Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем

Глявин, Михаил Юрьевич

Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Глявин, Михаил Юрьевич АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем»

Автореферат диссертации на тему "Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем"

□03462557

На правах рукописи

ГЛЯВИН Михаил Юрьевич

ГИРОТРОНЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2009

003462557

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН Трубецков Дмитрий Иванович

доктор физико-математических наук, Соминский Геннадий Гиршевич

доктор физико-математических наук Нечаев Владислав Евгеньевич

Ведущее предприятие:

ФГУП "ГНПП Исток", Фрязино, Московская область

Защита состоится "16 " марта 2009 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 при Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Автореферат разослан " ^ " 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Последние десятилетия характеризуются широким использованием электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн в различных областях физики и техники [1]. По уровню выходной мощности в этом диапазоне несомненное лидерство принадлежит гирорезонансным генераторам (гиротроны, гиро-ЛОВ) и усилителям (гироклистроны, гиро-ЛБВ), основанным на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических систем, не содержащих малых, по сравнению с длиной волны, элементов (см., например, обзоры [2, 3]). Последнее обстоятельство позволяет избежать минитюаризации пространства взаимодействия и относительно просто реализовать системы с большой запасенной энергией активной среды (электронный пучок) и приемлемыми тепловыми нагрузками на элементы прибора. Несмотря на значительные успехи в развитии гиротронов, достигнутые за время исследований, проблемы повышения КПД гиротронов и освоение гиротронами субмиллиметрового диапазона длин волн продолжают оставаться актуальными.

В настоящий момент можно выделить три основных области использования гироприборов [1]: '

• управляемый термоядерный синтез (УТС);

• микроволновая обработка материалов;

• спектроскопия и диагностика различных сред.

Для нагрева плазмы и управления током в установках УТС, сегодня, как правило, требуются гиротроны, работающие на частотах 110-170 ГГц в квазинепрерывном (с длительностью импульса в десятки минут) режиме генерации при выходной мощности порядка одного мегаватта с тенденцией к дальнейшему повышению, по крайней мере, до 1.5-2 МВт [4, 5]. Разработка таких гиротронов базируется на комплексном • решении широкого набора физических и технических задач, включающих формирование мощных винтовых электронных пучков с достаточно высокой долей вращательной энергии частиц и приемлемым разбросом их скоростей [6, 7], обеспечение селективного возбуждения мод высокого порядка в цилиндрическом резонаторе [8,9], эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок [10,11], создание коллекторных систем и выходных окон с допустимыми при существующих методах охлаждения тепловыми нагрузками [12-16]. Магнитные поля гиротронов для УТС создаются криомагнитными системами. В совокупности, все вышеперечисленное делает эти гиротронные комплексы чрезвычайно сложными и дорогостоящими.

Другая, все более расширяющаяся, область применения гиротронов связана с их использованием для процессов микроволновой обработки материалов [1, А45]. Мелкозернистая структура, необходимая для реализации

поликристаллических материалов высокой прочности, может быть получена спеканием нанометровых порошков в условиях микроволнового нагрева. Основными особенностями этого метода являются: возможность объемного нагрева диэлектриков; уменьшение времени технологических процессов; возможность локального нагрева сфокусированными волновыми пучками и уменьшение масштаба температурной неоднородности при снижении длины волны излучения.

Гиротроны, разрабатываемые для технологических комплексов микроволновой обработки материалов, должны сочетать в себе возможность долговременной (до нескольких сотен часов) работы с высоким КПД в непрерывном режиме генерации с надежной и дешевой конструкцией и быстрым управлением выходной мощностью в широких пределах. Желание упростить и удешевить технологические комплексы привело к тому, что магнитные системы технологических гиротронов, как правило, строятся на основе "теплых" соленоидов с водяным или масляным охлаждением. Естественно, что с целью снижения энергопотребления соленоида размер его рабочего пространства требуется минимизировать, что, в свою очередь, вызывает необходимость миниатюризации всех элементов гиротрона. На современном этапе лабораторных исследований с использованием относительно небольших объемов вещества требуемая выходная мощность составляет несколько киловатт. При переходе к промышленному использованию подобных систем, скорее всего, потребуется увеличение выходной мощности до десятков киловатт. Дальнейшее повышение мощности вызовет существенное усложнение источников питания и систем охлаждения.

Для снижения энергопотребления магнитной системой технологические гиротроны разрабатываются для работы на второй гармонике гирочастоты (т.е. при вдвое меньшем магнитном поле по сравнению с работой на основном циклотронном резонансе), однако реализация гиротронов на гармониках Гирочастоты затрудняется существенно меньшей устойчивостью генерации рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод, во многом из-за подавления высших гармоник более низкими [8, 17]. Совершенствование технологических комплексов на основе гироприборов требует, в первую очередь, реализации устойчивых режимов одномодовой генерации на гармониках гирочастоты с высоким КПД.

излучение является неионизирующим. Неорганические и органические молекулы ряда веществ имеют собственные частоты в терагерцовом диапазоне и в этом же диапазоне лежат энергии водородных связей, что открывает возможности как для диагностики, так и для селективного воздействия излучения на вещество. Особо привлекательна возможность использования терагерцового излучения в биологии и медицине. Терагерцовые волны проникают в живые ткани, не причиняя вреда, а возможность фокусировки позволяет намного повысить разрешающую способность медицинских приборов, что, в свою очередь, может принципиально изменить диагностику многих заболеваний. Помимо медицины, терагерцевое излучение может найти широкое применение в системах радиовидения, например, для распознавания взрывчатых веществ.

В субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах, несмотря на несколько успешных реализаций [19-21], гиротроны применяются значительно реже, чем уникальные и значительно более сложные лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), для работы которых требуются на один-два порядка более высокие энергии частиц [22]. Слабая распространенность, несмотря на востребованность, гиротронов в терагерцовом диапазоне связана, в частности, с необходимостью использования в них очень сильных магнитных полей, создаваемых, как правило, дорогими криомагнитными системами, а также с трудностями обеспечения высокоэффективной одномодовой генерации при работе в субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах при меньших магнитных полях в режиме циклотронного резонанса на высоких циклотронных гармониках [23, 24]. Для одномодовой генерации на высоких гармониках требуется разработка методов селекции рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод [25].

Для освоения субмиллиметрового диапазона длин волн предлагается использовать гиротроны с импульсными соленоидами, создающими достаточно сильные магнитные поля, а для реализации непрерывных источников предлагаются различные варианты гиротронов на гармониках гирочастоты.

Настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы современной физической электроники - исследованию взаимодействия винтовых электронных потоков с высокочастотными полями цилиндрических резонаторов с целью получению устойчивой одномодовой генерации с высоким КПД. Применяемые, а также предлагаемые, подходы к решению поставленной задачи являются общими для гироприборов, а результаты экспериментальных исследований использовались при разработке гиротронов для микроволновых технологий и диагностических систем.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в гиротронах направленное на:

1. Разработку и реализацию методов, позволяющих увеличить КПД гироприборов;

2. Создание высокоэффективных гиротронов киловатгного уровня мощности, работающих в диапазоне частот 24-30 ГГц, для использования в комплексах микроволновой обработки материалов;

3. Анализ возможности генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах на гармониках гирочастоты;

4. Выявление возможностей создания сильных магнитных полей в объемах, достаточных для размещения электродинамических систем субмиллиметровых гиротронов на основном циклотронном резонансе, и реализацию источников терагерцового диапазона длин волн киловатгного уровня мощности.

Научная новизна результатов исследования

В настоящей работе впервые теоретически и экспериментально решен ряд задач фундаментального характера, относящихся к проблеме создания высокоэффективных источников мощного микроволнового излучения.

• Получена рекордная по длине волны для гиротронов генерация СВЧ излучения в терагерцовом диапазоне на киловаттом уровне мощности в компактном приборе с импульсным соленоидом, обеспечивающем магнитные поля до 50 Т.

• Получены рекордные значения КПД в гиротроне на второй гармонике гирочастоты (свыше 50% без рекуперации и 60% при одноступенчатой рекуперации энергии электронов).

• Разработан и реализован анализатор энергетического разброса электронов в коллекторной области гироприборов. Впервые экспериментально получены энергетические спектры электронного потока в коллекторной области гироприборов.

• Достигнуто значительное повышение КПД в гиротронах с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка - с 45-50% до 60-65%. Разработана и испытана гиро-JIOB с рекуперацией энергии, позволившая реализовать повышение КПД с 15% (относительно низкий КПД в приборе без рекуперации энергии обусловлен большей чувствительностью к разбросу скоростей электронов) до 22%.

• Исследовано влияние отраженного от элементов электродинамического тракта сигнала на режим генерации гиротрона и выработаны критерии согласования элементов СВЧ тракта.

• Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения в гиротроне на второй гармонике циклотронной частоты рабочих мод высокого порядка. В непрерывном гиротроне на второй гармонике с развитым пространством взаимодействия получена генерация на частоте 250 ГГц с мощностью 0.9 кВт.

• Разработан, изготовлен и испытан гиротрон на 3-5 гармониках гирочастоты с приосевым электронным пучком, работающий при напряжениях 30-40 кВ и использующий магнитную систему на постоянных магнитах.

• Разработан проект гиротрона с рекордно низким рабочим напряжением около 5кВ и неадиабатической электронной пушкой, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом.

Практическая значимость и использование результатов работы.

В диссертационной работе даны практически важные рекомендации по созданию гиротронов для технологических комплексов и диагностических систем. Созданы работающие установки для микроволновой обработки материалов. Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут применяться при создании высокоэффективных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового излучения.

Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в ИПФ РАН, ЗАО НПП ГИКОМ и Центре по разработке приборов дальнего инфракрасного диапазона университета г. Фукуи, (FIR FU, Япония) при разработке гиротронов для микроволновой обработки материалов, диагностики плазмы и спектроскопии.

Апробация результатов

Япония), на 4-м мировом конгрессе по использованию микроволн и радиочастот (2004, Аустин, США), на 4-м и 5-м международных симпозиумах по микроволновым исследованиям и их применениям в смежных областях науки (2004, Такаматсу; 2005, Цукуба, Япония), на 6 и 7 международных конференциях по технологиям интенсивных электронных потоков (2000; 2003, Варна, Болгария), на 4 и 8-й международных конференциях по вакуумной электронике (2003, Сеул, Корея; 2007, Китакушу, Япония), на 10-й международной конференции по вакуумной электронике (2004, Гармиш, Германия), на международной конференции по физике плазмы (2007, Альбукерк, США), на 1 и 2-м международных совещаниях по технологиям далекого инфракрасного диапазона (1999,2001, Фукуи, Япония), на Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005; 2007, Н. Новгород).

Публикации

По теме диссертации опубликована 191 работа: 27 статей опубликовано в зарубежных научных журналах; 22 статьи изданы в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов; 16 статей размещены в тематических сборниках научных трудов; 33 статьи в сборниках трудов конференций, 93 работы являются тезисами докладов на конференциях. После защиты кандидатской диссертации опубликовано 152 работы (1999 год и позже).

Личный вклад автора в выполненные работы

Будучи ведущим исполнителем или руководителем представленных работ, соискатель является полноправным соавтором представленных публикаций. Автор активно участвовал1 в создании измерительных и вычислительных методик, численном моделировании, конструировании приборов, а также в полном объеме в осуществлении экспериментов, в обработке и анализе полученных данных, в подготовке текста публикаций. Значительное число соавторов обусловлено масштабом выполнявшихся работ с большим числом участников разработок и проведением экспериментов со сложными аппаратурными комплексами, включавшими в свой состав специально разрабатываемые источники питания, программное обеспечение и т. п.

Автору совместно с А. Г. Лучининым принадлежит идея использования пакетированной конструкции для гиротрона терагерцового диапазона и намотки соленоида композитным кабелем, позволившим повысить механическую прочность соленоида.

Диссертантом разработана методика оценки эмиссионной неоднородности катода гиротрона в процессе эксплуатации прибора и создан комплекс экспресс-диагностики катодов по вольт-амперной характеристике (ВАХ).

Создан анализатор энергетического спектра электронов, предложенный А. Л. Гольденбергом, и выполнено экспериментальное исследование энергетических спектров электронных потоков в коллекторной области гиротрона.

Совместно с А. Л. Гольденбергом и В. Н. Мануйловым предложена неадиабатическая электронная пушка нового типа, позволяющая формировать трубчатый электронный пучок с высокой долей вращательной энергии электронов и разбросом скоростей существенно ниже (примерно вдвое), чем в традиционных магнетронно-инжекторных пушках (МИП) гиротронов.

Алгоритмы оптимизации магнитного поля и профиля резонатора с целью повышения КПД сформулированы и реализованы в ходе экспериментального исследования гиротронов при участии автора. Автором разработан и испытан технологический гиротрон с рекуперацией остаточной энергии электронов, что позволило реализовать рекордные значения КПД.

При участии автора разработана методика последовательного расчета сценария выхода на стационарный режим генерации на фронте импульса ускоряющего напряжения [А6] и методика учета влияния отраженного сигнала на режим работы гиротрона [А9].

В большей части опубликованных работ вклад автора диссертации состоял в постановке задачи, теоретических расчетах, планировании эксперимента, обработке результатов, анализе и интерпретации полученных данных, формулировке научных положений, подготовке текста публикаций. В представленном списке публикаций это в полной мере относится к [A3, А8, А12, А14, А15, А21-А23, А28, А31, А32, А34, А35, А53, А54, А57-А60]. В работах [АЗО, А31, А42, А43, А66] вклад автора был определяющим в части разработки и исследования гиротронов, в работах [А1, А4, А7, А40, А44, А56] автором выполнялась вся экспериментальная часть. Работы [А2, А5, А18] выполнены соискателем без соавторов. В теоретических работах [А6, А9, А10, А13, А16, А17, А65] автором выполнены постановка задачи, большая часть расчетов и подготовка текста публикаций. Значительное число работ выполнено в рамках сотрудничества между ИПФ РАН и FIR FU (Научный центр по разработке приборов далекого инфракрасного диапазона, Фукуи, Япония). При этом в части работ [А25, А38, А48, А64], вклад автора был определяющим и состоял, в основном, в проведении теоретического исследования разрабатываемых приборов, а несколько работ посвящены экспериментам с участием автора диссертации на совместно разработанных установках [А28, А37, А47]. Вклад автора в обзоры [А26, А27, АЗЗ, А45, А46, А67] состоит в предоставлении данных о полученных автором экспериментальных результатах и участии в подготовке текста публикации. Все остальные работы из списка публикаций [All, А19, А20, А24, А36, А41, А49-А52, А55, А61-А63] выполнены в соавторстве с сотрудниками, аспирантами и студентами Института прикладной физики, других отечественных и зарубежных научных центров и институтов. При этом вклад соавторов в опубликованных результатах можно считать равноправным.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Генерация СВЧ излучения терагерцового диапазона на киловаттом уровне мощности реализуется в компактной установке на основе гиротрона с импульсным соленоидом.

2. В гиротронах на второй гармонике гирочастоты на основе дешевых "теплых" соленоидов с низким энергопотреблением, оптимизация продольного распределения магнитного и высокочастотного (ВЧ) полей позволяет достигать КПД выше 50% (без рекуперации остаточной энергии электронов) и 60% при одноступенчатой рекуперации.

3. Изменение эмиссионной неоднородности катода в процессе эксплуатации прибора позволяет судить о качестве катода и параметрах, непосредственно влияющих на КПД.

4. Экспериментально полученные энергетические спектры электронного потока в коллекторной области гиротронов подтверждают, что в режиме с максимальным КПД на первой гармонике в пучке отсутствуют электроны с энергией меньшей, чем 20-30% их первичной энергии, что позволяет существенно повысить КПД в гиротронах с простейшей одноступенчатой системой рекуперации энергии за счет увеличения тормозящего потенциала коллектора. Разработанные с учетом экспериментальных данных расчетные модели позволяют создать коллекторы с разделением электронного потока на энергетические фракции и многоступенчатой рекуперацией энергии.

5. В режиме низких рабочих напряжений (при энергиях электронов порядка 1% от энергии покоя электронов) использование неадиабатической электронной оптики, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом, позволяет сформировать электронные потоки высокой однородности, что, в свою очередь, дает возможность увеличить долю поперечной энергии электронов.

6. Токи, при которых в гиротроне устанавливается автомодуляционный или стохастический режим генерации, в присутствии отраженного сигнала существенно снижаются, а в режиме стационарных колебаний эффективность генерации падает даже при возвращении в резонатор отраженного сигнала на уровне в несколько процентов. Наличие отраженного сигнала способно существенно менять зоны генерации мод и состав спектра выходного излучения.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы (311 названий) и списка авторских публикаций (191 пункт). Общий объем диссертации составляет 319 страниц.

Краткое содержание диссертации

Во введении сформулирована цель работы, обоснованы актуальность темы и постановка задачи, представлены обозначенные выше практическая значимость и апробация результатов, охарактеризованы публикации и личный вклад автора. Дано аннотированное изложение диссертации по главам.

