Гироклистроны диапазона миллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами

Гачев, Игорь Геннадьевич

Гироклистроны диапазона миллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Гачев, Игорь Геннадьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Гироклистроны диапазона миллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами»

Автореферат диссертации на тему "Гироклистроны диапазона миллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами"

На правах рукописи

ГАЧЕВ Игорь Геннадьевич

ГИРОКЛИСТРОНЫ ДИАПАЗОНА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН С ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗВИТЫМИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2005

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Е. В. Засыпкин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В. Л. Братман

доктор физико-математических наук В. Н. Мануйлов

Ведущее предприятие: ФГУП «НПП "Исток"»

(г. Фрязино, Московской области)

Защита состоится 30 мая 2005 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 003.38.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Институте прикладной физики РАН (603950. г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан 29 апреля 2005 г.

Ученый секретарь специализированного совета

профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. Последние десятилетия характеризуются широким использованием электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн (ММДВ) в таких областях физики и техники как управляемый термоядерный синтез, обработка материалов, радиолокация и связь. Наибольшую мощность излучения в этом диапазоне обеспечивают гиротроны и гироклистроны, основанные на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических систем, которые не содержат малых по сравнению с длиной волны элементов. Достигнутый к настоящему времени уровень импульсной выходной мощности в миллиметровом диапазоне длин волн составляет для гиротронов порядка одного мегаватта, а для гироклис-тронов - сотни киловатт [1*, 2*, 3*].

Идея о возможности использования мазера на циклотронном резонансе с двумя резонаторами (МЦР-клистрона) для усиления или умножения частоты электромагнитных колебаний была высказана впервые в докладе А.В. Гапонова, А.Л. Гольденберга и В.К.Юлпатова [4*]. В гироклистронах роль отдельных каскадов играют относительно низкодобротные цилиндрические резонаторы, разделенные запредельными для рабочего типа колебаний трубками дрейфа. Во входном резонаторе энергия вращательного движения электронов модулируется высокочастотным полем входного сигнала, частота которого близка к частоте циклотронного вращения электронов или ее гармоникам. В трубке дрейфа электроны группируются по фазе вращения из-за релятивистского эффекта. Образовавшиеся при группировке сгустки поступают в выходной резонатор, возбуждая в нем электромагнитное поле с большой амплитудой на частоте усиливаемого сигнала. По аналогии с пролетным клистроном, для увеличения коэффициента усиления и КПД в гироклистроне могут быть использованы промежуточные резонаторы.

В качестве рабочих типов колебаний гироклистронов, как правило, используются моды ТЕ011 и ТЕ021 открытых цилиндрических резонаторов кругового сечения. Возбуждение во входном резонаторе колебания ТЕои осуществляется одномодовым прямоугольным волноводом, связанным с резонатором системой продольных синфазных щелей. В гироклистронах с рабочим типом колебаний ТЕ021 ввод энергии в первый резонатор производится через волновод, проходящий через отверстие в катоде электронной пушки, на волне ТЕ01 с последующим преобразованием ее при помощи аксиально-симметричного рефлектора, установленного между пушкой и входным волноводом, в волну ТЕ02, возбуждающую через диафрагму связи рабочий тип колебаний ТЕ021 в первом резонаторе.

В начале семидесятых годов в НИРФИ были создан двухрезонаторный гироклистрон ММДВ с импульсной мощностью 20 кВт. В аналогичном

гироклистроне, разработанном фирмой "Вариан" (США), был достигнут уровень мощности 65 кВт [5*].

Новый этап в развитии гироусилителей связан с их применением в миллиметровой радиолокации. С конца 70х годов в НПО "Радиофизика" проводилась разработка радиолокационной системы (РЛС) ММДВ «Руза», работавшей на частоте 34 ГГц, соответствующей первому «окну» атмосферной прозрачности [6*]. Оконечными каскадами усилительных цепочек передатчика РЛС являлись мощные гироклистроны с рабочим типом колебаний ТЕ021 открытых резонаторов большого поперечного сечения, которые обеспечивали эффективное усиление сигнала при уровнях выходной мощности порядка 500 - 700 кВт в полосе частот 250 - 300 МГц.

В процессе испытаний станции был выявлен ряд недостатков. В частности, использование для обеспечения работы гироклистронов сверхпроводящих соленоидов, охлаждаемых в криостате до температуры жидкого гелия, существенно затрудняло эксплуатацию станции и ухудшало её мобильность и уязвимость. Вторым недостатком являлся низкий коэффициент усиления оконечного каскада передатчика РЛС, в качестве которого использовался двухрезонаторный гироклистрон. Реализовать каскадное группирование в гироклистроне с пространственно развитой электродинамической системой не удалось вследствие самовозбуждения промежуточного резонатора на рабочей моде ТЕ021 при очень низких значениях электронного тока.

Одно из возможных решений первой проблемы заключается в использовании в качестве выходных каскадов передатчиков РЛС гироклистронов, работающих на второй гармонике гирочастоты электронов. Интерес к гироклистронам на гармониках возник в конце 90х годов в связи с появлением в России технологий создания магнитных материалов типа «неодим-железо-бор», позволяющих получать сильные магнитные поля в больших объемах. В 2000 г. в ИПФ РАН был создан импульсный гироклистрон с выходной мощностью 300 кВт, работающий в постоянном магните.

В 1997 - 2000 гг. в Военно-морской лабораторией США (Naval Research Laboratory) проводилась разработка РЛС 3-мм диапазона длин волн WARLOC [7*]. В качестве оконечного каскада усилительной цепочки передатчика станции использовался пятирезонаторный гироклистрон с рабочим типом колебаний резонаторов ТЕ011, имевший выходную импульсную мощность 100 кВт, среднюю мощность 10 кВт и полосу частот 700 МГц. Дальность действия РЛС составляла лишь 40 км, что обусловлено сильным затуханием излучения этого диапазона в атмосфере. Необходимость дальнейшего увеличения мощности РЛС делает актуальной проблему создания в коротковолновой части ММДВ гироклистронов, работающих на высших типах колебаний открытых цилиндрических резонаторов большого поперечного сечения.

Можно выделить несколько наиболее важных проблем, возникающих при создании гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами (ЭДС).

Главная из них заключается в обеспечении устойчивости усилителя. В гироклистроне, работающем на основном циклотронном резонансе нарушение устойчивости, связано, в первую очередь, с самовозбуждением колебаний в области между электронной пушкой и входным резонатором, где магнитное поле слабонеоднородно [3]. В гироклистроне на второй гармонике возникает необходимость подавления не только указанной выше неустойчивости, но и автоколебаний, возбуждающихся на основной циклотронной гармонике в резонаторах и трубках дрейфа.

Вторая проблема связана с сильным влиянием на эффективность ги-роклистронов разброса скоростей электронов в пучке. Для компенсации влияния скоростного разброса необходима оптимизация КПД гироусилите-ля путем подбора параметров электродинамической системы и продольного распределения магнитостатического поля.

Третья проблема возникает при создании гироклистрона, работающего в постоянном магните. Она связана с тем, что формирование электронного потока магнетронно-инжекторной пушкой производится в быстро нарастающем магнитном поле и носит неадиабатический характер, что негативно влияет на качество пучка.

Кроме того, в гироклистронах приходится учитывать ограничения, характерные для всех мощных СВЧ-приборов - опасность высокочастотных пробоев, проблему теплоотвода с поверхности резонаторов и коллектора электронов, трудности создания входных и выходных окон и т.д.

