,1998, v.81,N14, p.3030-3033.15.