В главе 1 указаны факторы, ограничивающие КПД гиротрона, и предлагаются решения ряда проблем. Так как рабочей средой гироприборов является электронный пучок, прежде всего, анализируется влияние параметров электронного потока на КПД гиротрона. В разделе 1.1 приведены данные, иллюстрирующие влияние параметров электронного потока на КПД и предложен метод экспресс диагностики эмиссионной неоднородности катода, определяемой по области переходного участка вольт-амперной характеристики от режима ограничения тока пространственным зарядом к режиму температурного ограничения тока эмиссии. Данный метод позволяет делать оценки качества катода и его времени жизни непосредственно в процессе эксплуатации прибора.

С использованием данных о параметрах электронного пучка, полученных экспериментально в анализаторе, основанном на методе тормозящего электрического поля, выполнен расчет КПД гиротрона. Сравнение результатов, полученных при использовании различных предположений о параметрах электронного пучка, позволяет оценить точность расчета КПД. Естественно, самая грубая оценка получается в приближении отсутствия разброса электронов по скоростям. Относительная ошибка в этом случае при типичных значениях скоростного разброса может превышать 20%. При расчетах с использованием различных аппроксимаций реального распределения (в первую очередь гауссовой функцией) типичное значение ошибки не превышает 5%. Используя близкую к реальной функцию распределения электронов по скоростям, возможно оценить значение КПД в широком диапазоне параметров с относительной ошибкой расчета, как правило, меньше 1%.

Параметры электронного потока напрямую связаны с эмиссионными характеристиками поверхности. Сравнивая результаты измерений разброса скоростей электронов и величину эмиссионной неоднородности можно видеть, что катоду с большей эмиссионной неоднородностью соответствует больший разброс скоростей электронов, что приводит к снижению КПД прибора. Оценить однородность рабочей поверхности катода можно на основе интегральных эмиссионных характеристик поверхности, решая соответствующую обратную задачу.

Информацию о неоднородности катода несут области ВАХ, соответствующие режиму перехода от ограничения тока пространственным зарядом к температурному ограничению тока пучка. Путем двойного дифференцирования ВАХ / =/(С/)(С/и/ - напряжение и ток электронного пучка) можно получить статистическую функцию распределения

эмиссионной неоднородности по поверхности катода в зависимости от плотности тока насыщения /я.

су; 1 , 0-

ГУ/,)- л ,,пз/2,2 =-тг=— ехР(--—, , ) щи ) <т 2а

В частности, если экспериментально определить, как меняется эта функция в ходе испытаний на срок службы, то можно прогнозировать долговечность катода в заданном режиме. Достоинством метода является то, что он дает возможность получить характеристики катода при рабочих температурах. Кроме того, методика может быть сравнительно просто реализована непосредственно в приборе. В настоящее время можно предположить, что катоды с эффективной эмиссионной неоднородностью ст = 0.3-0.4 при рабочей температуре позволяют получать значения КПД гироприборов, близкие к максимально возможным. В конце раздела приводятся экспериментальные данные для серии катодов технологических гиротронов, демонстрирующие корректность построенной модели и динамику изменения параметров катодов в процессе эксплуатации. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о повышении КПД гиротрона при снижении эмиссионной неоднородности.

Обеспечение допустимых тепловых нагрузок на элементы конструкции при высоком уровне выходной мощности требует использования в современных гиротронах сверхразмерных резонаторов с диаметром, намного превосходящим длину волны излучения, что затрудняет селективное возбуждение рабочей моды в силу процессов конкуренции близких мод. Одним из ярких проявлений конкуренции мод являются переходные процессы на фронте импульса ускоряющего напряжения в импульсных приборах. В этом случае возбуждение паразитных мод на фронте импульса существенно усложняет реализацию режимов генерации рабочей моды с высоким КПД.

В разделе 1.2 проанализированы многомодовые процессы актуальные для импульсных миллиметровых и субмиллиметровых гиротронов с развитым пространством взаимодействия. Установлено, что нарушение условий устойчивости может вызывать как возбуждение паразитной моды, так и появление сателлитов рабочей моды. Сформулированы требования к режиму включения гиротрона и показано, что устойчивая одномодовая генерация рабочего типа колебаний в сверхразмерном резонаторе может быть реализована с высоким КПД.

В цилиндрических резонаторах, обычно используемых в гиротронах, по мере увеличения радиуса резонатора сначала в полосе резонанса оказываются моды, различающиеся и радиальными и азимутальными индексами. Спектр таких мод неэквидистантен, и поэтому в случае их возбуждения имеет место чисто амплитудное (также называемое несинхронным) взаимодействие, при котором основным эффектом является конкуренция мод. При дальнейшем

увеличении радиуса резонатора в полосе циклотронного резонанса могут оказаться моды, отличающиеся лишь одним из поперечных индексов. Данные моды характеризуются очень близким к эквидистантному спектром собственных частот. Между такими модами имеет место одновременное выполнение двух условий синхронизма - временного и пространственного. Взаимодействие этих мод является амплитудно-фазовым (синхронным). Результатом этого взаимодействия может стать автомодуляционная неустойчивость колебаний центральной моды, приводящая к возбуждению обоих сателлитов с определенными фазовыми соотношениями, то есть к режиму взаимной синхронизации мод. Добиться устойчивой одномодовой генерации при высоких азимутальных индексах мод можно путем изменения соотношения добротностей центральной и боковых мод, что достигается использованием резонаторов сложной формы. При этом, уменьшая добротность колебаний паразитных мод, удается существенно увеличить зону устойчивой одномодовой генерации рабочей (центральной) моды.

Поскольку практически все мощные гиротроны, используемые в плазменных экспериментах, работают в импульсном режиме, возникает необходимость анализа многомодовых процессов на фронте импульса, когда вероятность возбуждения паразитных мод является наибольшей. Определяющим фактором при определении начального типа колебаний является превышение током пучка стартового тока моды. С изменением ускоряющего напряжения происходит эволюция зон самовозбуждения мод (смещение по магнитному полю и изменение ширины зоны генерации). При расстройке циклотронного резонанса, соответствующей оптимальному поперечному КПД, и малом ускоряющем напряжении наименьшим стартовым током обладает паразитная мода, а при номинальном напряжении условия самовозбуждения выполнены как для рабочей моды, так и для паразитных мод. При этом тип колебаний в рабочей точке существенным образом зависит от сценария переходного процесса. Результаты численного анализа позволяют сформулировать следующий типичный сценарий: при напряжении соответствующем примерно половине номинального, происходит возбуждение моды с радиальным индексом равным индексу рабочей моды, но более высоким азимутальным индексом (более высокочастотная мода), имеет место устойчивая одномодовая генерация этой моды в полосе порядка 10-15 кВ. После чего, при дальнейшем увеличении напряжения, ее амплитуда быстро спадает, происходит нарастание амплитуды рабочей моды которая достигает наибольшего значения на полке импульса. Расчетный сценарий хорошо согласуется с данными экспериментального исследования гиротронов. При превышении напряжения на 10% над номинальным происходит срыв колебаний рабочей моды и переход на устойчивую одномодовую генерацию более низкочастотной моды с тем же радиальным, но на единицу меньшим азимутальным индексом

(TEni_,p). Использование последовательного расчета переходной характеристики является существенным, поскольку для проверки был проведен анализ стационарного режима генерации в одной точке (на полке импульса ускоряющего напряжения) при задании стартовых амплитуд взаимодействующих мод равными и малыми. При этом получена устойчивая генерация паразитной моды, что противоречит результатам и последовательного расчета, и эксперимента.

Полученные в рамках данной модели результаты свидетельствуют о возможности установления устойчивых одномодовых колебаний, например, на моде ТЕ31.8 с высоким КПД. При этом возможно достижение выходной мощности более 1 МВт на частоте 170 ГГц при КПД гиротрона более 50% (при использовании одноступенчатой рекуперации энергии), что и было впоследствии доказано экспериментально в серии гиротронов для установки ITER, изготовленных ЗАО НПП ГИКОМ с участием ИПФ РАН.

При транспортировке СВЧ мощности от источника к потребителям в современных гиротронных комплексах с длинными линиями передачи возможны различные виды отражений микроволнового излучения от элементов тракта, стенок рабочего пространства, керамических окон и т. п. В разделе 13 исследовано влияние отраженного сигнала на выходную мощность и спектр излучения гиротронов, а также на значения тока пучка, при которых происходит бифуркация режима генерации (стационарные колебания, автомодулированные, стохастические). Исследована зависимость КПД гиротрона от стабильности источников питания и определены условия, при которых влияние флуктуаций напряжения на КПД минимально.

Наиболее сильно влияние внешних СВЧ-полей должно проявляться в гиротронах без квазиоптической развязки между пространством взаимодействия и окном вывода микроволнового излучения, где отраженный сигнал попадает непосредственно в резонатор, изменяя условия взаимодействия электронного пучка с ВЧ полем. В разделе 1.4 показывается существенное влияние отраженного сигнала на режимы генерации гиротрона. В Отсутствие отраженного сигнала характер установления колебаний сходен с поведением изображающей точки в фазовом пространстве в состоянии равновесия типа "устойчивый узел". По мере увеличения отраженного сигнала (Л <0.25) КПД генерации уменьшается, а характер установления колебаний при этом сходен с попаданием в "устойчивый фокус", причем время установления пропорционально как величине отраженного сигнала, так и времени запаздывания. При дальнейшем увеличении коэффициента отражения 0.25 <R<0.35 устанавливается режим автомодуляционных колебаний, а глубина модуляции растет. При R > 0.35 происходит переход к стохастическим колебаниям.

С увеличением коэффициента отражения, значения параметра тока, при которых происходит смена режима генерации, снижаются. При отражении 10% мощности бифуркационные значения тоКа снижаются больше чем на

порядок по сравнению с режимом без отражений. Эти переходы сопровождаются обогащением спектра выходного излучения. Экспериментальные измерения спектра, проведенные в технологическом гиротроне с рабочей частой 24 ГГц с прямым выводом мощности в режимах работы на согласованное и рассогласованное окно, показали уширение спектральной линии с 1.5 МГц до 10 МГц при достаточно равномерной спектральной плотности мощности. Довольно значительная для гиротронов относительная ширина спектра (~ 5-Ю 5) в этих режимах объясняется, по-видимому, флуктуациями технических параметров источников питания, имевших место из-за недостаточной стабилизации при работе на высоких уровнях потребляемой мощности. Уширение спектра может иметь положительный эффект для объемного нагрева и спекания керамики в микроволновой печи, поскольку обеспечивает размытие интерференционной картины в области нагрева и, следовательно, более равномерное прогревание образца по сравнению с нагревом узкополосным излучением. Наблюдаемое уширение спектра соответствует теоретическим результатам и свидетельствует о корректности использованных методов расчета.

Как было отмечено, выходные характеристики гиротрона существенным .образом зависят от стабильности источников питания. Для того чтобы обеспечить устойчивую высокоэффективную генерацию автоколебаний в гиротроне, его рабочие параметры (напряжение, ток пучка, внешнее магнитное поле) должны быть достаточно хорошо стабилизированы. Показано, что наиболее устойчивыми по отношению к флуктуациям напряжения являются гиротроны с отношением вращательной скорости электронов к поступательной g= 1,5...2,0 и короткими резонаторами. К более резкому падению КПД и срыву автоколебаний приводят положительные флуктуации (выбросы) напряжения 5110! > 0, которые уменьшают гирочастоту и, соответственно, увеличивают

расстройку циклотронного резонанса. Именно такие флуктуации нежелательны при формировании импульсов высокого напряжения в источниках питания гиротронов.

В главе 2 представлены результаты расчетов энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротронов и результаты экспериментального исследования гироприборов с рекуперацией остаточной энергии электронов. Возможность повышения КПД гироприборов за счет отбора энергии электронного потока, неизрасходованной при взаимодействии с ВЧ полем, была отмечена на начальном этапе работ по исследованию гиротронов, однако, интерес к практической реализации этой идеи возник относительно недавно [12]. В разделе 2.1 дается краткий обзор результатов и описываются достоинства и недостатки двух основных схем рекуперации - с подачей потенциала на корпус лампы или на коллектор. Как уже отмечалось, в гиротронах ВЧ

полю передается лишь вращательная энергия электронов потока, причем эффективность энергоотбора почти достигла теоретической границы. Энергия же поступательного движения электронов, необходимая для переноса заряда через резонатор, остается практически неизрасходованной. Эту остаточную энергию можно рекуперировать, создав тормозящий электрический потенциал на коллекторе прибора. При этом тормозящее напряжение не должно превышать минимальную остаточную энергию электронов в области коллектора. При превышении этого значения возникают отраженные от коллектора электроны, вызывающие развитие неустойчивостей электронного потока в пространстве взаимодействия, что приводит к быстрому снижению СВЧ мощности и КПД.

Описание анализатора для измерения энергетических спектров и результаты измерений приведены в разделе 2.2. Анализатор (рис. 1) размещен в трубе, присоединенной к коллектору гиротрона под углом, совпадающим с углом наклона силовой линии магнитного поля. Через узкую продольную щель, прорезанную в коллекторе, электроны попадают в эту трубу и движутся к мишени, установленной перпендикулярно силовой линии магнитного поля, величина которого в этой области много меньше, чем на коллекторе и, тем более, в резонаторе. По пути электроны подвергаются торможению электрическим полем. Производная зависимости тока от тормозящего напряжения на сетке анализатора определяет энергетическое распределение электронов.

Предложенная методика позволяет измерять энергетический спектр электронов в широком диапазоне параметров. Полученные результаты свидетельствуют, что в моделирующем режиме разброс энергии электронов в пучке, формируемом стандартной электронной пушкой гиротрона, в отсутствие взаимодействия частиц с ВЧ полем возрастает с ростом пространственного заряда (тока пучка) и для рабочих значений тока на выходе из системы составляет несколько процентов. Следующим этапом экспериментов было исследование спектра "отработавших" электронов (после взаимодействия с ВЧ полем). При этом на катод гиротрона и сетку анализатора подавались прямоугольные импульсы, причем амплитуда сеточного импульса плавно уменьшалась от импульса к импульсу от максимального значения (около 90 кВ), определявшегося возможностями источников питания и электрической прочностью конструкции анализатора, до нуля. Сигналы, пропорциональные току мишени и тормозящему напряжению, поступали в автоматизированную систему сбора и обработки данных.

В распределении, соответствующем режиму генерации с максимальным КПД около 40%, при оптимальной расстройке циклотронного резононаса, наибольшее число электронов имеет энергию примерно вдвое меньше, чем начальная энергия электронов (до взаимодействия с ВЧ полем, определяемая полным ускоряющим напряжением Ц). Слева от максимума (при меньших энергиях) число электронов незначительно, а справа склон функции

Рис. 1. Принципиальная схема анализатора энергетического спектра

электронного потока: 1 - мишень анализатора, 2 - сетка, 3 - коллектор,

4 - дополнительный соленоид, 5 - резонатор гиротрона, 6 - основной соленоид, 7 - электронная пушка

Рис. 2. Гиротрон с изолированным коллектором, использованный в экспериментах по рекуперации

распределения пологий, причем имеются и электроны с энергиями превышающими начальную. Такое энергетическое распределение хорошо согласуется с полученным при расчетах. При отстройке от оптимального режима генерации спектр энергии расширяется, а его максимум смещается к начальной энергии электронов. В большинстве случаев при отклонении тока и напряжения пучка, а также магнитного поля от значений, соответствующих оптимальному режиму генерации микроволнового излучения, происходили изменения спектра, сходные с описанным.

В разделе 2.3 приводятся результаты экспериментального исследования гиротрона на частоте 110 ГГц с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка (рис. 2). Между коллектором и корпусом лампы был помещен изолятор, что позволило создавать на коллекторе тормозящий потенциал. Расположение изолятора определялось конструкцией лампы. В проведенных модельных экспериментах напряжение на коллекторе

формировалось за счет тока пучка путем включения между коллектором и землей переменного сопротивления. Измерения проводились в режиме коротких импульсов (100 мкс) следующим образом: при фиксированных значениях тока I и напряжения С/ плавно уменьшалась величина магнитного поля, что позволяло наблюдать зависимость СВЧ мощности Рш, и КПД от магнитного поля. С ростом тормозящего напряжения иг происходит изменение магнитного поля, соответствующего максимальной выходной мощности. Это обусловлено двумя причинами: во первых, - увеличением провисания потенциала за счет отраженных электронов с ростом тормозящего напряжения; во вторых, - вызванным отраженными электронами изменением распределения пространственного заряда в области формирования пучка, что может приводить к изменению параметров электронного пучка в рабочем пространстве. При относительно невысоких значениях тормозящего напряжения более весомым является первый механизм (провисание потенциала), вызывающий снижение оптимального магнитного поля. При максимальном тормозящем напряжении более существенным оказалось изменение условий формирования пучка, что привело к смещению максимума мощности в сторону больших значений магнитного поля.

При напряжениях, существенно меньших чем возвратный потенциал (минимальная энергия электронов, при которой они неспособны преодолеть тормозящее поле), экспериментально полученные значения КПД в режиме с рекуперацией энергии ^ г соответствуют расчетным, вычисленным по формуле

' и~иг ши-иг

где г/ - КПД в отсутствии рекуперации. При этих напряжениях ток на корпус лампы практически не изменяется и составляет несколько десятков миллиампер. По мере увеличения напряжения на коллекторе возрастает число отраженных электронов и ток на корпус лампы (до нескольких ампер), происходит насыщение, а потом резкое падение КПД и выходной мощности. В ходе экспериментов достигнут уровень КПД 65% при выходной мощности 1 МВт. Полученные результаты послужили основой для разработки ЗАО НПП ГИКОМ промышленного гиротрона с КПД 70%.