Поэтому, продвижение в направлении укорочения рабочей длины волны излучения, повышения выходной мощности, КПД, коэффициента усиления, расширения полосы рабочих частот и улучшения эксплуатационных свойств гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами возможно лишь в той мере, в которой указанные выше проблемы могут быть успешно разрешены.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании линейных и нелинейных режимов взаимодействия винтового электронного потока с высокочастотными полями открытых цилиндрических резонаторов в ги-роклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами миллиметрового диапазона длин волн, работающих на первой и второй гармониках частоты циклотронного вращения электронов. Исследования направлены на выяснение возможности реализации в гироклистронах высокоэффективных режимов усиления внешнего высокочастотного сигнала при уровне выходной импульсной мощности порядка 300-350 кВт с коэффициентом усиления и шириной полосы

рабочих частот, приемлемых с точки зрения использования этих приборов в передатчиках РЛС ММДВ нового поколения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оптимизация продольной структуры магнитостатического поля в ги-роклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами позволяет существенно (от полутора до двух раз) повысить КПД и выходную мощность гироусилителей.

2. Ограничение выходной мощности и КПД гироклистрона, работающего на первой гармонике циклотронной частоты электронов, обусловлено самовозбуждением колебаний в переходной области между электронной пушкой и входным резонатором, где магнитное поле слабонеоднородно. Основной причиной ограничения мощности и КПД в гироклистроне, работающем на второй гармонике гирочастоты электронов, является самовозбуждение на основном циклотронном резонансе паразитной моды в выходном резонаторе.

3. Требуемая добротность промежуточного резонатора трехрезонатор-ного гироклистрона с пространственно развитой электродинамической системой обеспечивается, главным образом, за счет излучения рабочей моды из его открытого конца R трубку дрейфа с хаотически-неоднородной внутренней поверхностью с последующим ее переизлучением на неодно-родностях в низшие типы колебаний, которые высвечиваются из рабочего объема гироклистрона.

4. В лабораторном макете трехрезонаторного гироклистрона длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн, работающего на второй гармонике частоты циклотронного вращения электронов в постоянном магните, на частоте 32,3 ГГц продемонстрирована выходная импульсная мощность 300 кВт с КПД 23%, коэффициентом усиления 23 дБ в полосе частот 45 МГц. Ограничение ширины полосы рабочих частот достипгутым уровнем обусловлено высокой добротностью выходного резонатора гирок-листрона.

5. В лабораторном макете трехрезонаторного гироклистрона, работающем на первой гармонике гирочастоты электронов, на частоте 93,2 ГГц реализована пиковая мощность 340 кВт при КПД 24%, коэффициенте усиления 25 дБ и ширине полосы усиливаемых частот 370 МГц.

Научная новизна, практическая значимость и использование результатов работы.

Исследовано влияние разброса скоростей и продольной структуры магнитного поля на КПД гироклистрона на второй гармонике гирочастоты электронов. Рассчитаны стартовые токи и частоты паразитных колебаний, возбуждающихся в электродинамической системе гироклистрона. Предложена конструкция трехрезонаторного гироклистрона с пространственно развитой электродинамической системой, в которой требуемая добротность промежуточного резонатора обеспечивается излучением энергии рабочей моды из открытого конца резонатора в трубку дрейфа с хаотически-неоднородной внутренней поверхностью.

Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут быть использованы при создании гирорезонансных усилителей большой мощности.

Результаты работ, включенных в диссертацию, применяются в настоящее время для разработки опытных образцов гироклистронов, предназначенных для использования в качестве оконечных каскадов усилительных цепочек передатчиков РЛС ММДВ нового поколения.

Публикации и апробация результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-18] и докладывались на 19-й, 21-й, 25-й и 26-й международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Сендаи, Япония, 1994 г.; Берлин, ФРГ, 1996 г.; Пекин, КНР, 2000 г.; Тулуза, Франция, 2001 г.), на международной конференции по миллиметровым и субмиллиметровым волнам и их применениям (Сан Диего, США, 1994 г.), на международной конференции «Мощные микроволновые импульсы - 3» (Сан Диего, США, 1995 г.), на 3-й, 4-й и 5-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» (1996, 1999, 2001 гг., Нижний Новгород), на 2-м и 3-м всероссийских семинарах по физике микроволн (1999, 2001 гг., Нижний Новгород)

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объём диссертации составляет 168 страниц, включая 96 страниц основного текста, 72 рисунка, размещенных на 61 странице, и список литературы, состоящий из 69 наименований и приведенный на 8 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, характеризуется состояние проблемы, формулируются цели диссертационной работы. Указана практическая значимость и новизна. Кратко излагается содержание диссертации и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 исследуются основные факторы, ограничивающие выходную мощность и КПД гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами.

Параграф 1.1 посвящен численному исследованию влияния разброса скоростей на КПД двухрезонаторного гироклистрона, работающего на второй гармонике частоты циклотронного вращения электронов. Расчеты проводились с использованием известных нелинейных уравнений [8*], описывающих взаимодействие винтового электронного потока, имеющего скоростной разброс, с высокочастотными полями резонаторов гироусили-теля. В уравнениях значения безразмерных параметров были определены в точке, соответствующей максимуму функции распределения электронов по скоростям их вращательного движения, а разброс по скоростям и питч-фактор пучка (отношение вращательной скорости электронов к поступательной, определенное в максимуме функции распределения электронов по скоростям) являются независимыми параметрами интегрирования. Приводятся результаты численных расчетов КПД и оптимального угла пролета электронов в выходном резонаторе гироклистрона, полученные в моноскоростном приближении. Показано, что максимальный КПД гироклистрона реализуется на границе устойчивости рабочего типа колебаний в выходном резонаторе.

Влияние разброса скоростей электронов на КПД исследовалось в условиях однородного и ступенчатого распределения магнитного поля в пространстве взаимодействия. В последнем случае величина магнитного поля в области трубки дрейфа подбирается таким образом, что электроны пучка группируются в синхронном режиме (частота модулирующего сигнала совпадает с частотой второй циклотронной гармоники и, соответственно, угол пролета электронов через участок дрейфа близок к нулю), а отбор энергии у сгруппированного пучка в выходном резонаторе производится при меньшем по сравнению с областью дрейфа, значении напряженности магнитного поля (т.е. при существенно положительном угле пролета электронов). При этих условиях электронные сгустки, соответствующие различным скоростным фракциям пучка, попадают в тормозящую фазу высокочастотного поля выходного резонатора и отдают ему свою энергию. Проведено сравнение влияния скоростного разброса на КПД гироклистро-на, работающего на первой и второй гармониках гирочастоты электронов.

В параграфе 1.2 на важном примере импульсного гироклистрона на второй гармонике циклотронной частоты электронов с рабочим типом

колебания ТЕ021 и дифракционным вводом энергии детально изучаются различные типы паразитных автоколебаний в пространственно развитой электродинамической системе. Исследуется самовозбуждение паразитных автоколебаний, возбуждающихся во входной секции гироклистрона. Из сравнения дисперсионных характеристик волн ТЕ01, ТЕ021 на первой гармонике и волн ТЕ02, ТЕ22 на второй гармонике в коническом входном волноводе и входном резонаторе показано, что наибольшую опасность представляют паразитные моды на первой гармонике гирочастоты. Приводятся результаты численного исследования самовозбуждения колебаний во входной секции.

Приводятся результаты численных расчетов стартовых токов рабочего и ближайших паразитных типов колебаний в выходном резонаторе гирок-листрона при различных продольных распределениях магнитного поля: а) однородное магнитное поле, б) плавно спадающее поле криомагнита, в) поле криомагнита, скорректированное при помощи цилиндрического магнитного экрана. Показано, что в резонаторе наиболее опасной является паразитная мода ТЕ211, возбуждающаяся на основном циклотронном резонансе. Низкий стартовый ток этой моды обусловлен сильной связью и большой длиной ее взаимодействия с пучком. Использование ступенчатой коррекции магнитного поля (случай б) позволяет сократить эффективную длину взаимодействия паразитной моды и повысить ее стартовый ток.

В параграфе 1.3 исследуется самовозбуждение колебаний в гироклис-троне, работающем на основной циклотронной гармонике. Приводятся результаты расчетов стартовых токов и частоты паразитных автоколебаний, возбуждающихся на моде ТЕ22 в области перед входным резонатором гироклистрона, где магнитное поле слабонеоднородно. Рассматривается самовозбуждение электродинамической системы гироклистрона за счет обратной связи, возникающей вследствие трансформации моды с радиальным индексом больше единицы на неоднородностях резонаторов, в распространяющуюся в трубке дрейфа волну низшего типа. Приводятся аналитические формулы для оценки стартового тока такой генерации и разноса зон по магнитному полю, соответствующих различным значениям фазовой длины петли «усилитель - обратная связь». Расчетные данные подтверждены результатами экспериментального исследования гироклистрона 8мм диапазона с рабочей модой ТЕ021 в котором были искусственно созданы условия для возникновения такой генерации.

Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию гироклистрона на второй гармонике гирочастоты электронов, работающего в постоянном магните. Исследования проводились в два этапа. Задача первого этапа заключалась в демонстрации принципиальной возможности реализации в гироклистроне, работающем на второй циклотронной гармонике в сверхпроводящем соленоиде, устойчивого усиления с уровнем выходной импульсной мощности в несколько сотен киловатт. На втором этапе на базе

полученных результатов был разработан постоянный магнит, неадиабатическая электронная пушка и электродинамическая система гироклистрона.

Параграф 2.1 содержит результаты экспериментального исследования гироклистрона на второй гармонике гирочастоты электронов, работающего в магнитном поле сверхпроводящего соленоида. Приводится описание конструкции лабораторного макета гироклистрона и экспериментальной установки для его исследования. Представлены результаты испытания двух вариантов гироклистрона с одинаковыми параметрами электродинамической системы и различной продольной структурой магнитного поля в выходном резонаторе. В первом случае необходимые для реализации оптимальных углов пролёта в резонаторах и в дрейфе магнитные поля создавались при помощи набора корректирующих соленоидов, достаточно плавно изменявших продольную структуру магнитного поля, а во втором структура поля резко менялась при помощи цилиндрического магнитного экрана, надетого на выходной резонатор. Показано, что в случае ступенчатого распределения магнитного поля стартовый ток паразитной генерации моды ТЕ021 возрастает, что позволяет, в свою очередь, увеличить значение питч-фактора пучка и повысить КПД гироклистрона. В гироклистроне достигнута выходная импульсная мощность 250 кВт при КПД 17%. Приведены результаты экспериментального исследования влияния разброса скоростей электронов в пучке на КПД гироклистрона. Результаты экспериментов находятся в хорошем соответствии с данными численных расчетов, приведенными в параграфе 1.1.

Параграф 2.2 содержит данные экспериментов с гироклистроном, работающем на второй гармонике частоты циклотронного вращения электронов в постоянном магните Описаны конструктивные особенности гироклис-трона и постоянного магнита. Приводятся результаты экспериментального исследования двухрезонаторного и трехрезонаторного лабораторных макетов гироклистрона В двухрезонаторном гироклистроне была продемонстрирована рекордная для данного типа приборов выходная мощность, равная 320 кВт. Максимальный КПД составлял 22%, коэффициент усиления в насыщенном режиме был равен 19 дБ, а ширина полосы усиливаемых частот (по уровню -ЗдБ) составила 45 МГц. В трехрезонаторном гироклис-троне требуемая добротность промежуточного резонатора, расположенного на одинаковом удалении от входного и выходного резонаторов, обеспечивалась не только поглощением внутри него энергии рабочей моды, но и излучением ее из открытого конца резонатора в трубку дрейфа с хаотически-неоднородной внутренней поверхностью. На неоднородностях трубки дрейфа происходило переизлучение рабочей моды ТЕ021 в низшие типы колебаний с последующим их высвечиванием из рабочего объема гирок-листрона. В трехрезонаторном гироклистроне удалось повысить коэффициент усиления до 23 дБ при значениях выходной мощности и КПД, характерных для его двухрезонаторного аналога.

Глава 3 посвяшена экспериментальному исследованию импульсного гироклистрона коротковолновой части ММДВ с пространственно-развитой электродинамической системой, работающего на первой гармонике частоты циклотронного вращения электронов в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим соленоидом.

Параграф 3.1 содержит описание конструкции гироклистрона. Параграф 3.2 посвящен экспериментальному исследованию лабораторного макета двухрезонаторного гироклистрона. В гироклистроне с оптимальным продольным (ступенчатым) распределением магнитостатического поля в пространстве взаимодействия была получена пиковая мощность 220 кВт при КПД свыше 32%. Коэффициент усиления составил порядка 22 дБ, а полоса усиления гироклистрона 140 МГц.

В параграфе 3.3 описаны результаты экспериментального исследования трёхрезонаторного гироклистрона, в котором была достигнута выходная импульсная мощность 340 кВт с КПД 24%, коэффициентом усиления 25 дБ и шириной полосы усиливаемых частот 370 ГГц. В этом гироклистроне выходная мощность и КПД ограничивались самовозбуждением рабочего типа колебаний ТЕ021 в резонаторах гироклистрона. Одной из возможных причин самовозбуждения гироусилителя может служить наличие связи между резонаторами на волне низшего типа ТЕ01 возникающей за счет трансформации рабочей моды на нерегулярностях резонаторов. Перестройка частоты генерации при изменении магнитного поля носит пилообразный характер, причем в эксперименте наблюдались три зоны генерации по магнитному полю, соответствующие различной фазовой длине петли обратной связи. Разнос центров зон по магнитному полю с удовлетворительной точностью совпадал со значением, рассчитанным по формуле, приведенной в параграфе 1.3.

В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы:

1. Проведены численные расчеты КПД гироклистрона, работающего на второй гармонике гирочастоты электронов, в моноскоростном приближении и с учетом разброса электронов по скоростям. Проанализировано влияние скоростного разброса и продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия на группировку пучка. Экспериментально подтверждена возможность существенного (до двух раз) повышения КПД гироклистрона за счет оптимизации продольной структуры магнитостатического поля.

2. Рассчитаны стартовые токи и частоты паразитных колебаний, возбуждающихся в гироклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами. Показано, что ограничение выходной мощности и КПД гироклистрона, работающего на первой гармонике циклотронной частоты электронов, обусловлено возникновением генерации в переходной области между электронной пушкой и входным резонатором. Основной

причиной ограничения мощности и КПД в гироклистроне, работающем на второй гармонике гирочастоты электронов, является самовозбуждение на основном циклотронном резонансе моды, наиболее близкой по магнитному полю к рабочему типу колебаний в выходном резонаторе. Экспериментально продемонстрирована возможность существенного повышения стартового тока этой генерации за счет профилирования магнитного поля в области выходного резонатора.

3. Предложена конструкция трехрезонаторного гироклистрона с пространственно развитой электродинамической системой, в которой требуемая добротность промежуточного резонатора обеспечивается не только поглощением в его стенках рабочей моды, но и, главным образом, излучением ее энергии из открытого конца резонатора в трубку дрейфа с хаотически-неоднородной внутренней поверхностью. На неоднородностях трубки дрейфа происходит переизлучение рабочей моды в низшие типы колебаний с последующим их высвечиванием из рабочего объема гироклистрона.