В разделе 2.4 представлены результаты численного моделирования гиротрона на второй гармонике частоты с целью оптимизации параметров резонатора для достижения максимального КПД при использовании схемы рекуперации. Как уже отмечалось, основной величиной, определяющей эффективность рекуперации, является минимальная остаточная энергия электронов после взаимодействия с ВЧ полем. Из-за скоростного разброса, являющегося неотъемлемой особенностью МИП гиротронов, в резонаторе всегда присутствуют как "быстрые" электроны, с большой продольной

скоростью, так и "медленные", у которых практически вся энергия сосредоточена в осдилляторной составляющей. Частицы с минимальной продольной энергией в области коллектора представляют основную угрозу для эффективной рекуперации, т.к. такие частицы могут отразиться при подаче тормозящего потенциала на коллектор, что приведет к нарушению взаимодействия электронного пучка с ВЧ полем и катастрофическому падению КПД прибора. Однако, если распределение ВЧ поля в пространстве взаимодействия плавное, то движение медленных электронов будет адиабатическим, и они не могут отдать ВЧ полю больше определенной доли своей энергии. "Быстрые" электроны, для которых условие плавного изменения амплитуды поля не выполняется, будут иметь достаточный для дальнейшего торможения запас энергии, даже если после взаимодействия с ВЧ полем, их поперечная скорость окажется нулевой. Исходя из сказанного, логично предположить, что удлинение резонатора гиротрона будет способствовать повышению минимальной энергии отработанного электронного пучка за счет увеличения запаса адиабатичности для электронов с малой продольной скоростью. С другой стороны, увеличение длины резонатора приведет к уменьшению доли вращательной энергии электронов, переданной ВЧ полю. Таким образом, требуется найти оптимальную длину пространства взаимодействия для гиротрона с рекуперацией.

Для технологического гиротрона с рабочей модой ТЕ1.2 на второй гармонике гирочастоты были рассчитаны плоскости изо-КПД и, как и предполагалось, эффективная рекуперация требует перехода к более длинному резонатору (удлинение примерно 10-15% от оптимальной длины с точки зрения наиболее эффективного отбора энергии электронов ВЧ полем), при этом выходной КПД увеличивается примерно в 1.2-1.3 раза.

Проведенные расчеты послужили основой для разработки технологического гиротрона для микроволновой обработки материалов с одноступенчатой рекуперацией энергии (рис. 3). Экспериментально полученное значение КПД в гиротроне на второй гармонике гирочастоты с частотой 24 ГГц составляет 60% при выходной мощности 6-7 кВт, что является рекордным значением для подобных приборов.

Рис. 3. Внешний вид технологического гиротрона с изолированным коллектором

Глава 3 посвящена описанию высокоэффективных технологических гиротронов, созданных при активном участии автора диссертации. Перспективы использования СВЧ энергии в технологических процессах связаны, в первую очередь, с возможностью объемного нагрева большинства неметаллических материалов, что позволяет ускорить их нагрев и уменьшить тем самым длительность процесса обработки и энергозатраты. В настоящее время с использованием излучения дециметрового диапазона в промышленном производстве реализованы многие процессы тепловой обработки материалов, основанные на объемном нерезонансном поглощении микроволновой энергии, так же как и процессы обработки поверхностей изделий потоками частиц из плазмы, создаваемой и поддерживаемой микроволновым излучением. При повышении частоты излучения возможно появление принципиально новых микроволновых технологий. Технологические гиротроны, предназначенные для эксплуатации в промышленных условиях, как правило работают в режиме непрерывной генерации в промышленном стандарте частоты (24-30 ГГц). Преимущества использования этого диапазона обусловлены ростом поглощательной способности большинства диэлектрических материалов с ростом частоты излучения, а также с возможностью достижения высокой однородности нагрева образца из-за уменьшения характерного пространственного размера неоднородностей ВЧ поля в микроволновой печи. В разделе 3.1 дано описание и основные характеристики гиротронного микроволнового комплекса (рис. 4).

Рис. 4. Технологический стенд на основе 28 ГГц/15 кВт/С\У гиротрона и 23.5-24.5 ГТц/ 2.5 кВт/СУ/

гиро-ЛОВ для высокочастотного нагрева керамических материалов, изготовленный ИПФ

РАН/ГИКОМ для университета г. Фукуи (Япония)

СВЧ излучение генерируется гиротроном, выполненным в отпаянном варианте с откачкой электроразрядным насосом. Эти гиротроны, как правило, имеют триодную магнетронно-инжекторную пушку, цилиндрический резонатор и прямой вывод мощности через диэлектрическое окно

сверхразмерным волноводом, являющимся одновременно коллектором для электронного пучка. С выхода гиротрона микроволновое излучение поступает в линию передачи, состоящую из поляризатора, фильтра, преобразователя моды в волновой пучок с пространственным распределением близким к гауссовому, отрезка круглого волновода и излучателя. После линии передачи излучение через диэлектрическое окно поступает в камеру, в которой располагается система зеркал и исследуемый образец диэлектрического материала. Комплекс имеет автоматизированную систему управления процессом" нагрева образца по заданному пользователем сценарию на базе PC и систему блокировок и защит на основе микроконтроллеров ADAM. Контроллер программируется в соответствии с последовательностью операций при нормальной работе комплекса и работает независимо. Его подключение к компьютеру через один из портов интерфейса дает возможность проверки состояния подгрупп блокировки.

В разделе 3.2 описан технологический гиротрон на основном циклотронном резонансе. В ходе экспериментов были исследованы тепловой режим соленоида, инерционность и тепловая нагрузка на калориметр, работа гиротрона в различных режимах. Была продемонстрирована устойчивая работа комплекса в течение нескольких часов. Параметры рабочего режима с максимальным КПД сведены в табл. 1.

Таблица I

Рабочая мода Частота генерации Напряжение / Ток КПД / Выходная мощность

ТЕ32 24 ГГц 33 кВ/ 2.2 А 50% / 36 kW

Существенное снижение потребляемой комплексом мощности происходит при переходе к генерации СВЧ мощности на второй гармонике гирочастоты. К сожалению, при этом осложняется получение генерации с высоким КПД. В разделе 3.3 приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования гиротронов с коррекцией продольного распределения магнитного поля основного соленоида что позволило реализовать рекордный для гиротронов на гармониках КПД 54% в схеме без рекуперации энергии. Оптимальным является плавно нарастающее к коллектору с максимумом вблизи окончания однородного участка резонатора магнитное поле, при этом его распределение зависит от параметров электронного потока и точности изготовления резонатора и незначительно варьируется для каждой конкретной лампы.

Раздел 3.4 посвящен разработке нового типа электронно-оптической системы для гиротронов. Из условия устойчивости электронного пучка в магнитном поле пробочной конфигурации следует, что максимальный питч-фактор тем больше, чем меньше разброс компонент скорости. Поэтому повышение качества электронного пучка за счет снижения разброса является важным резервом повышения КПД гиротронов, в

особенности мощных, поскольку разброс имеет тенденцию роста с током пучка и частотой генерации прибора. Исследована новая электронная пушка для формирования мощного трубчатого винтового пучка, близкая по принципу работы инжектора к пушке Пирса. Её инжектор состоит из вогнутого кольцевого катода, часть которого покрыта эмитирующим слоем, и двух анодов - внутреннего и внешнего. Особенностью пушки является то, что оба анода создают примерно одинаковые электрические поля на поверхности эмиттера, т.е. расстояния от середины эмиттера до обоих анодов примерно одинаковые. Дополнительный анод ускоряет электроны до полного напряжения пучка ио. Магнитное поле в области пушки является полем рассеяния основного соленоида, формирующего магнитное поле в области резонатора. При необходимости коррекции магнитного поля в области пушки используется относительно маломощный дополнительный (катодный) соленоид. В такой пушке влияние неоднородностей электрического поля на эмиттере и поля пространственного заряда исключено или значительно уменьшено, поскольку в режиме полного пространственного заряда отсутствует начальный разброс скоростей, связанный с локальными неоднородностями эмитирующих свойств катода. Расположение анодов по обе стороны пучка, вблизи его внешней и внутренней границ в прикатодной области, позволяет уменьшить разброс скоростей электронов, обусловленный влиянием их собственного пространственного заряда. При численном моделировании в такой пушки для гиротрона с частотой 170 ГГц получены следующие параметры электронного пучка: ток / = 34 А, питч-фактор g = 1.8, скоростной разброс 8ух= 13.7%. Для сравнения, типичные значения питч-фактора и скоростного разброса в МИП при тех же токах и напряжениях составляют и 1.3, 8ух«30%. Из расчетов следует, что зависимость средней вращательной скорости электронов и разброса компонент скоростей 8у± от малых перемещений электродов пушки значительно сильнее, чем в адиабатической МИП. Тем не менее, требуемая точность установки, порядка 0.1 мм, является вполне реализуемой. При этом имеется возможность управления параметрами пучка, поскольку изменение потенциалов анодов инжектора в пределах ± 2 кВ (номинальное значение анодного напряжения 30 кВ) позволяет менять питч-фактор от 1.7 до 2.2 при малом изменении скоростного разброса.

Создание гироприборов, в которых кинетическая энергия электронного пучка не превышает 1% от энергии покоя электрона, позволит существенно снизить массо-габаритные характеристики системы, упростить условия эксплуатации, исключить или снизить влияние вредных для человека сопутствующих паразитных факторов (таких, например, как рентгеновское излучение с коллектора), что существенно расширит область применения гирорезонансных приборов. Из результатов расчетов следует, что несмотря

на релятивистский принцип работы гиротрона, возможен режим эффективной генерации СВЧ излучения при рабочих напряжениях около 5 кВ. Для реализации близкого к типичным значениям выходного КПД требуется формирование электронного потока с высоким значением питч-фактора (что реализуется в рассмотренной выше электронно-оптической системе) и оптимизация продольной структуры ВЧ поля. Оптимальное распределение ВЧ поля, как известно, близко к несимметричному треугольнику с более пологим склоном обращенным к катоду. На участке пологого склона ВЧ поля обеспечивается эффективная фазовая группировка электронов, а далее в области максимального ВЧ поля вблизи выходного конца резонатора происходит преобразование энергии вращения в СВЧ энергию. Распределение достаточно близкое к оптимальному может быть сформировано в резонаторе, состоящем из двух отрезков круглых волноводов с разными диаметрами. Основной причиной, по которой эти резонаторы до сих пор не получили широкого распространения, является трансформация рабочего типа колебаний на скачке диаметра резонатора. Однако, технологические гиротроны работают на низких модах, когда трансформация мод обычно невелика, а для низшей моды ТЕ^ она вообще отсутствует. Оптимизация позволяет достичь электронного КПД около 35%, близкого к электронному КПД большинства зарубежных технологических гиротронов на второй гармонике гирочастоты.

Для технологического гиротрона на второй гармонике гирочастоты с расчетной выходной мощностью 3-5 кВт найдена оптимизированная геометрия пушки на основе неадиабатической системы, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом, которая оказывается наиболее приемлемой для формирования винтового электронного пучка при рабочем напряжении 5 кВ. Согласно данным траекторного анализа (на основе программы ЭПОС), в рассматриваемой пушке реализуется питч-фактор £=1.8 при скоростном разбросе около 10%. Отметим, что первеанс пучка оказывается близок к 10 м к А/В3,2, что примерно на порядок больше чем в традиционных МИП гиротронов. Как видно из табл. 2, изменение полного ускоряющего напряжения позволяет варьировать питч-фактор в широких пределах при практически неизменном разбросе. Ток пучка при этом меняется примерно вдвое.

Таблица 2

1/(кВ) ё /(А)

4 1,50 0,16 2,1

4,5 1,65 0,13 2,5

5 1,84 0,11 3,0

5,5 2,07 0,14 3,4

6 2,33 0,17' 3,9

Раздел 3.5 посвящен описанию эксперимента по повышению выходного КПД гиро-JIOB. Как известно, гиро-ЛОВ обладает существенно меньшим КПД чем гиротрон, в силу большей чувствительности к разбросу скоростей электронного пучка. Использование схемы рекуперации в этом случае позволило увеличить КПД с 15% до 23% при тормозящем напряжении близком к половине ускоряющего напряжения пучка. При дальнейшем увеличении тормозящего напряжения начинается резкое падение электронного КПД и соответствующее снижение выходного КПД. Столь высокая эффективность рекуперации (увеличение КПД в полтора раза) связана, прежде всего, с относительно низким электронным КПД, т. е. с относительно малым уширением энергетического спектра в процессе генерации и достаточно высокой минимальной энергией электронов в коллекторной области.

Глава 4 посвящена исследованию гиротронов субмиллиметрового диапазона длин волн. Основным препятствием для освоения гиротронами диапазона субмиллиметровых длин волн является отсутствие магнитных систем, способных создавать в достаточно больших объемах поля с индукцией в несколько десятков тесла. Такие магнитные поля могут быть получены с помощью импульсных соленоидов, что позволяет разрабатывать импульсные гиротроны субмиллиметрового диапазона. Для создания высокочастотных гиротронов, способных работать в режиме непрерывной генерации, наиболее реальным выходом является возбуждение ВЧ колебаний, резонансных с высшими гармониками циклотронной частоты электронов, при соответствующем снижении рабочего магнитного поля.

В разделе 4.1 приводятся результаты экспериментального исследования непрерывного субмиллиметрового гиротрона с рабочими модами TE6i5, TEg.s. что позволило получить киловатгный уровень выходной мощности. В эксперименте максимальный уровень мощности на второй гармонике составил 0,9 кВт на частоте 250 ГГц. Относительно низкий выходной КПД (~5% при генерации на второй гармонике) объясняется тем, что ток пучка превышал стартовый в 3-4 раза, в то время как оптимальный по КПД ток, должен быть примерно на порядок больше. Измерения ширины линии излучения моды TE6i5 были проведены при помощи обычной схемы, в состав которой входит гетеродин на ЛОВ, смеситель и стандартный анализатор спектра непрерывного излучения. Ширина линии на уровне - 3 дБ составила 200 кГц, на уровне - 10 дБ - около 300 кГц и на уровне - 20 дБ - около 400 кГц. При несущей частоте около 250 ГГц эти значения соответствуют относительной ширине линии ~10"6. Достигнутый уровень непрерывной мощности и достаточно узкая ширина линии излучения делают возможными применение таких гиротронов в качестве источников зондирующего излучения в экспериментах по активной диагностике плазмы.

Раздел 4.2 посвящен разработке и экспериментальному исследованию гиротрона с приосевым электронным пучком (т.н. гиротрон с большой

орбитой - ГБО) и магнитной системой на постоянных магнитах. Постоянный магнит на основе NdFeB состоит из многих элементов и механически скрепленных в единую конструкцию (рис. 5, рис. 6). Коррекция распределения магнитного поля осуществляется подвижными металлическими вставками, а коррекция величины поля в однородной области - дополнительными катушками. Магнитное поле в области резонатора может изменяться от 0.97Т до 1.18 Т. Высокие селективные свойства ГБО определяются тем, что приосевой электронный пучок эффективно взаимодействует только с теми модами резонатора, у которых азимутальный индекс равен номеру гармоники я.

Рис. 5. Магнитная система Рис. 6. Продольный разрез

гиротрона с большой орбитой лампы и магнита

В разработанном гиротроне (рис. 6) реализована генерация рабочих мод ТЕ31 (п = 3), ТЕ41 (п = 4) и ТЕ51 (я = 5), соответствующие частоты 89.3 ГГц, 112.7 ГГц и 138 ГГц, в слаборелятивистском режиме с эффективностью в несколько процентов, равной или чуть большей, чем реализованные в подобных приборах релятивистском режиме генерации (рис. 7). Максимальные значения выходной мощности на третьей и четвертой гармониках составляют 2 кВт и 0.5 кВт, соответственно. В проведенных экспериментах длительность импульса составляла 1 мс при частоте повторения импульсов 1 Гц (рис. 8). Рабочее напряжение 40 кВ, ток пучка 1.2 А.

В силу большей по сравнению с традиционными гиротронами сложности конструкции ГБО (в первую очередь системы формирования электронного пучка) были исследованы возможности создания классического субмиллиметрового гиротрона на третьей гармонике гирочастоты. В качестве рабочего типа колебаний была выбрана мода TE6<4.

В разделе 4.3 диссертации представлены данные расчета непрерывного гиротрона на третьей гармонике с выходной мощностью 100 Вт на частоте 395 ГГц, разрабатываемого для экспериментов по ядерному магнитному резонансу. Показано, что для существенного превышения рабочего тока над стартовым, резонатор должен быть достаточно длинным (более 20 длин волн). Определен допуск на точность изготовления резонатора. Существенное превышение омических потерь над дифракционными позволяет считать приемлемым изменение диаметра резонатора примерно на 1 мкм на длине 20 мм.