4. Разработан и создан лабораторный макет трехрезонаторного гирок-листрона импульсного действия, работающего на второй гармонике частоты циклотронного вращения электронов в постоянном магните на основе материала «неодим-железо-бор». Постоянный магнит обеспечивал формирование магнитостатического поля с напряженностью 0,65 Т на длине однородного участка 140 мм. В гироклистроне на частоте 32,3 ГТц была продемонстрирована пиковая мощность 300 кВт с КПД 23%, коэффициентом усиления 23 дБ в полосе частот 45 МГц. Ограничение ширины полосы рабочих частот достигнутым уровнем обусловлено, в первую очередь, высокой добротностью выходного резонатора гироклистрона. Попытка уменьшения добротности резонатора приводит к резкому падению КПД и выходной мощности.

5. Показано, что использование в гироклистронах коротковолновой части ММДВ в качестве рабочих высших типов колебаний открытых цилиндрических резонаторов большого поперечного сечения позволяет повысить выходную импульсную мощность более чем в три раза по сравнению с зарубежными аналогами, работающими на более низких модах. В лабораторном макете трехрезонаторного гироклистрона, работающем на первой гармонике гирочастоты электронов в сверхпроводящем соленоиде, на частоте 93,2 ГТц реализована пиковая мощность 340 кВт при КПД 24%, коэффициенте усиления 25 дБ и ширине полосы усиливаемых частот 370 МГц. Экспериментально продемонстрировано, что оптимизация продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия позволяет повысить КПД гироклистрона в 1,3-1,5 раза по сравнению со случаем однородного магнитного поля.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Antakov 11, Gachev IG , Moiseev M A, Sokolov E V, Zasypkin E V, 35-GHz second-harmonic gyroklystron experiment// Conference Digest, 19th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, Sendai Japan, p 37, 1994

2 Antakov 11, Gachev IG , Zasypkin E V Self-excitation of spurious oscillations m the drift region of gyrotron and their influence on gyrotron opera-tion//IEEE Trans Plasma Science 1994 V 22, №5 P 878-882

3 Антаков И И , Гачев И Г, Засыпкин Е В Об одном механизме возбуждения паразитных колебаний в мощных гиротронах // Известия ВУЗов Радиофизика, Т 37, N 11, 1994, стр 1458-1472

4 Antakov 11, Gachev IG , Sokolov E V, Zasypkin E V, Experimental study of high power Ka band second harmonic gyroklystron amplifier // Intense Microwave Pulses III, Howard E Brandt, Editor, Proc SPIE 2557, 10-12 July, 1995, San Diego, CA, USA, p p 386 392

5 Antakov 11, Gachev IG , Sokolov E V, Experimental study of a two-cavity gyrotron with feedback between cavities // Intense Microwave Pulses III, Howard E Brandt, Editor, Proc SPIE 2557, pp 380-385(1995)

6 Antakov 11, Gachev IG , Moiseev M A, Zasypkin E V , Study of highpower Ka-band second-harmonic gyroklystron amplifier // IEEE Transactions on Plasma Science, Vol 24,No3,pp 666 670,1996

7 Antakov 11, Gachev I G , Kurbatov VI, Sokolov E V Soluyanova E A , Zasypkin E V , A Ka-band 10 kW CW efficient compact gyrotron for materials processing // Proceedings of the 21d International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 14-18 July, 1996, Humbolt-Universitat zu Berlin, Berlin, FRG,pp AM3

8 Antakov 11, Gachev I G, Kurbatov VI, Sokolov E V , Soluyanova E A, Zasypkin E V, Ka-band and W-band 10 kW CW high efficiency gyrotron for materials processing // Proceedings of the Ш-rd International Workshop "Strong Microwaves m Plasmas", V 2, 7 14 August, 1996, IAP, Nizhny Novgorod, Russia, pp 679-687

9 Zasypkin E V, Gachev IG, Antakov 11, Moiseev M A , Lygin V К, Sokolov E V , Development of a W band 120 kW gyroklystron at IAP // Conference Digest of the 23d International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 7-11 September, 1998, University of Essex, Colchester, Essex, UK, p 183

10 Zasypkin E V , Antakov 11, Gachev IG, Vlasov S N , Sokolov E V, Continuously tunable 35-190 GHz powerful gyrotrons at GYCOM // Conference Digest of the 23d International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 711 September, 1998, University of Essex, Colchester, Essex, UK, p p 323-324

11 Zasypkin E V, Gachev IG , Antakov 11, Moiseev M A, Zavolsky N A, Study of a W-band 200 kW gyroklystron amplifier // Conference Digest of the 24th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 6-10 September, 1999, Monterey, USA, p p W A2

12 Засыпкин Е В , Антаков И И, Гачев И Г, Соколов Е В , Моисеев М А, Исследование возможностей широкополосной перестройки частоты излучения в гиротронах // Сборник отчетов по научным проектам МНТП России «Физика микроволн» за 1998г, ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1999, стр 5-12

13 Gachev IG , Antakov 11, Sokolov E V , Moiseev M A, Zavolsky N A , Zasypkin E V 200 kW pulsed W-band gyroklystron amplifier // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves m Plasmas", Vol 2, 2-9 August, 1999, IAP RAS, Nizhny Novgorod, Russia, p p 713-717

14 Gachev IG , Antakov 11, Zasypkin E V Status of a W-band pulsed 200 kW gyroklystron experiment // Conf Digest of 25th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 12 10 September, 2000, Beijing, China, p W F4

15 Засыпкин Е В, Антаков И И, Гачев И Г, Соколов Е В , Исследование возможностей широкополосной перестройки частоты излучения в гиротронах // Сборник отчетов по научным проектам МНТП России «Физика микроволн» за 2000г, ИПФ РАН, Нижний Новгород, 2001г,стр 5 10

16 Zasypkin Е V , Gachev IG Antakov 11, Sokolov E V , W-band pulsed 300 kW gyroklystron amplifier // Conf Digest of the 26th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 10-14 September, 2001, Toulouse France, pp 5-86-5-88

17 Gachev I G , Antakov 11 Lygin V К , Moiseev M A , Sokolov E V , Zasypkin E V, A Ka-band second-harmonic gyroklystron with a permanent magnet // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Vol 2, 1-9 August, 2002, IAP RAS, Nizhny Novgorod, Russia, p p 151-155

18 Гачев И Г , Малыгин О В «Устройство для определения плотности тока в электронных пучках мазеров на циклотронном резонансе» Авторское свидетельство на изобретение №1457606

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1*. Агапова М.В., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Ильин В.И., Ильин В.Н., Курбатов В.Н.. Куфтин А.Н., Литвак А.Г., Малыгин С.А., Мясников В.Е., Попов Л.Г., Смирнов В.П., Тай Е.М., Усачев СВ., Результаты и перспективы разработки в России мегаваттных гиротронов для ЭЦВ системы установки ИТЭР // Тез. докл. 7-й международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, С.-Петербург, 2002 г., стр. 77.

2* Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M., Kholoptsev V., Luchinin A., Plot-nikov I., Denisov G., Bogdashev A., Kalynova G., Semenov V., and Zharova N., 24-84-GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications // IEEE Trans, on Plasma Science, V. 32, №. 1, February 2004

3*. Засыпкин Е.В. Мощные гирорезонансные усилители // Вакуумная СВЧ электроника: Сборник обзоров.- Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2002, стр. 77-86.

4*. Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Юлпатов В.К. Мазер на циклотронном резонансе с двумя резонаторами (МЦР-клистрон) // Тез. докл. на 5-й межвузовской конференции по электронике СВЧ, Саратов, 1966, стр. 20.