Х(тп)

Рис. 7. Распределение выходной мощности, полученное для моды ТЕ4>1

;— ( и

5-О1 5 - 1 и

- ■ п

Тшс (п:^

Рис. 8. Осциллограммы выходной мощности, напряжения и тока электронного пучка ГБО

Для ряда приложений (спектроскопия, диагностика и мониторинг различных сред, микроволновая обработка материалов) требуются плавно перестраиваемые по частоте источники электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона длин волн.

Представляется, что плавная механическая перестройка рабочей частоты на высоком уровне мощности может быть реализована посредством метода, предлагаемого в разделе 4.4, с использованием коаксиальных резонаторов. В таких резонаторах возможно плавное изменение их собственных частот за счет продольного перемещения внутреннего соосного проводника переменного радиуса. При этом будет меняться расстояние между внешней и внутренней поверхностями коаксиального резонатора, от которого зависят собственные значения мод, а, следовательно, и частоты генерируемого излучения.

На типичной зависимости собственных чисел мод коаксиального резонатора (определяющих частоту генерации гиротрона) от соотношения радиусов внешней и внутренней поверхностей резонатора С = имеются два характерных участка. Вначале, при приближении радиуса внутреннего проводника к каустике моды (по мере уменьшения параметра С), происходит падение критической частоты (д.ч/с1С > 0). Затем, когда

радиус коаксиального стержня становится заметно больше радиуса каустики, критическая частота возрастает (<1у/<1С < 0). Самая широкополосная плавная перестройка собственной частоты рабочей моды коаксиального резонатора возможна, когда его параметры отвечают достаточно крутому участку с йу/йС < 0.

Для гиротрона с центральной рабочей частотой 330 ГГц был рассчитан резонатор на моду ТЕн^, в котором при продольном смещении коаксиального стержня на 10 мм возможна перестройка по частоте генерации свыше трех процентов (А/// ~ 3,6%). Соответствующая подстройка магнитного поля позволяет сохранять выходную мощность на уровне около 100 кВт, что соответствует выходному КПД около 30%. Средняя удельная тепловая нагрузка на внешней стенке резонатора находится на уровне 5 кВт/см2 (на внутреннем проводнике она примерно в два раза выше), что допускает работу при длительности импульса около миллисекунды при частоте повторения около 10 Гц: Если снизить выходную мощность до 10 кВт и использовать импедансный (с нанесенными продольными канавками) коаксиальный стержень, то возможен непрерывный режим (удельная тепловая нагрузка менее 1 кВт/см2), правда с меньшим КПД.

В принципе, возможно расширение диапазона перестройки частоты генерации в том же гиротроне, без изменения его конструкции, если дополнительно работать на соседней однотипной моде. В рассматриваемом случае это может быть мода ТЕ13.9. Для этого, находясь в режиме с наименьшей частотой генерации на моде ТЕ 14.9, когда коаксиальный стержень максимально вдвинут в направлении выходного сечения резонатора (в нашем случае на 5 мм от среднего положения), следует, не меняя величины магнитного поля соленоида, выдвигать его, пока не возникнут колебания с той же частотой на моде ТЕ13.9. Затем, вдвигая коаксиальный стержень, можно получать генерацию с еще меньшей частотой на моде ТЕ13.9. Согласно расчетам, это позволит расширить диапазон еще на 1,5%. Таким образом, возможно расширение полосы плавной перестройки частоты генерации до 5% при работе на двух соседних однотипных модах. При этом КПД генерации близок к значениям, реализуемым в традиционных гиротронах и намного выше, чем в квазиоптических гиротронах.

Как указано выше, радикальное увеличение частоты генерации гиротронов может быть реализовано с использованием сверхсильных магнитных полей создаваемых импульсными соленоидами. Раздел 4.5 диссертации посвящен разработке и исследованию терагерцового гиротрона с импульсным магнитным полем. Опыт предыдущих экспериментов с гиротронами, работающими в импульсных магнитных полях, показал, что при разработке гиротронов с импульсными соленоидами должен учитываться целый рад специфических требований: • высокая стабильность источников питания;

• корпус гиротрона должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать большие механические нагрузки, обусловленные импульсным характером магнитного поля, и в то же время достаточно тонким, чтобы по возможности ослабить нагрев лампы индукционными токами, а также уменьшить затухание в корпусе лампы импульсного магнитного поля, приводящее к искажению его структуры;

• проводимость резонатора, с одной стороны, должна быть достаточно низкой, чтобы уменьшить скинирование переменного магнитного поля (по этой же причине резонатор, разумеется, должен быть тонкостенным), и в то же время во избежание падения КПД гиротрона эта проводимость должна быть достаточно высока, чтобы омическая добротность резонатора существенно превосходила его дифракционную добротность;

• для стабильной работы гиротрона в режиме периодического следования импульсов как сам соленоид, так и корпус гиротрона должны достаточно интенсивно охлаждаться.

Получение в режиме повторяющихся импульсов магнитного поля интенсивностью до 40-50Т, необходимых для генерации излучения терагерцового диапазона на основной гармонике гирочастоты, обеспечивалось следующими конструктивными особенностями соленоида:

- с целью достижения максимальной энергетической эффективности токопроводящая жила соленоида наматывалась непосредственно на корпус гиротрона,

- с целью повышения механической прочности конструкции намотка осуществлена композитным кабелем; центральная жила из сплава 60%"П механически армирует наружную медную оболочку кабеля,

- для уменьшения омических потерь, увеличения механической прочности и термостабилизации в качестве пассивного хладогента использовался жидкий азот.

Резонатор радиусом Л =1.5 мм может быть изготовлен с использованием имеющихся в ИПФ РАН технологических возможностей с приемлемой точностью, а модовый спектр в этом случае представляется достаточно редким для возбуждения одномодовой генерации. Основные параметры гиротрона (рис. 9) терагерцового диапазона частот с импульсным соленоидом (рис. 10) представлены в таблице 3, а на рис. 11 изображены осциллограммы напряжения, тока, магнитного поля и СВЧ импульса, полученные в экспериментах.

-j Рис. 9. Терагерцовый гиротрон Рис. 10. Импульсный соленоид с рабочим

полем до 50Т и импульс тока соленоида

Таблица 3

Ускоряющее

напряжение, кВ (диодная пушка) 25 ———тиммииашмац.^«! ЯВРННЯй MTjfl

Ток пучка, А 5 ■ГШ

Рабочие моды ТЕ 17,4 ТЕ24.4 ■ujaseB

Выходная 1.029

мощность, кВт 1.3 ■ОН

Частота генерации, ТГц 1.029 ы

1.3 TOS 2014- 18:11:58 28.11.06

Длительность 50 Рис. 11. Осциллограммы напряжения,

импульса, мкс 20 тока пучка, СВЧ импульса и тока

соленоида ТГц гиротрона

Перестройка частоты генерации от импульса к импульсу была реализована изменением времени задержки высоковольтного импульса относительно импульса магнитного поля. В результате экспериментов получена генерация СВЧ излучения в частотном диапазоне 0.9-1.0 ТГц, в том числе, на рекордной для гиротронов частоте 1.02 ТГц. Длительность СВЧ импульса составляла 30-50 мкс при киловаттом уровне мощности (максимальное значение 2.7 кВт). Частота следования импульсов ограничивается возможностями охлаждения соленоида и составляет

примерно 1 импульс в минуту, что на порядок выше, чем в известных зарубежных аналогах.

В заключении диссертации сформулированы её основные результаты.

Автор глубоко признателен В.Л. Братману, Ю.В. Быкову, А.Л. Гольденбергу, Г.Г. Денисову, В.Е. Запевалову, В.И. Козлову, А.Г. Лучинину, В.А. Малышеву, В.Н. Мануйлову, Г.С. Нусиновичу, Т.Б. Панкратовой, М.И. Петелину, Е.В. Суворову, В.И. Цалолихину, а также всем сотрудникам ИПФ РАН, принимавшим участие в выполнении работ, составивших основу диссертации.

Основные результаты работы:

В диссертации развиты существующие и предложены новые принципы построения гироприборов для технологических комплексов и диагностических систем. Заложены основы нового перспективного направления - разработки мощных источников терагерцового диапазона частот.

Основные результаты диссертационной работы:

1.В гиротроне с импульсным магнитным полем на основном циклотронном резонансе получена мощность около 1.5 кВт на частотах 0.9-1.3 ТГц.

2. Показана возможность селективного возбуждения на второй и третьей гармониках гирочастоты рабочих мод с высокими радиальными индексами. Такие моды позволяют обеспечить достаточно большой диаметр резонатора в гиротронах субмиллиметрового диапазона длин волн, и следовательно, обеспечить допустимую тепловую нагрузку на стенки резонатора при достаточно высоком уровне мощности. В частности, экспериментально продемонстрирована генерация киловатгного уровня мощности на модах ТЕб,5 Ос-250 ГГц) и ТЕ8,5 (/^280 ГГц) на второй гармонике гирочастоты. Разработан гиротрон с рабочей модой ТНМ на третьей гармонике с выходной мощностью несколько сотен ватт на частоте 395 ГГц.

3.Для задач спектроскопии предложен коаксиальный субмиллиметровый (/-330 ГГц) гиротрон с плавной механической перестройкой частоты в полосе 3-5% за счет продольного перемещения внутреннего конического проводника.

4. Экспериментально получены энергетические спектры электронного потока после пространства взаимодействия, что позволяет разрабатывать приборы с рекуперацией остаточной энергии, в том числе и с многоступенчатыми коллекторами, с разделением электронного пучка на энергетические фракции.

За счет использования схемы рекуперации достигнуто увеличение выходного КПД гиро-ЛОВ с центральной частотой 24 ГГц от 15% до 22%.

. 6. Получен высокий КПД в гиротронах на гармониках гирочастоты за счет оптимизации продольного распределения магнитного и высокочастотного полей в области резонатора. Для технологических комплексов микроволновой обработки материалов созданы непрерывные гиротроны на второй гармонике гирочастоты на уровне мощности 10 кВт с рекордными значениями эффективности - выше 50% без рекуперации остаточной энергии электронов и 60% при одноступенчатой рекуперации остаточной энергии электронного потока.

7. Исследованы возможности реализации высокого (до 35%) КПД в гиротроне с рабочими напряжениями в несколько (3-5) кВ. Показано, что неадиабатическая электронная пушка, работающая в режиме ограничения тока пространственным зарядом, позволяет сформировать при этих напряжениях электронный пучок со скоростным разбросом значительно меньшим, чем в традиционных адиабатических системах, что позволяет увеличить КПД приборов. Для оценки скоростного разброса в процессе эксплуатации прибора реализована система контроля эмиссионной неоднородности катода,* основанная на анализе его вольт-амперной характеристики.

8. Создан гиротрон с приосевым электронным пучком, в котором магнитное поле формируется постоянными магнитами. При существенном упрощении конструкции по сравнению с гиротронами, работающими при напряжениях в несколько сотен киловольт, в приборе получена генерация на третьей, четвертой и пятой гармониках гирочастоты при рабочих напряжениях около 40 кВ с эффективностью того же порядка, что и в приборах с большими рабочими напряжениями.

9. Исследована зависимость режимов генерации гиротрона от величины отраженного от нагрузки сигнала. Показано, что при попадании в резонатор отраженного сигнала на уровне около 10% токи, при которых в гиротроне устанавливается автомодуляционный или стохастический режимы генерации, снижаются примерно на порядок по сравнению с режимом без отражений, а в режиме стационарных колебаний эффективность генерации существенно (в 1.5-2 раза) падает даже при уровне отраженного сигнала в несколько процентов.

Список цитируемой литературы

1. Applications of High Power Microwaves. Eds. Gaponov-Grekhhov A.V. and Granatstein V.L. Artech House Microwave Library, Boston, London, 1994.

2. Felch K., Danly В., Jory H., Kreisher К., Lawson W., Levush В., Temkin R.. Characteristics and Applications of Fast-Wave Gyrodevices // Proceedings of the IEEE, 1999, 87, 5, p.752.

3. Chu K.R. The electron cyclotron maser // Reviews of modem physics, 2004,76, p.490.

4. Thumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers Update 2007 // FZKA 7389, Karlsruhe, 2007.

5. Запевалов B.E. Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006,49, 10, с.864.

6. Гольденберг A.JL, Петелин М.И. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке // Изв. вузов. Радиофизика, 1973, 16, 1, с.141.

7. Kuftin A.N., Lygin V.K., Manuilov V.N., Postnikova A.S., Zapevalov V.E. Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams.//Int. Ibid, 1999, 20, p.361.

8. Nusinovich G.S. Mode interaction in gyrotrons. // Int. J. Electronics, 1981,51,4, p. 457.

9. Завольский H.A., Нусинович Г.С., Павельев А.Б. Устойчивость одномодовых колебаний и нестационарные процессы в гиротроне со сверхразмерными низкодобротными резонаторами В кн. Гиротрон, Горький, 1989, с.84.

10. Bogdashov А.А., Chirkov A.V., Denisov G.G. et al. Mirror synthesis for gyrpotron quasi-optical mode converters // Int.J.Infrared and millimeter waves, 1995, 16,4, p.735.

11. Денисов Г.Г., Самсонов C.B., Соболев Д.И. Двумерная реализация метода синтеза волноводных преобразователей // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006,49,12, с. 1056.

12. Sakamoto К., Tsuneoka V., Kasugai A. et al. Major improvement of gyrotron efficiency with beam energy recovery // Phys. Rev. Lett., 1994, 73, 26, p.3535..

13. Sakamoto K., Tsuneoka V., Kasugai A. et al. Development of high power gyrotron with energy recovery system // Fusion Eng. Des. 30 (1995).

14. Денисов Г.Г., Запевалов B.E., Литвак А.Г., Мясников B.E. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2003, 46,10, с.845.

15. Ling G., Piosczyk В., Thumm М. A new approach for a multistage depressed collector for gyrotrons // IEEE Trans, on Plasma Science, 2000, 28, pp.606.

16. Borie E., Dammertz G., Thumm M. et al. Development of advanced high-power 140 GHz gyrotrons for fusion plasma application// Fusion Eng. Des. 30 (1995).

17. Зарницина И.Г., Нусинович Г.С. Конкуренция мод в гиромонотронах на второй гармонике циклотронной частоты // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1977, 20, 3, с.461.

18. Программа фундаментальных исследований Президиума РАН N29 «Электромагнитные волны терагердового диапазона». Отчет за 2005г., Новосибирск, 2005.

19. Лучинин А.Г.,. Малыгин О.В., Нусинович Г.С., Флягин В.А. Субмиллиметровый гиротрон с импульсным магнитным полем // ЖТФ, 1983, 53, 8, с.1629.

20. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., Pereyaslavets M., NiShida N., Yoshida K. Development of frequency tunable, medium power gyrotrons (GyrotronFU series) as submillimeter wave radiation sources // IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27, 2,p.340.

21.Hornstein M.K., Bajaj V.S., Griffin R.G. et al. Second Harmonic Operation at 460 GHz and. Broadband Continuous Frequency Tuning of a Gyrotron Oscillator // IEEE Trans, on electron devices, 2005, 52, 5, p.798.

22. Gavrilov N.G. et al. Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL // Nuclear Instrum. and Methods in Physics Research A, 2007, 575, p.54.

23. Shimizu Y., Makino S., Ichikawa K. et al. Development of submillimeter wave gyrotron using 12 T superconducting magnet // Phys. Plasmas, 1995, 2, p.2110.

24. Idehara Т., Saito Т., Mori H., Tsuchiya H., LaAgusu, Mitsudo S. Long Pulse Operation of the THz Gyrotron with a Pulse Magnet // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 2008, 29, 2, p. 131.

25. Bratman V.L., Bandurkin I.V., Dumesh B.S. et al. Sources of Coherent Terahertz Radiation // AIP Conference Proc. of 7th Workshop on High Energy Density and High Power RF, 2006, 807, p.356.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

А1. Глявин М.Ю., Гуртовник А.А., Нусинович Г.С., Панкратова Т.Б. Возбуждение высших мод в гиротронах, работающих на гармониках циклотронной частоты. В кн. Гиротрон, Горький, 1989, р.73. А2. Глявин М.Ю. Влияние нестабильности напряжения на КПД и устойчивость автоколебаний в гиротронах // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1990, 3(427), с.З.

A3. Глявин М.Ю., Нусинович Г.С. Устойчивость одномодовых колебаний в гиротроне с синхронным взаимодействием мод // Радиотехника и электроника, 1991, 3, р.512.

А4. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuftin A.N., Pylin A.V., Zapevalov V.E. Measurement of energy spread in electron beams of gyrotrons // Conference digest 19 Int. Conf. on IRMM Waves, Sendai,1994, p.488. A5. Глявин М.Ю. Установление колебаний в гиротроне с синхронным взаимодействием мод // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1994, 2(462), с.ЗЗ.

А6. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е. Численное моделирование переходных процессов в 170ГГц/1МВт гиротроне для ITER // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1996,39, 9, с. 1176.

А7. Bratman V.L., Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Savilov A.V., Venedictov N.P., Zapevalov V.E. Measurement and interpretation of electron energy spectra in gyrotrons. // Conference digest 22 Int. Conf. on IRMM Waves, Wintergreen, 1997, p. 186.

A8. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов B.E., Куфтин А.Н., Постникова А.С., Юлпатова М.В. Экспериментальное исследование эмиссионной неоднородности катодов гиротронов по вольт-амперным характеристикам // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1997, 40,4, с.506. А9. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е. Влияние отражений на устойчивость автоколебаний в гиротронах // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998,41,10, с.1348. А10. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е.. Куфтин АН. Конкуренция мод в нестационарных режимах мощных гиротронов // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998,41, 6, с.803.

All. Гинзбург Н.С., Глявин М.Ю., Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Моисеев М.А., Новожилова Ю.В. Использование отражения с запаздыванием для получения автомодуляционных и стохастических режимов генерации в гиротронах миллиметрового диапазона // Письма в ЖТФ, 1998,24,11, с.53. А12. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н. Экспериментальное исследование 110ГГи/1МВт гиротрона с одноступенчатой рекуперацией энергии // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998,41,5, с.670 А13. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Кулыгин M.JI. Нестационарные процессы в гиротроне с отражением излучения от неоднородностей выходного тракта // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998,41,12, с.1616. А14. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuffin A.N., Postnikova A.S., Venediktov N.P., Zapevalov V.E. Experimental investigation of electron energy spectrum in gyrotrons // Proceedings of 12 Int. Conf. on high-power particle beams, Izrael, Haifa, 1998, 2, p.736.

A15. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuftin A.N., Lygin V.K., Postnikova A.S., Zapevalov V.E. Experimental studies of gyrotron electron beam systems // IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27, 2, p.474. A16. Глявин М.Ю., Запевалов B.E., Кулыгин M.JI. Влияние отражения СВЧ сигнала на эффективность генерации гиротронов с перестройкой частоты // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1999,42, 11, с. 1092.

А17. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Кулыгин M.JI., Куфтин А.Н. Учет реального распределения электронов по скоростям при расчете КПД гиротрона // Электронная техника, серия 1 СВЧ техника, 1999, 2(474), с.9. А18. Глявин М.Ю. Мощный высокоэффективный пфотрон для микроволновых технологий // Избранные труды молодых ученых ИПФ РАН, Н.Новгород, 1999, с .23.

А19. Dumbrajs О., Glyavin M., Zapevalov V., Zavolsky N. Influence of reflections on mode competitions in gyrotrons // IEEE Transactions on Plasma Science, 2000, 28, 3, p.588.

A20. Братман В.Л., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Савилов А.В. Разброс начальной энергии электронов в гиротроне вызваный развитием неустойчивости отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке // ЖТФ, 2000, 70,4, с.90.

А21. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Постникова А.С. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ, 2000, 70,4, с.95.

А22. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Лучинин АГ. Экспериментальное исследование спектрального состава выходного излучения в гиротроне с отражением части выходного сигнала // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2000,43,5, с.440.

А23. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Моисеев М.А., Постникова А.С. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне // ЖТФ, 2000, 70, 12, с.66.

А24. Sabchevski S., Idehara Т., Ogawa I., Glyavin M., Mitsudo S., Ohashi K., Kobayashi H. Computer simulation of axis-encircling beams generated by an electron gun with permanent magnet system // Int. J. IRMM Waves, 2000,21,8, p. 1191. A25. Glyavin M., Sabchevski S., Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., Ohashi K., Kobayashi H. Numerical analysis of weakly relativistic large orbit gyrotron with permanent magnet system // Int. J. IRMM Waves, 2000,21,8, p. 1211. A26. T.Idehara, S.Mitsudo, S.Sabchevski, M.Glyavin, Aripin, M.Ui, K.Matsuda, K.Kitai and I.Ogawa. Present starns of submillimeter wave gyrotron (FU Series) development as radiation source // Proceedings of the 8th Asia Pacific Physics Conference, Taipei, Taiwan, 2000, p.241.

A27. Idehara Т., Mitsudo S., Sabchevski S., Glyavin M., Ogawa I. Development of high power, frequency tunable, submillimeter wave sources - Gyrotron FU Series // Proceedings of 13 Int Conf. on High Power Particle BEAMS-2000, Japan, Nagaoka, 2000, p.50.

A28. Idehara Т., Mitsudo S., Sabchevski S., Glyavin M., Ogawa I, Sato M., Kawahata K., Brand G. Development of frequency tunable gyrotrons for plasma diagnostics // Proceedings of the 5th Australia-Japan Workshop on Plasma Diagnostics, JAERI, 2000, p.34.

A29. Dumbrajs O., Glyavin M., Moiseev M., Zapevalov V., Zavolsky N. Impact of reflections on gyrotron operation // Proceedings of the Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N.Novgorod, 2000, 2, p.677. A30. Bykov Yu., Glyavin M., Goldenberg A., Luchinin A., Lygin V., Zavolsky N. Efficient 24-30 GHz, CW gyrotrons for technological applications // Proceedings of the Int Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N.Novgorod, 2000,2, p.747.

А31. Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M. et al. Gyrotron compact system for materials processing // Conference proceedings 26 Int. Conf. on IRMM Waves, Toulouse, France, 2001, p.5.156.

A32. Sabchevski S., Idehara Т., Glyavin M., Mitsudo S., Ogawa I., Ohashi K., Kobayashi H. Design of large orbit gyrotron with permanent magnet system // Int. J. Vacuum, 2001, 62, 2-3, p.133.

A33. Idehara Т., Mitsudo S., Sabchevski S., Glyavin M., Ogawa I. Gyrotron FU series - current status of development and applications // Int. J. Vacuum, 2001,62,2-3, p. 123. A34. Глявин М.Ю., Кулыгин M.JI. Теоретическое и экспериментальное исследование автомодуляционных режимов генерации в гиротронах с запаздывающей обратной связью // Избранные труды конкурса молодых ученых ИПФ РАН, Н.Новгород, 2001, с.16.

А35. Zapevalov V., Idehara Т., Sabchevski S., Ohashi К., Manuilov V., Glyavin M. et al. Simulation and design of a high harmonic gyrotron with permanent magnet system // Proceedings of the Int. Workshop "Strong Microwave in Plasmas", ed. Litvak A.G., N.Novgorod, 2003, p.129.

A36. Sabchevski S., Idehara Т., Ogawa I., Glyavin M., Ohashi K. Simulation of a high harmonic gyrotron with axis-encircling electron beam and permanent magnet // Int. J. IRMM Waves, 2002, 23, 5, p.675.

A37. Bykov Yu., Denisov G., Glyavin M., Eremeev A., Idehara Т., Mitsudo S., Hoshizuki H. Development of a compact gyrotron system for microwave processing of materials // Journal of the Japan Society of Infrared Science and Technology, 2002, 12, 1, p.60.

A38. Zapevalov V., Idehara Т., Sabchevski S., Ohashi K., Manuilov V., Glyavin M. et al. Design of a large orbit gyrotron with a permanent magnet system // Int. J. IRMM Waves, 2003, 24, 3, p.253.

A39. Glyavin M., Zapevalov V., Idehara Т., Ogawa I. Influence of voltage fluctuations on gyrotron efficiency and stability // Int. J. IRMM Waves, 2003, 24, 4, p.409.

A40. Denisov G., Bratman V., Glyavin M., Lygin V., Luchinin A., Manuilov V., Ofitserov M., Samsonov S., Volkov A., Thumm M. Recent test results on broad-band gyro-TWT and gyro-BWO with hellically grooved operating waveguides // 4th International Vacuum Electronics Conference, IVEC2003, Seoul, Korea, 2003, p.338. A41. Fernandez A., Martin R., Glyavin M., Novozhilova J., Ofitserov M., Petelin M. Some opportunities to control and stabilize frequency of gyrotron // 4th International Vacuum Electronics Conference, IVEC2003, Seoul, Korea, 2003, p. 172.

A42. Bykov Yu., Glyavin M., Denisov G., Holoptsev V., Eremeev A., Plotnikov I., Pavlov N. 3.5 kW 24 GHz compact gyrotron system for microwave processing of materials // Advances in Microwave & Radio Frequency Processing, ed. M. Willert-Porada, Springer, 2003, p.24.

A43. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., Iwata Y., Watanabe S., Itakura Y., Ohashi K., Kobayashi H., Yokoyama Т., Zapevalov V., Glyavin M., Kuftin A., Malygin O.,

Sabchevski S. A high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004,32,3, p.903. A44. Samsonov S., Denisov G., Bratman V., A.Bogdashov, M.Glyavin, A.Luchinin, V.Lygin, M.Thumm, Frequency-tunable CW gyro-BWO with a helically rippled operating waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, 32, 3, p.884.

A45. Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M. et al. 24-84 GHz gyrotron systems for technological microwave applications // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004,32, 1, p.67.

A46. Zapevalov V., Belousov V., Bogdashov A., Bykov Yu., Chirkov A., Denisov G., Glyavin M. et al. Evolution of Russian gyrotrons for fusion and technological applications, Proceedings the 10th Triennial ITG-Conference on Displays and Vacuum Electronics, ITG-183, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004, p.41. A47. Hoshizuki H., Mitsudo S., Saji Т., Matsuura K., Idehara Т., Glyavin M. et al. High temperature thermal insulation system for millimeter wave sintering of B4C // Int. J. IRMM Waves, 2005, 26, 11, p. 1531.

A48. Sabchevski S., Idehara Т., Glyavin M., Ogawa I., Mitsudo S. Modeling and simulation of gyrotrons // Int. J. Vacuum, 2005,77,4, p.519.

A49. Idehara Т., Ogawa I., Mitsudo S., Iwata Y., Watanabe S., Itakura Y., Ohashi K., Kobayashi H., Yokoyama Т., Zapevalov V., Glyavin M., Kuftin A., Malygin O. and Sabchevski S. Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet // Int. J. Vacuum, 2005, 77,4, p.539. A50. Manuilov V., Idehara Т., Glyavin M. et al. Electron optic system of powerful Large Orbit Gyrotron with pulse magnetic field // Int. J. IRMM Waves, 2005,26,1, p. 15. A51. Gitlin M.S., Glyavin M.Yu., Luchinin A.G. and Zelenogorsky V.V. Imaging the output radiation pattern of 110 GHz gyrotron with pulsed magnetic field using recombination continuum emitted by a slab of the Cs-Xe DC discharge // IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, 33, 2, p.380. A52. Гольденберг А.Л., Мануйлов B.H., Глявин М.Ю. Электронно-оптическая система мощного гиротрона с неадиабатической электронной пушкой // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2005,48, 6, с.517. А53. Luchinin A.G., Glyavin M.Yu., Malyshev V.A. Development of a THz gyrotron based on high field intensity pulse magnet II Abstracts 6 Int. Workshop "Strong microwaves in plasmas", N.Novgorod, Russia, 2005, S40. A54. Гольденберг А.Л., Глявин М.Ю., Завольский H.A., Мануйлов В.Н. Технологический гиротрон с низким ускоряющим напряжением // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2005,48, 10-11, с.835.

А55. Глявин М.Ю., Морозкин М.В., Петелин М.И. Разделение энергетических фракций электронного пучка локализованной неоднородностью магнитного поля в коллекторной области гиротроприборов // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006,49, 10, с.900. А56. Rozental R.M., Ginzburg N.S., Glyavin M.Yu., Sergeev A.S. Novel source of the chaotic microwave radiation based on the gyrotron backward-wave

oscillator // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 2006, 56, 6, p.2741.

A57. Denisov G., Glyavin M., Morozkin M., Petelin M., Sobolev D. Development of high efficient technological gyrotron with depressed collector // Proceedings of the 6 International Kharkov symposium "Physics and engineering of microwaves, millimeter and submillimeter waves", Kharkov, Ukraine, 2007. A58. Glyavin M., Luchinin A. The experimental tests of THz range gyrotron with pulsed magnetic field // Book of abstract, PPPS 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, 2007.

A59. Глявин М.Ю., Морозкин M.B. Оптимизация длины резонатора в гиротронах на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка // Изв. вузов Радиофизика, 2008,51,7, с.617. А60. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г., Морозкин М.В., Хижняк В.И. Плавная широкополосная перестройка рабочей частоты гиротрона // Изв. вузов Радиофизика, 2008, 51,1, с.63.

А61. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г. Терагерцовый гиротрон с импульсным магнитным полем // Изв. вузов Радиофизика, 2007, 50,10-11, с.831. А62. Denisov G., Bykov Y., Glyavin M., Luchinin A., Morozkin M., Sobolev D. High efficient gyrotron-based systems for technological applications // Joint 33st Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 16th Int. Conf. on Terahertz Electronics, Pasadena, USA, 2008, R4A2.1512. A63. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G. and Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5-kW 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field // Phys. Rev. Lett, 2008, 100, 1, p.015101.

A64. Glyavin M., Khizhnyak V., Luchinin A., Idehara T. and Saito T. The design of the 394.6 GHz continuously tunable coaxial gyrotron for DNP spectroscopy // Int. J. IRMM Waves, 2008, 29, 7, p.641. A65. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Manuilov V.N. and Nusinovich G.S. Design of a sub-THz, third-harmonic, continuous-wave gyrotron // IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 36, 3, p.591.

A66. Morozkin M.V., Glyavin M.Yu., Denisov G.G., Luchinin A.G. A high-efficiency second harmonic gyrotron with a depressed collector // Int. J. IRMM Waves, 2008, 29, ll,p,1004.

A67. Bratman V., Glyavin M., Idehara Т., Kalynov Yu., Luchinin A., Manuilov V., Mitsudo S., Ogawa I., Saito Т., Tatematsu Y., Zapevalov V. Review of sub-terahertz and terahertz gyrodevices at IAP RAS and FIR FU // IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 36, 6.

А68. ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение 4

1 Экспериментальное исследование факторов, влияющих на КПД гиротронов 32

1.1 Влияние однородности эмиссии катода на КПД гиротрона и диагностика качества катодов по вольт-амперной характеристике 32

1.2 Особенности взаимодействия мод при генерации на рабочих модах высокого порядка 60

1.3 Влияние СВЧ мощности, отраженной от элементов электродинамической системы, и нестабильности напряжения на КПД

и спектр выходного излучения гиротронов 87

2 Высокоэффективные гироприборы с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка 110

2.1 Особенности рекуперации в гироприборах 110

2.2 Экспериментальное исследование энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротрона 116

2.3 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты с рекуперацией

остаточной энергии электронов 133

2.4 Технологический гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией энергии 139

2.5 Повышение КПД гиро-ЛОВ за счет использования коллектора с рекуперацией. 147

3 Разработка и экспериментальное исследование гиротронов для микроволновых технологий 153

3.1 Комплексы микроволновой обработки материалов на базе

гирприборов 153

3.2 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты для технологического микроволнового комплекса 164

3.3 Гиротроны на второй гармонике гирочастоты для задач микроволновой обработки материалов 168

3.4 Технологический гиротрон с низким рабочим напряжением 177

4 Субмиллиметровые гиротроны для диагностических приложений 193

4.1 Непрерывный субмиллиметровый гиротрон с рабочей модой высокого порядка 194

4.2 Гиротрон с приосевым электронным пучком и магнитной системой на основе постоянных магнитов 202

4.3 Перспективы генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах

на третьей гармонике гирочастоты 229

4.4 Численное моделирование плавной широкополосной перестройки частоты в коаксиальном гиротроне с подвижным внутренним 243 стержнем

4.5 Гиротрон терагерцового диапазона частот с импульсным соленоидом 258 Заключение 279 Цитированная литература 281 Список публикаций автора по теме диссертации 301

Глявин Михаил Юрьевич

ГИРОТРОНЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Автореферат

Подписано в печать 30.01.2009. Формат 60 * 90 '/is- Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 150 экз. Заказ № 16(2009)

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

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Глявин, Михаил Юрьевич

Введение

1 Экспериментальное исследование факторов, влияющих на КПДгиротронов

1.1 Влияние однородности эмиссии катода на КПД гиротрона и диагностика качества катодов по вольт-амперной характеристике

1.2 Особенности взаимодействия мод при генерации на рабочих модах высокого порядка

1.3 Влияние СВЧ мощности, отраженной от элементов электродинамической системы, и нестабильности напряжения на КПД и спектр выходного излучения гиротронов

2 Высокоэффективные гироприборы с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка

2.1 Особенности рекуперации в гироприборах

2.2 Экспериментальное исследование энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротрона

2.3 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной энергии электронов

2.4 Технологический гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией энергии

2.5 Повышение КПД гиро-JIOB за счет использования коллектора с рекуперацией.

3 Разработка и экспериментальное исследование гиротронов для микроволновых технологий

3.1 Комплексы микроволновой обработки материалов на базе гирприборов

3.2 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты для технологического микроволнового комплекса

3.3 Гиротроны на второй гармонике гирочастоты для задач микроволновой обработки материалов

3.4 Технологический гиротрон с низким рабочим напряжением

4 Субмиллиметровые гиротроны для диагностических приложений

4.1 Непрерывный субмиллиметровый гиротрон с рабочей модой высокого порядка

4.2 Гиротрон с приосевым электронным пучком и магнитной системой на основе постоянных магнитов

4.3 Перспективы генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах на третьей гармонике гирочастоты

4.4 Численное моделирование плавной широкополосной перестройки частоты в коаксиальном гиротроне с подвижным внутренним стержнем

4.5 Гиротрон терагерцового диапазона частот с импульсным соленоидом

Введение диссертация по физике, на тему "Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Последние десятилетия характеризуются широким использованием электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн в различных областях физики и техники [1]. По уровню выходной мощности в этом диапазоне несомненное лидерство принадлежит гирорезонансным генераторам (гиротроны, гиро-JIOB) и усилителям (гироклистроны, гиро-ЛБВ), основанным на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических систем, не содержащих малых, по сравнению с длиной волны, элементов (см, например, обзоры [2-14]). Последнее обстоятельство позволяет избежать минитюаризации пространства взаимодействия и относительно просто реализовать системы с большой запасенной энергией активной среды (электронный пучок) и приемлемыми тепловыми нагрузками на элементы прибора. Несмотря на значительные успехи в развитии гиротронов, достигнутые за время исследований, проблемы повышения КПД гиротронов и освоение гиротронами субмиллиметрового диапазона длин волн продолжают оставаться актуальными.