5*. Jory H., Hegyi S.. Shively I, Symons R. Gyrotron development // Microwave Journal, 1978, Vol.21, p. 31

6*. Tolkachev A.A., Levitan B.A., Soloviev G.K., Veytsel V.V., Farber V.E. A megawatt power millimeter-wave phased-array radar // IEEE AES Systems Magazine. July 2000, pp. 25-31.

7*. Danly B.G., Cheung J., Gregers-Hansen V., Linde G., Ngo M. WARLOC: a high-power millimeter-wave radar. // Proc. 27th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, San Diego, USA, 2002, pp. 233-234M.

8*. Zasypkin E.V., Moiseev M.A., Sokolov E.V., Yulpatov V.K. Effect of penultimate cavity position and tuning on three-cavity gyroklystron amplifier performance // Int. J. Electronics, 1995, Vol.78, No.2, pp.423-433.

O/.PV

Игорь Геннадьевич ГАЧЕВ

ГИРОКЛИСТРОНЫ ДИАПАЗОНА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН С ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗВИТЫМИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

Автореферат

Подписано к печати 22.04.2005 г Формат 60 х 90 1/16 Бумага офсетная № 1. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9 Тираж 100 экз. Заказ № 32(2005).

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

19 МАЙ 2005

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Гачев, Игорь Геннадьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ВЫХОДНУЮ МОЩНОСТЬ И КПД ГИРОКЛИСТРОНОВ С ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗВИТЫМИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ, И СПОСОБЫ ИХ КОМПЕНСАЦИИ.

1.1. Влияние разброса скоростей электронов на КПД гироклистрона на второй гармонике гирочастоты.

1.1.1 Основные уравнения, описывающие работу гироклистрона с электронным пучком, имеющим разброс по скоростям.

1.1.2 КПД двухрезонаторного гироклистрона с моноскоростным электронным пучком.

1.1.3 Влияние разброса скоростей на КПД в случае однородного магнитного поля в резонаторах гироклистрона.

1.1.4 Компенсация влияния разброса скоростей за счет оптимизации структуры магнитного поля.

1.2. Паразитная генерация в гироклистроне на второй гармонике циклотронной частоты с квазиоптическим входным преобразователем

1.2.1 Исследование характерных неустойчивостей, возникающих во входном узле гироклистрона.

1.2.2 Самовозбуждение автоколебаний в выходном резонаторе гироклистрона и его подавление путем профилирования продольной структуры магнитного поля.

1.3. Паразитная генерация в гироклистроне на основном циклотроном резонансе.

1.3.1 Исследование устойчивости входного узла гироклистрона и влияния структуры магнитного поля на стартовый ток.

1.3.2 Паразитные автоколебания в электродинамической системе гироклистрона с радиальным индексом рабочего типа колебаний больше единицы.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОГО ГИРОКЛИСТРОНА 8-ММ ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН НА ВТОРОЙ ГАРМОНИКЕ ГИРОЧАСТОТЫ.

2.1. Исследование лабораторного макета гироклистрона, работающего в магнитном поле сверхпроводящего соленоида.

2.1.1 Конструкция гироклистрона.

2.1.2 Экспериментальная проверка возможности подавления паразитной генерации в выходном резонаторе путем профилирования магнитного поля.

2.1.3 Экспериментальная проверка влияния разброса скоростей на КПД двухрезонаторного гироклистрона.

2.2. Экспериментальное исследование гироклистрона, работающего в поле постоянного магнита.

2.2.1 Магнитная система гироклистрона.

2.2.2 Конструкция гироклистрона.

2.2.3 Экспериментальное исследование двухрезонаторного варианта гироклистрона.

2.2.4 Трехрезонаторный вариант гироклистрона.

ГЛАВА 3. МОЩНЫЙ ГИРОКЛИСТРОН 3-ММ ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН.

3.1. Конструкция усилителя.

3.2. Результаты исследования двухрезонаторного гироклистрона.

3.3. Экспериментальное исследование трехрезонаторного гироклистрона.

3.4. Трехрезонаторный гироклистрон повышенной мощности.

Введение диссертация по физике, на тему "Гироклистроны диапазона миллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами"

Актуальность темы.

Последние десятилетия характеризуются широким использованием электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн (ММДВ) в таких областях физики и техники как управляемый термоядерный синтез (УТС), обработка материалов, ускорение заряженных частиц, радиолокация и связь. По уровню выходной мощности в этом диапазоне несомненным преимуществом обладают гирорезонансные генераторы (гиротроны) и усилители (гироклистроны, гиро-ЛБВ), основанные на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических систем, которые не содержат малых, по сравнению с длиной волны, элементов [1*]. Достигнутый к настоящему времени уровень импульсной выходной мощности в миллиметровом диапазоне длин волн составляет для гиротронов порядка одного мегаватта, а для гироклистронов - сотни киловатт [2*, 3*, 4*].

В гироклистронах роль отдельных каскадов играют относительно низкодобротные цилиндрические резонаторы, разделенные запредельными для рабочего типа колебаний трубками дрейфа. Процесс усиления сигнала в гироклистроне аналогичен процессу усиления в обычном клистроне О-типа.

Во входном резонаторе энергия вращательного движения электронов модулируется высокочастотным полем входного сигнала, частота которого близка к частоте циклотронного вращения электронов или ее гармоникам. В трубке дрейфа электроны группируются по фазе вращения из-за релятивистского эффекта. Образовавшиеся при группировке сгустки поступают в выходной резонатор, возбуждая в нем ВЧ поле на частоте усиливаемого сигнала с большой амплитудой [6*, 7*]. По аналогии с пролетным клистроном, для увеличения коэффициента усиления и КПД в гироклистроне могут быть использованы промежуточные резонаторы. Воздействие ВЧ полей, возбуждаемых пучком в промежуточных резонаторах, на предварительно сгруппированный электронный поток приводит к уплотнению фазовых сгустков и росту переменной составляющей электронного тока на входе последнего резонатора [8*].

В качестве рабочих типов колебаний гироклистронов используются моды ТЕоп и TEo2i открытых цилиндрических резонаторов кругового сечения. Возбуждение во входном резонаторе колебания ТЕ0ц осуществляется одномодовым прямоугольным волноводом, связанным с резонатором системой продольных синфазных щелей [9*]. В гироклистроне с рабочим типом колебаний TE02i ввод энергии в первый резонатор производится на волне ТЕоь через волновод, проходящий через отверстие в катоде электронной пушки, с последующим ее преобразованием при помощи аксиально-симметричного рефлектора, установленного между пушкой и входным волноводом, в волну ТЕо2, возбуждающую через диафрагму связи рабочий тип колебаний TE02i в первом резонаторе[10*].

В начале семидесятых годов в НИРФИ и НИИ "Исток" (г. Фрязино, Московской обл.) были сконструированы и испытаны мощные усилители 8мм диапазона длин волн с рабочим типом колебаний резонаторов ТЕ0ц: трехрезонаторный гироклистрон непрерывного действия с выходной мощностью около 10 кВт с КПД 25% и коэффициентом усиления 30 дБ

НИИ "Исток") и двухрезонаторный гироклистрон с импульсной мощностью 20 кВт при КПД 25% и коэффициенте усиления 20 дБ (НИРФИ). Первая американская разработка гироклистрона была предпринята фирмой "Вариан" в 1977 г. В экспериментальном макете гироклистрона был достигнут уровень мощности 65 кВт при КПД 9%, коэффициенте усиления 40 дБ в полосе рабочих частот 0,2% [11*].

Новый этап в развитии гироусилителей связан с их применением в миллиметровой радиолокации. С конца 70х годов в НПО "Радиофизика" (г. Москва) проводилась разработка многолучевой радиолокационной системы (PJIC) ММДВ, предназначенной для одновременного обнаружения и точного определения координат нескольких целей с размерами порядка одного метра на дальностях до 1000 км. Экспериментальный вариант наземной РЛС «Руза», работавшей на частоте 34 ГГц, которая соответствует первому окну атмосферной прозрачности, был создан и успешно испытан в конце 80х - начале 90х годов [12*]. Оконечными каскадами усилительных цепочек передатчика PJ1C являлись мощные гироклистроны с рабочим типом колебаний ТЕсш открытых резонаторов большого поперечного сечения, которые обеспечивали эффективное усиление сигнала при уровнях выходной мощности порядка 500-700 кВт в полосе частот 250-300 МГц [13*, 14*].

В ходе испытаний были продемонстрированы уникальные энергетические характеристики радиолокатора в сочетании с высокой разрешающей способностью. Однако, по мнению разработчиков PJIC, необходимость использования для обеспечения работы гироклистронов сверхпроводящих соленоидов, охлаждаемых в криостате до температуры жидкого гелия, представляла собой весьма существенный недостаток как с точки зрения эксплуатации станции, так и с точки зрения ее мобильности и уязвимости. Вторым существенным недостатком являлся низкий коэффициент усиления оконечного каскада усилительной цепочки передатчика PJIC, в качестве которого использовался двухрезонаторный гироклистрон. По этой причине, в качестве предоконечного каскада усиления был использован трехрезонаторный гироклистрон с рабочим типом колебаний ТЕоп, также работавший в магнитном поле, создаваемом криомагнитом. Реализовать каскадное группирование в гироклистроне с пространственно развитой электродинамической системой не представилось возможным вследствие самовозбуждения промежуточного резонатора на рабочей моде ТЕ021 при очень низких значениях электронного тока.

Одно из возможных решений первой проблемы заключается в использовании в качестве выходных каскадов передатчиков PJIC гироклистронов, работающих на второй гармонике гирочастоты электронов. Однако вопрос о разработке в рамках проводимой программы создания PJIC ММДВ мощного гироклистрона на гармониках частоты циклотронного вращения электронов серьезно не обсуждался, поскольку в то время альтернативой сверхпроводящему соленоиду мог служить только обычный электромагнит, потребляющий большую мощность и требующий для обеспечения своей работы двухконтурной системы охлаждения (масляной и водяной). По этой причине интерес к гироклистронам на гармониках возник лишь в конце 90х годов в связи с появлением в России технологий создания магнитных материалов типа «неодим-железо-бор» с большой коэрцитивной силой, позволяющих получать сильные магнитные поля (до IT) в больших объемах. В ИПФ РАН по согласованию с ОАО «Радиофизика» была проведена НИР по созданию импульсного гироклистрона с выходной мощностью 300 кВт и полосой усиливаемых частот 100 МГц, работающего в постоянном магните. Гироклистрон с таким высоким уровнем выходной мощности должен иметь пространственно развитую электродинамическую систему и электронный поток с большим питч-фактором и малым разбросом скоростей электронов.

В период с 1997г. по 2000г. Военно-морской лабораторией США (Naval

Research Laboratory) проводилась разработка PJIC коротковолновой части ММДВ, которая впоследствии получила название WARLOC [15*]. РЛС WARLOC работала на частоте 94 ГГц, соответствующей второму окну атмосферной прозрачности. В качестве оконечного каскада усилительной цепочки передатчика станции использовался пятирезонаторный гироклистрон VGB-8194 SN2 с рабочим типом колебаний резонаторов ТЕ0ц, имеющий выходную импульсную мощность 100 кВт, среднюю мощность 10 кВт, КПД 31%, коэффициент усиления 33 дБ и полосу частот 700 МГц [16* -J- 20*]. Дальность действия PJIC составляет лишь 40 км (при размерах цели порядка одного метра), что обусловлено сильным затуханием излучения этого диапазона в атмосфере. Достигнутые в приборе VGB-8194 уровни импульсной и средней мощности являются, по сути дела, предельными для гироклистронов с рабочей модой ТЕ0ц. Очевидно, что дальнейшее увеличение мощности передатчика PJIC возможно лишь при использовании в качестве оконечных каскадов усилительной цепочки гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами, работающих на высших типах колебаний открытых цилиндрических резонаторов.

Вторая проблема связана с сильным влиянием на эффективность гироклистронов разброса скоростей электронов в пучке. Для компенсации влияния скоростного разброса необходима оптимизация КПД гироусилителя путем подбора параметров электродинамической системы и продольного распределения магнитостатического поля.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании линейных и нелинейных режимов взаимодействия винтового электронного потока с высокочастотными полями открытых цилиндрических резонаторов в гироклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами миллиметрового диапазона длин волн, работающих на первой и второй гармониках частоты циклотронного вращения электронов. Исследования направлены на выяснение возможности реализации в гироклистронах высокоэффективных режимов усиления внешнего высокочастотного сигнала при уровне выходной импульсной мощности порядка 300-350 кВт с коэффициентом усиления и шириной полосы рабочих частот, приемлемых с точки зрения использования этих приборов в передатчиках PJIC ММДВ нового поколения.

В рамках решения этой задачи были выполнены:

• Теоретический анализ влияния разброса скоростей на КПД двухрезонаторного гироклистрона на второй гармонике гирочастоты и сравнение степени этого влияния со случаем основного циклотронного резонанса.

• Теоретическое и экспериментальное исследование различных механизмов самовозбуждения паразитных автоколебаний в гироклистронах, работающих на первой и второй гармониках гирочастоты

• Реализация и экспериментальное исследование двух лабораторных макетов гироклистрона с рабочее модой TE0,2,i на второй гармонике гирочастоты, работавших в длинноволновой части миллиметрового диапазона и использовавших магнитные поля сверхпроводящего соленоида и постоянного магнита соответственно.

• Реализация и экспериментальное исследование двух- и трёхрезонаторного вариантов лабораторного макета гироклистрона 3 мм диапазона длин волн с рабочей модой TEo,2,i.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

КПД гироклистрона за счет оптимизации продольной структуры магнитостатического поля.

Рассчитаны стартовые токи и частоты паразитных колебаний, возбуждающихся в гироклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами. Показано, что ограничение выходной мощности и КПД гироклистрона, работающего на первой гармонике циклотронной частоты электронов, обусловлено возникновением генерации в переходной области между электронной пушкой и входным резонатором. Основной причиной ограничения мощности и КПД в гироклистроне, работающем на второй гармонике гирочастоты электронов, является самовозбуждение на основном циклотронном резонансе моды, наиболее близкой по магнитному полю к рабочему типу колебаний в выходном резонаторе. Экспериментально продемонстрирована возможность существенного повышения стартового тока этой генерации за счет профилирования магнитного поля в области выходного резонатора.

Предложена конструкция трехрезонаторного гироклистрона с пространственно развитой электродинамической системой, в которой требуемая добротность промежуточного резонатора обеспечивается не только поглощением в его стенках рабочей моды, но, главным образом, излучением ее энергии из открытого конца резонатора в трубку дрейфа с хаотически-неоднородной внутренней поверхностью. На неоднородностях трубки дрейфа происходит переизлучение рабочей моды в низшие типы колебаний с последующим их высвечиванием из рабочего объема гироклистрона.

Разработан и создан лабораторный макет трехрезонаторного гироклистрона импульсного действия, работающего на второй гармонике частоты циклотронного вращения электронов в постоянном магните на основе материала «неодим-железо-бор». Постоянный магнит обеспечивал формирование магнитостатического поля с напряженностью 0,65 Т на длине однородного участка 140 мм. В гироклистроне на частоте 32,3 ГГц была продемонстрирована пиковая мощность 300 кВт с КПД 23%, коэффициентом усиления 23 дБ в полосе частот 45 МГц. Ограничение ширины полосы рабочих частот достигнутым уровнем обусловлено, в первую очередь, высокой добротностью выходного резонатора гироклистрона. Попытка уменьшения добротности резонатора приводит к резкому падению КПД и выходной мощности.