В настоящий момент можно выделить три основных области использования гироприборов [1]:

• управляемый термоядерный синтез (УТС);

• микроволновая обработка материалов;

• спектроскопия и диагностика различных сред.

Для нагрева плазмы и управления током в установках УТС, сегодня, как правило, требуются гиротроны, работающие на частотах 110-170 ГГц в квазинепрерывном (с длительностью импульса в десятки минут) режиме генерации при выходной мощности порядка одного мегаватта с тенденцией к дальнейшему повышению, по крайней мере, до 1.5-2МВт [15,16]. Разработка таких гиротронов базируется на комплексном решении широкого набора физических и технических задач, в том числе формирования мощных винтовых электронных пучков с достаточно высокой долей вращательной энергии электронов и приемлемым разбросом их скоростей, обеспечение селективного возбуждения мод высокого порядка в цилиндрическом резонаторе, эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок, создание коллекторных систем и выходных окон с допустимыми при существующих методах охлаждения тепловыми нагрузками. Магнитные поля гиротронов для УТС создаются криомагнитными системами. В совокупности, все вышеперечисленное делает эти гиротронные комплексы чрезвычайно сложными и дорогостоящими.

Другая, все более расширяющаяся область применения гиротронов, связана с их использованием для процессов микроволновой обработки материалов [1,А141]. Желаемая мелкозернистая структура, необходимая для реализации поликристаллических материалов высокой прочности, может быть получена спеканием нанометровых порошков в условиях микроволнового нагрева. Основными особенностями этого метода являются: возможность объемного нагрева диэлектриков; уменьшение времени технологических процессов; возможность локального нагрева сфокусированными волновыми пучками и уменьшение масштаба температурной неоднородности при снижении длины волны излучения.

Гиротроны, разрабатываемые для технологических комплексов микроволновой обработки материалов должны сочетать в себе возможность долговременной (до нескольких сотен часов) работы с высоким КПД в непрерывном режиме генерации с надежной и дешевой конструкцией и быстрым управлением выходной мощностью в широких пределах. Желание упросить и удешевить технологические комплексы привело к тому, что магнитные системы технологических гиротронов, как правило, строятся на основе "теплых" соленоидов с водяным или масляным охлаждением. Естественно, что с целью снижения энергопотребления соленоида размер его рабочего пространства желательно минимизировать, что, в свою очередь, требует минимизации всех элементов гиротрона.

На современном этапе лабораторных исследований с использованием относительно небольших объемов вещества требуемая выходная мощность составляет несколько киловатт. При переходе к промышленному использованию подобных систем, скорее всего, потребуется увеличение выходной мощности до десятков киловатт. Дальнейшее увеличение вызовет прогрессирующее усложнение источников питания и систем охлаждения.

Для снижения энергопотребления магнитной системой технологические гиротроны разрабатываются для работы на второй гармонике гирочастоты (т.е. при вдвое меньшем магнитном поле по сравнению с работой на основном циклотронном резонансе), однако реализация гиротронов на гармониках гирочастоты затрудняется существенно меньшей устойчивостью генерации рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод, во многом из-за подавления высших гармоник более низкими. Совершенствование технологических комплексов на основе гироприборов требует, в первую очередь, реализации устойчивых режимов одномодовой генерации на гармониках гирочастоты с высоким КПД.

Третья, активно развивающаяся область применения гиротронов связана с их использованием для задач спектроскопии и диагностики различных сред, создания систем связи и мониторинга окружающей среды. Высокочастотные гиротроны востребованы рядом современных научных направлений, нуждающихся в источниках субмиллиметрового излучения вплоть до терагерцового диапазона частот [1,17]. Терагерцовые волны сочетают в себе свойства своих "соседей". Они, как радиоволны, обладают большой проникающей способностью, и, в тоже время, излучение этого диапазона легко фокусируется, подобно инфракрасному излучению. Терагерцовое излучение является неионизирующим. Неорганические и органические молекулы ряда веществ имеют собственные частоты в терагерцовом диапазоне и в этом же диапазоне лежат энергии водородных связей, что открывает возможности как для диагностики, так и для селективного воздействия излучения на вещество. Особо привлекательна возможность использования терагерцового излучения в биологии и медицине. Терагерцовые волны проникают в живые ткани, не причиняя вреда, а возможность фокусировки позволяет намного повысить разрешающую способность медицинских приборов. А это, в свою очередь, может принципиально изменить диагностику многих заболеваний. Помимо медицины, терагерцевое излучение может найти широкое применение в системах радиовидения, например, для распознавания взрывчатых веществ

В субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах, несмотря на несколько успешных реализаций [18,19], гиротроны применяются значительно реже, чем уникальные и значительно более сложные лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), для работы которых требуются на один-два порядка более высокие энергии частиц. Слабая распространенность, несмотря на востребованность, гиротронов в терагерцовом диапазоне связана, в частности, с необходимостью использования в них очень сильных магнитных полей, создаваемых, как правило, дорогими криомагнитными системами, а также с трудностями обеспечения высокоэффективной одномодовой генерации при работе в субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах при меньших магнитных полях в режиме циклотронного резонанса на высоких циклотронных гармониках [11,20]. Для одномодовой генерации на высоких гармониках требуется разработка методов селекции рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод.

Настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы современной физической электроники — исследованию взаимодействия винтовых электронных потоков с высокочастотными полями цилиндрических резонаторов и получению устойчивой одномодовой генерации с высоким КПД. Применяемые, а также предлагаемые, подходы к решению поставленной задачи являются общими для гироприборов, а результаты экспериментальных исследований использовались при разработке гиротронов для микроволновых технологий и диагностических систем.

Цель исследования

1. Разработку и реализацию методов, позволяющих увеличить КПД гироприборов

2. Создание высокоэффективных гиротронов киловаттного уровня мощности, работающих в диапазоне частот 24-30 ГГц, для использования в комплексах микроволновой обработки материалов

3. Установление возможности генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах на гармониках гирочастоты

4. Выявление возможностей создания сильных магнитных полей в объемах, достаточных для размещения электродинамических систем субмиллиметровых гиротронов на основном циклотронном резонансе, и создать источники терагерцового диапазона длин волн киловаттного уровня мощности.

Принцип работы гиротрона и основные факторы, влияющие на КПД

Принципиальная схема гиротрона показана на рис.1.

КЛТОД выходной

Взаимодействие электронного пучка с высокочастотным (ВЧ) полем происходит в резонаторе, находящемся в области однородного участка магнитного поля, создаваемого магнитной системой на основе соленоида или постоянного магнита. Высокочастотное излучение с частотой со генеририруется или усиливается благодаря группировке электронов в такой фазе их вращения в магнитном поле, в которой это движение тормозится высокочастотным полем, отбирающем часть вращательной энергии электронов [21-25]. Группировка электронов в гироприборах основана на релятивистской зависимости циклотронной еНс частоты электронов сон =- от их энергии S , что приводит к S увеличению частоты вращения электронов, теряющих свою энергию, и, напротив, к замедлению вращения электронов, приобретающих дополнительную энергию. Управляя расстройкой между частотой вращения электронов и частотой излучения, можно обеспечить группировку электронов, движущихся с разными скоростями вращения, в тормозящей фазе высокочастотного поля.

Резонатор возбуждается на n-ой гармонике одной из собственных мод круглого волновода ТЕт р, удовлетворяющих условию синхронизма y-&nV|| = псон (здесь vy - продольная относительно ведущего магнитного поля скорость электронов, ^ - продольное волновое число электромагнитной волны). В области взаимодействия -»0, и благодаря этому гиротрон обладает малой чувствительностью к разбросу продольных скоростей электронов. В принципе, рабочая мода может быть очень высокой с т,р » 1 при условии обеспечения селективного возбуждения данного типа колебаний. Этим снижаются обычные для других приборов ограничения на размеры электронного пучка и резонатора и обеспечиваются уникальные возможности для генерации гиротронами высокой выходной мощности на коротких длинах волн.

Из резонатора излучение выводится в виде волны ТЕт , сохраняющей поперечную структуру рабочей моды. Электронный пучок после взаимодействия с высокочастотным полем осаждается на коллектор, система охлаждения которого рассчитывается с учетом допустимой тепловой нагрузки.

Основным достоинством гиротронов является возможность достижения высокого уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн [26-31]. Работа на высоком уровне мощности требует развитого пространства взаимодействия [32], однако при этом возникает необходимость селективного возбуждения рабочего типа колебаний, т.е проблема конкуренции мод в сверхразмерных резонаторах, представляющих собой систему с числом степеней свободы, равным количеству возбуждаемых мод. Исследованию таких систем и анализу основных эффектов -конкуренция мод, затягивание частоты, принудительная синхронизация, биения - посвящено большое число работ, в том числе и по гиротронам см., например, [33-47]). Одной из задач диссертации являось исследование нелинейных процессов в энергообмена между электронным пучком и высокочастотным полем и определение областей в пространстве параметров, в которых имеет место устойчивая одномодовая генерация с высоким КПД. Адекватный анализ одновременного возбуждения многих мод и их взаимодействия в гиротронах выходит за рамки стационарной теории. Только при нестационарном подходе можно определить характеристики установившегося режима генерации (если он реализуется).

Как следует из анализа основных упрощенных моделей, многомодовость в МНР может приводить к нестабильности или срыву генерации на рабочей моде, многочастотной генерации с примесью паразитных мод или излучению только паразитных колебаний [43-45]. Для обеспечения одномодовой генерации в МЦР применяются методы электродинамической и электронной селекции [46,47]. Первые используют снижение добротности паразитных мод или изменении плотности спектра мод вблизи рабочего типа колебаний (путем использования гофрированных, коаксиальных, двухзеркальных резонаторов и др.) Электронная селекция опирается на то обстоятельство, что электронный поток по разному взаимодействует с модами, отличающимися друг от друга эффективным объемом, продольной и поперечной структурой поля. Таким образом, ответ на вопрос о возможности одномодовой генерации рабочей моды с высоким КПД, связан с обеспечением эффективной селекции рабочего типа колебаний.

КПД гиротрона, как и других электронных приборов, может быть повышен путем рекуперации - возврату неиспользованной энергии электронов источнику питания за счет торможения электростатическим полем коллектора [70]. Одновременно с повышением КПД происходит и снижение тепловой нагрузки на коллектор. Простейшая схема рекуперации может быть реализована в лампе с изолированным коллектором, на который подается напряжение тормозящее электронный пучок. Максимальная величина напряжения на коллекторе ограничивается минимальной остаточной энергией электронов, поскольку при избыточном торможении часть электронов отражается обратно в рабочее пространство прибора, ухудшая условия взаимодействия электронов с ВЧ полем и снижая тем самым КПД. На сегодняшний день использование рекуперации в мощных гиротронах для установок УТС позволило достичь КПД порядка 65% на основном циклотронном резонансе [5, 61-82]. Одной из задач диссертации является экспериментальное исследование энергетических спектров сформированных, а также отработанных электронных потоков, последующее уточнение на основании экспериментальных данных расчетных моделей и значений максимально возможного потенциала торможения. Полученные данные предназначены для разработки коллекторов гиротронов с рекуперацией энергии, в том числе и многоступенчатых, с пространственным разделением электронного пучка на энергетические фракции.

Поскольку в гиротроне в процессе взаимодействия электронов с ВЧ полем меняется энергия вращательного движения частиц, а не энергия их поступательного движения, то КПД гиротрона с учетом ВЧ 0 омических потерь в стенках резонатора равен /7 = (1- тр—) t± гДе Пх

Уом так называемый "орбитальный" (или "поперечный" электронный КПД, равный отношению энергии, излученной электронами к начальной g2 величине энергии вращательного движения), t±=-г - фактор,

1 + g характеризующий отношение начальной орбитальной энергии к полной

V1 JL энергии электронов, g = — - питч-фактор - отношение поперечной относительно магнитного поля) скорости электронов к их продольной скорости, О и О ом — полная и омическая добротности резонатора, соответственно.

Орбитальный КПД tj± принимает максимальные значения при оптимальных значениях расстройки частоты излучения от циклотронной частоты, тока пучка и длине резонатора. Для достижения максимального орбитального КПД необходимо минимизировать в электронном пучке разброс энергий и скоростей электронов (как продольной компоненты скорости, так и поперечной), и чтобы продольные распределения ВЧ поля f(z) и статического магнитного поля B(z) в резонаторе имели требуемый, достаточно сложный характер.

На основании имеющихся данных [52-55] можно сделать вывод, что оптимизированная структура ВЧ поля представляет собой плавно нарастающую (что обеспечивает формирование компактных электронных сгустков без значительных затрат энергии ВЧ поля) и затем довольно резко спадающую вдоль оси системы функцию. Большой КПД достигается если формирование наиболее компактный сгустка заканчивается вблизи максимума ВЧ поля. Оптимизация продольной структуры ВЧ поля с целью улучшения группировки электронов и повышение КПД гиротрона также является одним из целевых направлений диссертационной работы.

Отметим, что с точки зрения применения последующей рекуперации энергии функция распределения ВЧ поля /(z) с резким спаданием к выходному сечению резонатора перестает быть оптимальной. Это связано с наличием в электронном пучке медленных (с малой продольной скоростью vy -> 0) электронов, которые в случае плавного изменения амплитуды поля движутся адиабатически, успевая сначала отдать, а потом частично набрать энергию вращательного движения. После размагничивания в спадающем поле коллекторной области эти электроны имеют минимальную энергию достаточную для эффективной рекуперации, поскольку тормозящее напряжение коллектора определяется минимальной энергией электронного потока. Резкое же изменение функции распределения ВЧ поля приводит тому, что медленные электроны, которые при плавной /(z) были адиабатическими, перестают быть таковыми в месте обрыва и могут покидать область взаимодействия обладая малой полной энергией. Одна из задач диссертации состоит в анализе влияния профиля ВЧ поля на КПД генерации и эффективность последующей рекуперации энергии электронного потока.

Введение коррекции продольного распределения внешнего магнитного поля таюке способно привести к увеличению КПД. Результаты численного исследования (см, например [56,57]) показали, что увеличение "поперечного" КПД имеет место при использовании нарастающего магнитного поля. Результаты проведенного еще в 1968 году М.А.Моисеевым и В.К.Юлпатовым [37] исследования модели с простейшей линейной зависимостью B(z) продемонстрировали возможность повышения поперечного КПД до 80% при гауссовой продольной структуре ВЧ поля, а для некоторых гипотетических распределений поля КПД приближается к 100% [58,59]. В диссертации решается задача поиска относительно простого для реализации распределения магнитного поля, позволяющая получить высокий КПД.

Доля вращательной (или "осцилляторной") энергии ^электронного потока на входе в пространство взаимодействия, тем ближе к 1, чем меньше энергия поступательного движения частиц. Однако, величина начальной энергии поступательного движения ограничена снизу разбросом продольных скоростей электронов [61], и к тому же ее чрезмерное уменьшение приводит к ограничению тока из-за провисания потенциала. Поскольку продольная скорость электронов меняется вдоль траектории в области нарастающего магнитного поля принято характеризовать качество электронного пучка инвариантным вдоль траектории разбросом поперечных скоростей, который ниже мы и будем называть разбросом скоростей. Разброс скоростей электронов обусловлен рядом причин, среди которых наиболее важны неоднородности электрических и магнитных полей на катоде, шероховатость его поверхности и эффекты, связанные с пространственным зарядом электронного пучка. Разброс скоростей электронов приводит к тому, что при увеличении среднего значения питч-фактора <g> все большее число электронов, имеющих максимальные вращательные скорости отражается от магнитной пробки и запирается в ловушке между пробкой и катодом. В этой области они могут накапливаться и вызывать некоторые виды неустойчивостей электронного потока, приводящие к снижению КПД или даже срыву генерации [62]. Разброс скоростей электронов является основной причиной, по которой величина t± находится в интервале 0.60.8, вследствие чего выходной КПД гиротронов, равный отношению выведенной через вакуумное окно СВЧ мощности к мощности электронного пучка, составляет для современных гиротронов примерно 40-45% на основном циклотронном резонансе [5,63,64].