5. Показано, что использование в гироклистронах коротковолновой части ММДВ в качестве рабочих высших типов колебаний открытых цилиндрических резонаторов большого поперечного сечения позволяет повысить выходную импульсную мощность более, чем в три раза, по сравнению со значением, достигнутым к настоящему времени в зарубежных аналогах, использующих моду ТЕ0ц. В лабораторном макете трехрезонаторного гироклистрона, работающем на первой гармонике гирочастоты электронов в сверхпроводящем соленоиде, на частоте 93,2 ГГц реализована пиковая мощность 340 кВт при КПД 24%, коэффициенте усиления 25 дБ и ширине полосы усиливаемых частот 370 МГц. Экспериментально продемонстрировано, что оптимизация продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия позволяет повысить КПД гироклистрона в 1,3-1,5 раза по сравнению со случаем однородного магнитного поля.

Практическая значимость и использование результатов работы.

В диссертационной работе исследованы физические процессы, определяющие основные характеристики гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами. Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут быть использованы при создании гирорезонансных усилителей большой мощности.

Публикации и апробация результатов

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-18] и докладывались на 19, 21, 25 и 26-й международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Сендаи, Япония, 1994; Берлин, ФРГ, 1996; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001), на международной конференции по миллиметровым и субмиллиметровым волнам и их применениям (Сан Диего, США, 1994), на международной конференции «Мощные микроволновые импульсы - 3» (Сан Диего, США, 1995), на 3, 4 и 5-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» ( 1996; 1999; 2001, Н.Новгород), на 2 и 3-м всероссийских семинарах по физике микроволн ( Нижний Новгород, 1999, 2001 г.)

Структура и объём диссертации

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

Проведены численные расчеты КПД гироклистрона, работающего на второй гармонике гирочастоты электронов, в моноскоростном приближении и с учетом разброса электронов по скоростям. Проанализировано влияние скоростного разброса и продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия на группировку пучка. Экспериментально подтверждена возможность существенного (до двух раз) повышения КПД гироклистрона за счет оптимизации продольной структуры магнитостатического поля.

Показано, что использование в гироклистронах коротковолновой части ММДВ в качестве рабочих высших типов колебаний открытых цилиндрических резонаторов большого поперечного сечения позволяет повысить выходную импульсную мощность более чем в три раза по сравнению с зарубежными аналогами, работающими на более низких модах. В лабораторном макете трехрезонаторного гироклистрона, работающем на первой гармонике гирочастоты электронов в сверхпроводящем соленоиде, на частоте 93,2 ГГц реализована пиковая мощность 340 кВт при КПД 24%, коэффициенте усиления 25 дБ и ширине полосы усиливаемых частот 370 МГц. Экспериментально продемонстрировано, что оптимизация продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия позволяет повысить КПД гироклистрона в 1,3-1,5 раза по сравнению со случаем однородного магнитного поля.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Antakov I.I., Gachev I.G., Moiseev М.А., Sokolov E.V., Zasypkin E.V., 35-GHz second-harmonic gyroklystron experiment// Conference Digest, 19th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, Sendai Japan, p. 37,

1994.

2. Antakov 1.1., Gachev I.G., Zasypkin E.V. Self-excitation of spurious oscillations in the drift region of gyrotron and their influence on gyrotron operation//IEEE Trans. Plasma Science. 1994. V. 22, №5. P. 878-882.

3. Антаков И.И., Гачев И.Г., Засыпкин E.B. Об одном механизме возбуждения паразитных колебаний в мощных гиротронах // Известия ВУЗов Радиофизика, Т. 37, N 11, 1994, стр. 1458-1472.

4. Antakov I.I., Gachev I.G., Sokolov E.V., Zasypkin E.V., Experimental study of high power Ka-band second-harmonic gyroklystron amplifier // Intense Microwave Pulses III, Howard E. Brandt, Editor, Proc. SPIE 2557, 10-12 July,

1995, San Diego, CA, USA, p.p. 386-392.

5. Antakov I.I., Gachev I.G., Sokolov E.V., Experimental study of a two-cavity gyrotron with feedback between cavities // Intense Microwave Pulses III, Howard E. Brandt, Editor, Proc. SPIE 2557, p.p. 380-385 (1995)

6. Antakov I.I., Gachev I.G., Moiseev M.A., Zasypkin E.V., Study of high-power Ka-band second-harmonic gyroklystron amplifier // IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 24, No 3, p.p. 666-670, 1996.

7. Antakov I.I., Gachev I.G., Kurbatov V.I., Sokolov E.V., Soluyanova E.A., Zasypkin E.V., A Ka-band 10 kW CW efficient compact gyrotron for materials processing // Proceedings of the 2Id International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 14-18 July, 1996, Humbolt-Universitat zu Berlin, Berlin, FRG, p.p. AM3.

8. Antakov I.I., Gachev I. G., Kurbatov V.I., Sokolov E.V., Soluyanova E.A.,

Zasypkin E.V., Ka-band and W-band 10 kW CW high efficiency gyrotron for materials processing I I Proceedings of the Ш-rd International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", V.2, 7-14 August, 1996, IAP, Nizhny Novgorod, Russia, pp. 679-687.

9. Zasypkin E.V., Gachev I.G., Antakov I.I., Moiseev M.A., Lygin V.K., Sokolov E.V., Development of a W-band 120 kW gyroklystron at IAP // Conference Digest of the 23d International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 7-11 September, 1998, University of Essex, Colchester, Essex, UK, p 183.

10. Zasypkin E.V., Antakov I.I., Gachev I.G., Vlasov S.N., Sokolov E.V., Continuously tunable 35-190 GHz powerful gyrotrons at GYCOM // Conference Digest of the 23d International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 711 September, 1998, University of Essex, Colchester, Essex, UK, p.p. 323-324.

11. Zasypkin E.V., Gachev I.G., Antakov I.I., Moiseev M.A., Zavolsky N.A., Study of a W-band 200 kW gyroklystron amplifier // Conference Digest of the 24th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 6-10 September, 1999, Monterey, USA, p.p. W-A2.

12. Засыпкин E.B., Антаков И.И., Гачев И.Г., Соколов Е.В., Моисеев М.А., Исследование возможностей широкополосной перестройки частоты излучения в гиротронах // Сборник отчетов по научным проектам МНТП России «Физика микроволн» за 1998г., ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1999, стр. 5-12.

13. Gachev I.G., Antakov I.I., Sokolov E.V., Moiseev M.A., Zavolsky N.A., Zasypkin E.V. 200 kW pulsed W-band gyroklystron amplifier // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Vol. 2, 2-9 August, 1999, IAP RAS, Nizhny Novgorod, Russia, p.p. 713-717.

14. Gachev I.G., Antakov I.I., Zasypkin E.V. Status of a W-band pulsed 200 kW gyroklystron experiment // Conf Digest of 25th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 12-10 September, 2000, Beijing, China, p W-F4.

15. Засыпкин Е.В., Антаков И.И., Гачев И.Г., Соколов Е.В., Исследование возможностей широкополосной перестройки частоты излучения в гиротронах // Сборник отчетов по научным проектам МНТП России «Физика микроволн» за 2000г., ИПФ РАН, Нижний Новгород, 2001г., стр. 5-10.

16. Zasypkin E.V., Gachev I.G., Antakov I.I., Sokolov E.V., W-band pulsed 300 kW gyroklystron amplifier // Conf Digest of the 26th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 10-14 September, 2001, Toulouse, France, p.p. 5-86 - 5-88.