Катоды гиротронов работают в режиме температурного ограничения тока эмиссии (не ограничения тока пространственным зарядом пучка как в большинстве электронных приборов), вследствие чего локальная плотность тока эмиссии зависит от состояния эмиттера и, в принципе, от времени эксплуатации [68,69]. В диссертации исследуется возможность создания экспресс-диагностики катода, позволяющей оценивать однородность эмиссии в процессе эксплуатации прибора и прогнозировать время жизни катода. Величина эмиссионной неоднородности существенно влияет и на величину скоростного разброса [65-67], а, следовательно, и на КПД гиротрона.

Для совершенствования гиротронов большое значение имеет также эффективность квазиоптического преобразователя рабочей моды в выходной волновой пучок, но, поскольку большинство рассмотренных в диссертации приборов имеют прямой вывод энергии, данный вопрос в рамках диссертации не анализируется.

Как уже отмечено выше, гиротроны на гармониках гирочастоты позволяют уменьшить рабочее магнитное поле необходимое для генерации СВЧ мощности на заданной частоте. Расчеты орбитального КПД показывают, что его максимальные значения в гиротронах на первой и второй гармониках весьма близки [52], а при дальнейшем возрастании номера гармоники КПД уменьшается относительно медленно. Однако, при работе на гармониках возникает ряд специфических трудностей, усугубляющихся с ростом номера гармоники. Сюда относятся: уменьшение импеданса связи электронного пучка с ВЧ полем резонатора, повышение доли омических потерь, уменьшение устойчивости рабочих колебаний по отношению к колебаниям на высших гармониках [49-51]. Перечисленные факторы сильно затрудняют возможность реализации режимов с высоким КПД в короткомиллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Естественно, что и при работе на гармониках гирочастоты, наибольшие выходные мощности могут быть реализованы при работе на высоких модах в резонаторах большого диаметра. В диссертации приведены результаты экспериментального исследования генерации мод высокого порядка в гиротронах на второй и третьей гармониках гирочастоты, позволяющие реализовать непрерывный режим работы на уровне выходной мощности в несколько сот Ватт в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Для генерации на 3-5 гармониках гирочастоты в импульсном режиме изучались специальные методы электронной селекции рабочей моды в гиротроне с приосевым электронным пучком. Уже в таком виде субмиллиметровые гиротроны могут быть использованы для экспериментов по диагностике плазмы и спектроскопии.

Научная новизна результатов исследования

• Высокие значения КПД (свыше 50% без рекуперации и 60% при одноступенчатой рекуперации энергии электронов в гиротроне на второй гармонике гирочастоты) достигнуты за счет оптимизации профиля электродинамической системы и продольного распределения магнитного поля, а также отбора катодов с максимально однородной эмиссией, что позволило сформировать электронные пучки с малым скоростным разбросом.

• Применительно к катодам гироприборов разработана методика диагностики качества катода по переходному участку вольт-амперной характеристики (ВАХ) между режимами ограничения тока пространственным зарядом и режимом температурного ограничения тока эмиссии. Реализована система автоматизированного измерения ВАХ гиротрона, что позволило проводить диагностику катодов гироприборов непосредственно в процессе эксплуатации.

• Создан проект гиротрона с рекордно низким рабочим напряжением около 5кВ и неадиабатической электронной пушкой, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом. Показано, что скоростной разброс электронов при большом токе пучка может быть значительно снижен по сравнению с традиционными адиабатическими системами, что позволяет увеличить питч-фактор электронного потока в рабочих режимах. Использование низких рабочих напряжений дает возможность упростить источники питания и повысить радиационную безопасность в процессе эксплуатации прибора.

• Разработан и реализован анализатор энергетического разброса электронов в коллекторной области гироприборов. Автором диссертации впервые экспериментально получены энергетические спектры электронного потока в коллекторной области гироприборов, на основе чего создана адекватная к результатам эксперимента аналитическая модель, позволяющая, в перспективе, разработать многоступенчатые коллекторы с разделением энергетических фракций электронного пучка. Выполнены расчеты энергетических спектров электронов в гиротронах, работающих на второй гармонике гирочастоты и показано, что для достижения максимального КПД в приборах с рекуперацией энергии длина пространства взаимодействия должна быть увеличена по сравнению с приборами без рекуперации.

• Исследовано влияние отраженного от элементов электродинамического тракта сигнала на КПД гиротрона, спектральный состав выходного излучения и ширину зоны генерации рабочей моды. Установлено, что при отражении в пространство взаимодействия выходной мощности на уровне нескольких процентов происходит существенное (в 1.5-2 раза) снижение КПД; выработаны критерии согласования элементов линии передачи.

• Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения в гиротроне на второй гармонике циклотронной частоты рабочих мод высокого порядка, что открывает возможность реализации генерации киловаттного уровня мощности в субмиллиметровом диапазоне длин волн. В непрерывном гиротроне на второй гармонике с развитым пространством взаимодействия получена генерация на частоте 250 ГГц с мощностью 0.9 кВт.

• Разработан, изготовлен и испытан гиротрон с приосевым электронным пучком использующий магнитную систему на постоянных магнитах с полем около 1Т. Несмотря на относительно низкие рабочие напряжения - около 40 кВ, удалось получить генерацию на третьей (частота генерации 89 ГГц, мощность 2.5 кВт), четвертой (112 ГГц, 0.5 кВт) и пятой (140 ГГц, 10 Вт) гармониках гирочастоты с эффективностью того же порядка, что и в гироприборах с существенно релятивистскими энергиями частиц. Полученные результаты позволяют вести разработку субмиллиметровых гиротронов с приосевым электронным пучком с относительно низкими рабочими напряжениями.

• Получена рекордная по длине волны для гиротронов генерация СВЧ излучения в терагерцовом диапазоне длин волн на киловаттом уровне мощности в компактном приборе с импульсным соленоидом, обеспечивающем магнитные поля до 50 Т.

Практическая значимость и использование результатов работы.

Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в ИПФ РАН, ЗАО НПП ГИКОМ и Центре по разработке приборов дальнего инфракрасного диапазона университета г.Фукуи, (FIR FU, Япония) при разработке гиротронов для микроволновой обработки материалов, диагностики плазмы и спектроскопии.

Апробация результатов

Основные результаты работы опубликованы в работах [А1-А69] и докладывались на научных семинарах ИПФ РАН (1989-2006), на 19, 21, 22, 24, 25, 26, 28, 29-й международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Сендай, Япония, 1994; Берлин, ФРГ, 1996; Винтегриин, США, 1997; Монтерей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Отсу, Япония, 2003;), на совместных 29 и 12, 30 и 13, 31 и 14, 32 и 15, 33 и 16-ой международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам и международных конференциях по терагерцовой электронике (Карлсруэ, Германия, 2004; Вилли амсбург, США, 2005; Шанхай, Китай, 2006, Кардифф, Великобритания, 2007, Пасадена, США, 2008), на 12, 13, 15-ой международных конференциях по мощным пучкам частиц (Хайфа, Израиль, 1998; Нагаока, Япония, 2000; Санкт-Петербург, Россия, 2004), на 2, 4, 5 и 6-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» (1993; 1999; 2002; 2005; Н.Новгород, на международном совещании по мазерам на циклотронном резонансе и гиротронам (1998, Маале-Хашима, Израиль), на 4, 5, 6-ом международных симпозиумах по физике и технике микроволнового, миллиметрового и субмиллиметрового излучения (2001; 2004; 2007, Харьков, Украина), на международном симпозиуме по созданию новых материалов с использованием источников электромагнитного излучения (2004, Осака, Япония), на 4-ом мировом конгрессе по использованию микроволн и радиочастот (2004, Аустин, США), на 4 и 5-ом международных симпозиумах по микроволновым исследованиям и их применениям в смежных областях науки (2004, Такаматсу; 2005, Цукуба, Япония), на 6 и 7 международных конференциях по технологиям интенсивных электронных потоков (2000; 2003, Варна, Болгария), на 4 и 8-ой международных конференциях по вакуумной электронике (2003, Сеул, Корея; 2007, Китакушу, Япония), на 10 международной конференции во вакуумной электронике (2004, Гармиш, Германия), на международной конференции по физике плазмы (2007, Альбукерк, США), на 1 и 2-ом международных совещаниях по технологиям далекого инфракрасного диапазона (1999, 2001, Фукуи, Япония), на Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005; 2007 Н.Новгород).

Публикации

По теме диссертации опубликована 191 работа: 27 статей опубликовано в зарубежных научных журналах; 22 статьи изданы в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов; 16 статей размещены в тематических сборниках; 33 статьи в сборниках трудов конференций, 93 работы являются тезисами докладов на конференциях.

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 числом участников разработки и проведением экспериментов со сложными аппаратурными комплексами, включавшими в свой состав специально разрабатываемые источники питания, программное обеспечение и т.п.

Автору совместно с А.Г.Лучининым принадлежит идея использования пакетированной конструкции для гиротрона терагерцового диапазона и намотки соленоида композитным кабелем, позволившим повысить механическую прочность соленоида.

Создан анализатор энергетического спектра электронов, предложенный А.Л.Гольденбергом, и выполнено экспериментальное исследование энергетических спектров электронных потоков в коллекторной области гиротрона.

Совместно с А.Л.Гольденбергом и В.Н.Мануиловым предложена неадиабатическая электронная пушка нового типа, позволяющая формировать трубчатый электронный пучок с высокой долей вращательной энергии электронов и разбросом скоростей существенно ниже (примерно вдвое) чем в традиционных МИЛ гиротронов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Генерация СВЧ излучения терагерцового диапазона на киловаттном уровне мощности реализуется в компактной установке на основе гиротрона с импульсным соленоидом.

2. В гиротронах на второй гармонике гирочастоты на основе дешевых "теплых" соленоидов с низким энергопотреблением, оптимизация продольного распределения магнитного и ВЧ полей позволяет достигать КПД выше 50% (без рекуперации остаточной энергии электронов) и 60% при одноступенчатой рекуперации.

4. Экспериментально полученные энергетические спектры электронного потока в коллекторной области гиротронов подтверждают, что в режиме с максимальным КПД на первой гармонике в пучке отсутствуют электроны с энергией меньшей, чем 2030% их первичной энергии, что позволяет существенно повысить КПД в гиротронах с простейшей одноступенчатой системой рекуперации энергии за счет повышения тормозящего потенциала коллектора. Разработанные с учетом экспериментальных данных расчетные модели позволяют разработать коллекторы с разделением электронного потока на энергетические фракции и многоступенчатой рекуперацией энергии.

5. В режиме низких рабочих напряжений (при энергиях электронов порядка 1% от энергии покоя электронов) использование неадиабатической электронной оптики, работающий в режиме ограничения тока пространственным зарядом, позволяет сформировать электронные потоки высокой однородности, что, в свою очередь, позволяет увеличить долю поперечной энергии электронов.

6. Токи, при которых в гиротроне устанавливается автомодуляционный или стохастический режим генерации в присутствии отраженного сигнала существенно снижаются, а в режиме стационарных колебаний эффективность генерации падает даже при возвращении в резонатор отраженного сигнала на уровне в несколько процентов. Наличие отраженного сигнала способно существенно менять зоны генерации мод и состав спектра выходного излучения.

Структура и объём диссертации

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

Основные результаты диссертационной работы:

1. В гиротроне с импульсным магнитным полем на основном циклотронном резонансе получена мощность около 1.5 кВт на частотах 0.9-1.3ТГц.

2. Показана возможность селективного возбуждения на второй и третьей гармониках гирочастоты рабочих мод с высокими радиальными индексами. Такие моды позволяют обеспечить достаточно большой диаметр резонатора в гиротронах субмиллиметрового диапазона длин волн, и следовательно, обеспечить допустимую тепловую нагрузку на стенки резонатора при достаточно высоком уровне мощности. В частности, экспериментально продемонстрирована генерация киловаттного уровня мощности на модах TE6j5 (/-250 ГГц) и ТЕ8>5 (/-280 ГГц) на второй гармонике гирочастоты. Разработан гиротрон с рабочей модой ТЕ6,4 на третьей гармонике с выходной мощностью несколько сотен ватт на частоте 395 ГГц.

3. Для задач спектроскопии предложен коаксиальный субмиллиметровый (/ЧЗЗО ГГц) гиротрон с плавной механической перестройкой частоты в полосе 3-5% за счет продольного перемещения внутреннего конического проводника.

5. Исследованы приборы с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка. В гиротроне с одноступенчатой рекуперацией энергии экспериментально получен КПД 65% при уровне выходной мощности около 1 МВт на частоте 110 ГГц в режиме коротких (100 мкс) импульсов. За счет использования схемы рекуперации достигнуто увеличение выходного КПД гиро-ЛОВ с центральной частотой 24 ГГц от 15% до 22%.

6. Получен высокий КПД в гиротронах на гармониках гирочастоты за счет оптимизации продольного распределения магнитного и высокочастотного полей в области резонатора. Для технологических комплексов микроволновой обработки материалов созданы непрерывные гиротроны на второй гармонике гирочастоты на уровне мощности 10 кВт с рекордными значениями эффективности - выше 50% без рекуперации остаточной энергии электронов и 60% при одноступенчатой рекуперации остаточной энергии электронного потока.

7. Исследованы возможности реализации высокого (до 35%) КПД в гиротроне с рабочими напряжениями в несколько (3-5) кВ. Показано, что неадиабатическая электронная пушка, работающая в режиме ограничения тока пространственным зарядом, позволяет сформировать при этих напряжениях электронный пучок со скоростным разбросом значительно меньшим, чем в традиционных адиабатических системах, что позволяет увеличить КПД приборов. Для оценки скоростного разброса в процессе эксплуатации прибора реализована система контроля эмиссионной неоднородности катода, основанная на анализе его вольт-амперной характеристики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Глявин, Михаил Юрьевич, Нижний Новгород

1. Applications of High Power Microwaves. Eds. A.V.Gaponov-Grekhhov and V.L.Granatstein. Artech House Microwave Library, Boston, London, 1994.

2. А.Л.Гольденберг, Г.Г.Денисов, В.Е.Запевалов, А.Г.Литвак, В.А.Флягин Мазеры на циклотронном резонансе: состояние и проблемы // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1996, 39, 6, с.635

3. K.L.Felch, B.G.Danly, H.R.Jory, K.E.Kreisher, W.Lawson, B.Levush, R.J.Temkin Characteristics and Applications of Fast-Wave Gyrodevices // Proceedings of the IEEE, 1999, 87, 5, p.752

4. K.R.Chu The electron cyclotron maser // Reviews of modern physics, 2004, 76, p.490

5. M.Thumm State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers Update 2006 // 2007, FZKA 7298, Karlsruhe

6. A.A.Andronov, V.A.Flyagin, A.V.Gaponov, A.L.Goldenberg, M.I.Petelin, V.G.Usov, V.K.Yulpatov The gyrotron: high-power source of millimeter and submillimeter waves // Infrared Phys., 1978, 18, 6, p.385

7. A.V.Gaponov, V.A.Flyagin, A.L.Goldenberg, G.S.Nusinovich, Sh.E.Tzimring, V.G.Usov, S.N.Vlasov Powerful millimeterwave gyrotrons // Int. J. Electronics, 1981, 51, 4, p.277

8. Ю.Д.И.Трубецков, А.Е.Храмов Лекции по СВЧ электронике для физиков, т. 1,2, М., Физматлит, 2004

9. V.A.Flyagin, G.S.Nusinovich Gyrotron oscillators // Proc. IEEE, 1988, 76, 6, p.644

10. A.L.Goldenberg, A.G.Litvak Recent progress of high-power millimeter wavelength gyrodevices // Phys. Plasmas, 1995, 2, 6, p.2562

11. А.В.Гапонов, М.И.Петелин Мазеры на циклотронном резонансе // Наука и человечество, М., Знание, 1980, с.283

12. Gyrotron oscillators. Their principles and practice. Ed. С.J.Edgcombe. Taylor and Francis, London, Bristol, 1993

13. K.Sakamoto, A.Kasugai, K.Takahashi, R.Minami, N.Kobayashi. Achievement of robust high-efficiency 1MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170GHz continuous-wave gyrotron // Nature Phys. 2007, 3,p.4U

14. В.Е.Запевалов Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006,49, 10, с.864

15. Программа фундаментальных исследований Президиума РАН N29 «Электромагнитные волны терагерцового диапазона». Отчет за 2005 г., Новосибирск, 2005

16. T.Idehara, I.Ogawa, S.Mitsudo, M.Pereyaslavets, N.Nishida, K.Yoshida Development of frequency tunable, medium power gyrotrons (GyrotronFU series) as submillimeter wave radiation sources // IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27,2,p.340

17. А.Г.Лучинин, О.В.Малыгин, Г.С.Нусинович, В.А.Флягин Субмиллиметровый гиротрон с импульсным магнитным полем // ЖТФ, 1983, 53, 8, р.1629

18. G.Nusinovich Introduction to the Physics of Gyrotrons, The Johns Hopkins University Press, 2004

19. R.G.Twiss Radiation transfer and the possbility of negative absorption in radio astronomy //Austr. J. Of Phys., 1958, 11, 4, p.567

20. Schneider Stimulated emission of radiation by relativistic electrons in a magnetic field //Phys. Rev. Lett., 1959, 2, 12, p.504

21. А.В.Гапонов Взаимодействие непрямолинейных электронных потоков с электромагнитными волнами в линиях передачи // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1959, 2, 3, с.450

22. A.V.Gaponov, V.V.Zheleznyakov On coherent radiation of excited oscillator systems, // Proc. XIII Central Assembly URSI, Commission VII on Radioelectronics, 1960, XII, 7, p. 109

23. А.В.Гапонов, М.И.Петелин, В.К.Юлпатов Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1967, 10, 9-10, с.1414

24. А.Л.Гольденберг, М.И.Петелин Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1973, 16, 1, с.141

25. А.Л.Гольденберг, Т.Б.Панкратова Адиабатическая теория электронных пушек МЦР // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1971, 9, с.81

26. А.Л.Гольденберг, М.И.Петелин, Д.И.Шестаков К расчету адиабатической электронной пушки МЦР // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1973, 5, с.73

27. Н.С.Гинзбург и др. Экспериментальное исследование МЦР с релятивистским сильноточным электронным пучком // ЖТФ, 1979, 49, 2, с.378

28. Релятивистская высокочастотная электроника, Ред. А.В.Гапонов-Грехов, Горький, ИПФ АН СССР, 1979

29. Физика микроволн, сборники отчетов по научным проектам МНТП России "Физика микроволн", Н.Новгород, 1996-2001 годы, т. 1,2

30. С.Н.Власов, И.М.Орлова, М.И.Петелин и др. Открытые резонаторы в виде волноводов переменного сечения // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1969, 12, 8, с.1236

31. А.А.Андронов, А.А.Витт, С.Э.Хайкин Теория колебаний, М., Физматгиз, 1959-912 с.