17. Gachev I.G., Antakov 1.1., Lygin V.K., Moiseev M.A., Sokolov E.V., Zasypkin E.V., A Ka-band second-harmonic gyroklystron with a permanent magnet // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Vol. 2, 1-9 August, 2002, IAP RAS, Nizhny Novgorod, Russia, p.p. 151-155.

18. Гачев И.Г., Малыгин O.B. «Устройство для определения плотности тока в электронных пучках мазеров на циклотронном резонансе» Авторское свидетельство на изобретение №1457606.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гачев, Игорь Геннадьевич, Нижний Новгород

1. Курбатов В.Н,, Куфтин А.Н., Литвак А.Г., Малыгин А., Мясников В.Е.,

2. Попов Л.Г., Смирнов В.П., Тай Е.М., Усачев СВ. //Тез. докл. 7-ймеждународной конференции по инженерным проблемам термоядерных * * реакторов, -Петербург, 2002 г., стр. 77. 3*. Bykov Yu., Eremeev А., Glyavin М., Kholoptsev V., Luchinin A.,

3. Plotnikov I., Denisov G., Bogdashev A., Kalynova G., Semenov V., and Zharova

4. N., 24-84-GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications //

5. EE Trans, on Plasma Science, V. 32, №. 1, February 20044*. Засыпкин E.B. Мощные гирорезонансные усилители // Вакуумная

6. Plasmas", Vol. 2, 18-23 September, 1990, lAP, Nizhny Novgorod, Russia, p.p.773-778. 7*. Antakov 1.1., Keyer A. P., Musatov V. S., Myasnikov V. E, Sokolov E.V.,

7. Tube for low-hybrid heating of toroidal plasmas, Proceedings of the International

8. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Vol. 2, 18-23 September, 1990, lAP,

9. Digest of the 18th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 6

10. September, 1993, University of Essex, Colchester, UK, p.p. 336-337.* P 10*. Antakov I. I., Keyer A. P., Musatov V. S., Myasnikov V. E., Sokolov E. v., Yulpatov V. K., Zasypkin E.V., 35-GHz radar gyroklystrons,/Conference

11. Digest of the 18th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, 6

12. September, 1993, University of Essex, Colchester, UK, p.p. 338-339ll*.Jory H., Hegyi S., Shively J., Symons R. Gyrotron development //

13. Microwave Journal, 1978, Vol.21, p. 31.12*. Tolkachev A.A., Levitan B.A., Soloviev G.K., Veytsel V.V., Farber V.E.

14. A megawatt power millimeter-wave phased-array radar // IEEE AES Systems

15. Magazine. July 2000, pp. 25-31.13*. Aksenova L. A., Antakov 1.1., Keyer A. P., Musatov V. S., Myasnikov V.

16. S., Myasnikov V. E., Popov L. G., Sokolov E. V., Levitan B. A., Tolkachev A. A.,

17. Yulpatov V. K. // Gyroklystrons - millimeter-wave amplifiers of the highest* power, Proceedings of the Ild International Work-shop "Strong Micro-waves in

18. Plasmas", Vol. 2, 15-22 August, 1993, lAP, Nizhny Novgorod, Russia, p.p. 578596. 15*. Danly B.G., Cheung J., Gregers-Hansen V., Linde G., Ngo M. WARLOC: a high-power millimeter-wave radar // Proc. 27th Int. Conf on Infrared and

19. Millimeter Waves, San Diego, USA, 2002, pp. 233-234M.16*. Blank, M., Danly, G., Levush, В., Calame, J.P., Nguyen, K., Pershing, D.,

20. Petillo, J., Hargreaves, T.A., True, R.B., Theiss, J., Good, G.R., Felch, K., James,

21. B.G., Borchard, P., Cahalan, P., Chu, T.S., Jory, H., Lawson, W.G., Antonsen, Jr.,

22. T.M., 1999, Demonstration of a 10 kW average power 94 GHz gyroklystronamplifier // Phys. of Plasmas, 6, p.p. 4405-4409. 17*. Blank, M., Felch, K., James, B.G., Borchard, P., Cahalan, P., Chu, T.S.,

23. Jory, H., Hargreaves, T.A., True, R.B., Theiss, A.J., Good, G.R., Danly, B.G.,1.vush, В., Calame, J.P., Nguyen, K., Pershing, D., Petillo, J., Lawson, W.G.,

24. Antonsen, T.M. jr., 1999, Experimental demonstration of a high-average power

25. W-band gyroklystron amplifier // Proc. 4th Int. Workshop on Strong Microwavesin Plasmas, Nizhny Novgorod, ed. A.G. Litvak, Inst, of Applied Physics, Russian

26. Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, 2000, Vol. 2, pp.703-712.18*. Blank, M., Felch, K., James, B.G., Borchard, P., Cahalan, P., Chu, T.S.,

27. Danly, B.G., Pershing, D.E., Nguyen, K., Calame, J.P., Levush, В., 2000,

28. Demonstration of high average power W-band gyro-amplifiers // Conf Digest25th Int. Conf on Infrared and Millimeter Waves, Beijing, P.R. China, pp. 113114. 19*. Blank, M., Danly, B.C., Levush, В., 2000, Experimental demonstration of

29. W-band gyroklystron amplifiers with improved gain and efficiency // IEEE Trans,on Plasma Science, PS-28, 706-711. 20*. Danly, B.G., Blank, M., Calame, J.P., Levush, В., Nguyen, K.T.,

30. Pershing, D.E., Parker, R.K., Felch, K.L., James, B.G., Borchard, P., Cahalan, P.,

31. Chu, T.S., Jory, H.R., Hargreaves, T.A., True, R.B., Lawson, W.G., Antonsen,

32. Саратов: СГУ, 1974, кн. IV, с. 95-17822*. Гиротрон / Сборник статей под редакцией А.В.Гапонова - Грехова.

33. Горький: РШФ АН СССР, 1981.23*. Flyagin V.A., Gaponov A.V., Petelin M.L, Yulpatov V.K.. The gyrotron //

34. EE Trans. MTT. 1977. V. MTT-25, № 6. pp. 514-521.24*. Петелин М.И., Юлпатов В.К. Мазеры на циклотронном резонансе. //

35. September, 1993, University of Essex, Colchester, UK, p.p. 466-467.26*. Antakov I. I., Sokolov E. V., Zasypkin E.V. Experimental study of a 94

36. Zapevalov, V.E., Zavolsky, N.A., 1999, 5.8-62 GHz CW gyrotrons with warm andpermanent magnets for technological application // Proc. 4th Int. Workshop on

37. Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, ed. A.G. Litvak, Inst, of

38. Applied Physics, Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, 2000, Vol. 2,pp. 671- 676. 28*. Kuftin, A.N., Flyagin, V.A., Lygin, V.K., Malygin, O.V., Zapevalov, V.E.,

39. Zavolsky, N.A.,1999, Technological gyrotrons with permanent magnet system. //

40. Proc. Int. University Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-High-167

41. Frequencies" (UHF-99), 1999, St. Petersburg, Russia, pp. 126-129.29*. Kuftin, A.N., Flyagin, V.A., Lygin, V.K., Malygin, O.V., Zapevalov, V.E.,

42. Zavolsky, N.A., Technological gyrotrons with permanent magnet system // 2000,

43. Conf. Digest 25th Int. Conf on Infrared and Millimeter Waves, Beijing, P.R.1. China, pp. 267-268. 30*. Цимринг Ш.Е., Павельев В.Г. К теории неоднородных электромагнитных волноводов, содержащих критические сечения //

44. Радиотехника и электроника, 1982. Т.27. №6. 1099-1101<^8