32. М.И.Рабинович, Д.И.Трубецков Введение в теорию колебаний и волн., М., Наука, 1984 -432 с.

33. Электронные приборы со скрещенными полями, Изд. Иностранной литературы, М., 1961

34. Г.С.Нусинович Способы подачи напряжений на импульсный гиромонотрон, обеспечивающие высокий КПД в режиме одномодовой генерации // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1974, 3, с.44

35. Г.С.Нусинович, М.А.Моисеев К теории многомодовой генерации в гиромонотроне//Изв. ВУЗов Радиофизика, 1974, 17, 11,с.1709

36. В.Е.Запевалов, Г.С.Нусинович, Установление колебаний в двухмодовом гиротроне // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1984, 27, 1, с.117

37. В.С.Ергаков, М.А.Моисеев, В.И.Хижняк К теории синхронизации МЦР-монотрона//Радиотехника и электроника, 1978, 23, 12, с.2591

38. Г.С.Нусинович К теории синхронизации многомодовых электронных СВЧ-генераторов// Изв. ВУЗов Радиофизика, 1975, 18, 11, с.1689

39. Г.С.Нусинович, А.Б.Павельев Конкуренция мод в гиротроне с нефиксированной продольной структурой ВЧ-поля // Препринт ИПФ АН СССР, Горький 1988, № 196

40. G.S.Nusinovich Mode interaction in gyrotrons // Int. J. Electronics, 1981, 51, 4, p.457

41. D.Whaley, M.Tran, T.Tran, T.Antonsen. Mode competition and startup in cylindrical cavity gyrotrons using high-order operating modes // IEEE Transactions on Plasma Science, 1993, 11, p.48

42. Н.Ф.Ковалев, М.И.Петелин Селекция мод в высокочастотных релятивистских электронных генераторах с распределенным взаимодействием // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький, ИПФ АН СССР, 1981, с.62

43. М.И.Петелин Электронная селекция мод в гиротроне // Гиротрон, Горький, 1981, с.77

44. А.Г.Лучинин, Г.С.Нусинович Гиротроны с импульсными магнитными полями // Гиротрон, Горький, 1989, с.55

45. Н.И.Зайцев, М.И.Петелин, Т.Б.Панкратова и др. Гиротроны диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн // Радиотехника и электроника, 1974, 19, 5, с.1056

46. В.Е.Запевалов и др. Гиротроны на связанных резонаторах с трансформацией мод // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1984, 27, 9, с.119451 .А.А.Кураев СВЧ приборы с периодическими электронными потоками, Минск, Наука и техника, 1971.

47. Г.С.Нусинович, Р.Э.Эрм КПД МЦР-монотрона с гауссовым продольным распределением ВЧ поля // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1972, 8, с.55

48. М.А.Моисеев, Г.Г.Рогачева, В.К.Юлпатов Теоретическое исследование влияния продольной неоднородности электромагнитного поля резонатора на КПД МЦР-монотрона // Всесоюзная сессия НТОРЭиС им Попова, Горький, 1968

49. С.Н.Власов, И.М.Орлова и др. Резонаторы и волноводы с модами шепчушей галереи для МЦР // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1973, 16, 11, с. 1743

50. А.А.Кураев Теория и оптимизация электронных приборов СВЧ, Минск, Наука и техника, 1979

51. Т.А.Грязнова и др. Исследование возможности повышения КПД МЦР-приборов фазовым методом // Изв. ВУЗов Радиэлектроника, 1969, 12, 9, с.998

52. K.R.Chu et al. Methods of efficiency enhancement and scaling for the gyrotron oscillators // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1980, 28, 4, p.318

53. В.Н.Глущенко и др. Повышение КПД гиротрона на основном гирорезонансе путем коррекции магнитостатического поля // Изв. ВУЗов Радиэлектроника, 1970, 13, 1, с.12

54. В.А.Жураховский Нелинейные колебания электронов в магнитонаправляемых потоках, Киев, Наукова думка, 1972

55. А.А.Кураев и др. Индуцированное синхротронное излучение электронов в кусочно-однородном магнитном поле // Письма в ЖЭТФ, 1970, 11, 9, с.429

56. А.Л.Гольденберг, В.К.Лыгин, В.Н.Мануилов, М.И.Петелин, Ш.Е.Цимринг Адиабатическая теория и траекторный анализ пушек гиротронов // Гиротрон, Горький, 1981, с.86

57. Sh.E.Tzimring, V.E.Zapevalov. Experimental study of intense helical electron beams with trapped electrons // Int. J. Electronics, 1996, 81, 2, p. 199

58. В.С.Ергаков, М.А.Моисеев Влияние разброса скоростей электронов на стартовый ток и коэффициент полезного действия гиротрона // Гиротрон, Горький, 1981, с.53

59. В.С.Ергаков, М.А.Моисеев, Р.Э.Эрм Влияние разброса скоростей электронов на характеристики гиротрона // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1980, 3, с.20

60. I.Louksha, Sominskii, D.V.Kasy'anenko Experimental study and numerical modeling of the electron beam formed in the electron-optical system of a gyrotron // J.Comm.Tech.Electron., 2000, 45, 1, p.S71

61. T.Grant. Effective Workfimction Distributions Derived From Miram Curves // Cathode Workshop, 1986.

62. T.Grant. Emission degradation characteristics of coated dispenser cathodes // Cathode Workshop, 1984, p.700

63. Т.Б.Бородачева, А.Л.Гольденберг, В.Н.Мануилов О рекуперации в гиротроне // Гиротрон, Горький, 1989, с. 161

64. K.Sakamoto, V.Tsuneoka, A.Kasugai et al. Development of high power gyrotron for ECH of tokamak plasma // Conf. Digest 17th Int. Conf. On Infared and Millimeter Waves, Pasadena, 1992, p. 188

65. K.Sakamoto, V.Tsuneoka, A.Kasugai et al. Development of 110 GHz CPD gyrotron // Conf. Digest 19th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Sendai, 1994, p.63

66. K.Sakamoto, V.Tsuneoka, A.Kasugai et al. Development of high power gyrotron with energy recovery system // Fusion Eng.Des., 1995, 30

67. E.Borie, G.Dammertz, M.Thumm et al. Development of advanced high-power 140 GHz gyrotrons for fusion plasma application // Fusion Eng.Des., 1995, 30

68. E.Borie, G.Dammertz, M.Thumm et al. Experimental results and numerical simulations of high-power 140 GHz gyrotron // IEEE Trans. Plasma Science, 1994, 22, p.861.

69. M.Thumm. Advanced electron cyclotron heating systems for next-step fusion experiments // Fusion Eng.Des., 1995, 30, p. 139

70. E.G.Dammertz, M.Thumm et al. Development of advanced high-power 140 GHz gyrotrons at KfK // Digest 19th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Sendai, 1994, p.57

71. B.Piosczyk, C.Latrou, G.Dammertz, M.Thumm. Single-Stage Depressed Collectors for Gyrotrons // IEEE Trans. Plasma Science, 1996, 24, p.579.

72. T.Hargreaves, A.Fliflet, R.Fiscer, M.Barsanti. Depressed collector performance on the NRL quasi-optical gyrotron // Digest 15 th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Orlando, 1990, p. 57

73. M.Read, W.Lawson, A.Dudas, A.Singh. Depressed collectors for high power gyrotrons // IEEE Trans. Electron Devices, 1990, 37, p. 1579

74. A.N.Kuftin, V.K.Lygin, V.N.Manuilov, A.S.Postnicova, V.E.Zapevalov Numerical simulation and experimental investigation helical electron beams of gyrotrons // ITG-Fachbericht, 1995, 132, p.181.

75. И.И.Антаков, В.А.Гинзбург, В.Е.Засыпкин, Е.В.Соколов Экспериментальное исследование распределения электронов по скоростям в винтовом электронном потоке // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1975, 18, 8, с. 1196

76. Е.Г.Авдошин, А.Л.Гольденберг Экспериментальное исследование адиабатических электронных пушек МЦР // Изв. ВУЗов Радиофизика 1973, 16, 10, с.1605

77. Н.П.Венедиктов, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин Мощный высокоэффективный гиротрон 3-мм диапазона // Гиротроны, Горький, ИПФ АН СССР, 1989, с. 12.

78. В.К.Лыгин, В.Н.Мануилов Численное моделирование процессов установления в интенсивных винтовых пучках гиротронов // Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ, Саратов, 1997, с.35

79. В.К.Лыгин, Ш.Е.Цимринг Расчет электронных траекторий в винтовых пучках, формируемых аксиально-симметричными магнетронно-инжекторными пушками // ЖТФ, 1973, 43, 8, с. 1695

80. В.Н.Волков, С.П.Ходневич, А.С.Павлов, М.Г.Третьякова Автоматизированная установка для измерения эмиссионных характеристик катодов // Электронная промышленность, 1984, 7, с.27

81. С.П.Ходневич Определение эмиссионной неоднородности поверхности реальных катодов по вольтамперным характеристикам // Электронная техника, серия 1 Электроника СВЧ, 1969, 4, с. 118

82. Cattelino М., Miram G., Ayers W. A diagnostic technique for evaluation of cathode emission performance and defects in vehicle assembly. IEDM Technical Digest, 1-4

83. G.Miram Diagnostic techniques with a computer controlled beam analyzer, // IEDM Technical Digest, 1986, p.708

84. A. V. Arkhipov; V.G.Kovalev; M.V.Mishin; G.Mueller; G.G.Sominsky; V.I.Engel'ko Low-Frequency Parasitic Space-Charge Oscillations in the Helical Electron Beam of a Gyrotron // Radiophysics and Quantum Electronics, 2004, 47, 5-6, p.414

85. A.V.Arkhipov; V.G.Kovalev; M.V.Mishin; G.Mueller; G.G.Sominsky; V.I.Engel'ko Experimental Studies of Intense Pulsed Large-Area Electron Beams // Radiophysics and Quantum Electronics, 2004, 47, 5-6, p.421

86. G.Miram, M.Cattelino Gridded gun design considerations for pulse and CW applications // IEDM Technical Digest, 1986, p.225

87. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев Справочник по математике. М., Наука, 1986

88. И.М.Бронштейн, Б.С.Фрайман Вторичная электронная эмиссия М., Наука, 1969

89. ЮО.В.Т.Черепнин, М.А.Васильев Методы и приборы для анализа поверхности материалов Справочник. Киев, Наукова Думка, 1982

90. В.Е.Запевалов, Г.С.Нусинович К тории амплитудно-фазового взаимодействия мод в электронных мазерах // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1989, 32, 3, с.347

91. Г.С.Нусинович Теория многомодового гиротрона // Гиротрон, Горький, 1981, с.146

92. G.S.Nusinovich Review of the Theory of Mode Interaction in Gyrodevices // IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27,2, p.313

93. Г.С.Нусинович, В.Е.Запевалов Автомодуляционная неустойчивость излучения гиротронов // Радиотехника и электроника, 1985, 30, 3, с.563

94. И.Г.Зарницина, Г.С.Нусинович Об устойчивости одномодовых автоколебаний в гиромонотроне // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1974, 17, 12, с.1858

95. Юб.Л.А.Вайнштейн Открытые резонаторы и открытые волноводы. М., Сов. Радио, 1966

96. Г.С.Нусинович К анализу автомодуляционной неустойчивости гиротронов //Изв. ВУЗов Радиофизика, 1985, 28, 10, с.1323

97. K.E.Kreisher, T.L.Grimm, A.W.Mobius, R.J.Temkin // Conference digest 13 Int. Conf. on IRMM Waves, Honolulu, 1988, p.179

98. В.Е.Запевалов, А.П.Кейер, В.Е.Мясников, С.А.Малыгин, В.А.Флягин Разработка сверхмощных гиротронов в диапазоне частот 140 ГГц // Электронная промышленность, 1991, 6, с.71

99. G.G.Denisov, M.I.Petelin, M.Yu.Shmelyov, D.V.Vinogradov, V.E.Zapevalov Frequency-Tunable Gyrotron // ITER-IL-HD-6-012, 1990

100. G.S.Nusinovich, O.V.Sinitsyn, L.Velikovich, M.Yeddulla, T.M.Antonsen (Jr.), A.N.Vlasov, S.R.Cauffman, K.Felch Startup scenarios in high-power gyrotrons // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, 32, 3, p.841

101. G.S.Nusinovich, M.Yeddulla, T.M.Antonsen (Jr.), A.N.Vlasov Start-Up Scenario in Gyrotrons with a Nonstationary Microwave-Field Structure // Phys.Rev.Lett., 2006, 96, p. 125101

102. B.Piosczyk, G.Dammertz, O.Dumbrajs et al. A 2-MW, 170-GHz coaxial cavity gyrotron // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, 32,2, p.413

103. T.Antonsen, S.Sai, G.Nusinovich Effect of window reflection on gyrotron operation //Phys.Fluids, 1992, 4, 12,p.4131

104. ЬюФюМоисеев, Г.С.Нусинович Некоторые результаты численных исследований уравнений гиротрона//Гиротрон, Горький, 1981, с.41

105. M.Thumm, V.Flyagin, V.Zapevalov et al. Experimental rezults of 1.5 MW coaxial cavity gyrotrons in the frequency range 115-170 GHz // Proceedings of the 3 Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N.Novgorod, 1996, 2, p.614

106. G.Dammertz, O.Braz, M.Kuntze, B.Pioczyk, M.Thumm Influence of window reflections on gyrotron operation // Conf. Digest 22 Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Wintergreen, Virginia, 1997, p. 150

107. V.E.Myasnikov, G.G.Denisov, V.E.Zapevalov et al. Some test results and gyrotron design problems // Proceedings of the Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotron, 1997, p.313

108. M.Thumm et al. Operation of an advanced, step-tunable 1MW gyrotron at frequencies between 118 GHz and 162GHz // Conf. Digest 20 Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves , Orlando, Florida, 1995, p. 199

109. M.I.Airila, P.Kall Effect of reflections on nonstationary gyrotron oscillations // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2004, 52, 2, p.522

110. M.Thumm, O.Braz, G.Dammertz, C.T.Iatrou, S.Kern, M.Kuntze, G.Michel, A.Mobius, B.Piosczyk 1.2 MW coaxial cavity gyrotrons in the frequency range 115-170 GHz // Proc. 9th Microwave and Optronics Conference (MIOP'97), Sindelfmgen, 1997, p.96

111. V.Flyagin, A.Kuftin, V.Lygin, A.Luchinin, O.Malygin, V.Manuilov, Sh.Tsimring, V.Zapevalov CW 10 kW technological gyrotron in the range 15-50 GHz // Proc. 3 Int. Workshop on Strong Microwaves in plasmas, N.Novgorod, 1997,2, p.711

112. M.Thumm Development of output windows for high power long pulse gyrotrons and EC wave applications // Int J. Infrared and Millimeter Waves, 1998, 19, l,p.3

113. Н.М.Годжаев Оптика, M., Высшая школа, 1977, 432 стр.

114. Н.С.Гинзбург, С.П.Кузнецов Периодические и стохастические автомодуляционные режимы в электронных генераторах с распределенным взаимодействием // Релятивистская высокочастотная электроника, Горький, ИПФ АН СССР, 1981, с.101

115. R.Becerra et al. Dynamic nuclear polarization with a cyclotronresonance maser at 5 T // Phys.Rev.Letters 1993, 71, p.3561

116. G.Dammertz et al Recent results of 1-MW, 140-GHz, TE22,6-mode gyrotron // IEEE Trans, on Plasma Science, 1999, 27, 2, pp.330

117. T.Idehara, I.Ogawa, S.Mitsudo, M.Pereyaslavets, N.Nishida and K.Yoshida Development of frequency tunable, medium power gyrotrons (Gyrotron FU Series) as submillimeter wave radiation sources // IEEE Trans. Plasma Science, 1999, 27, 2 p.340

118. G.Nusinovich, M.Read Theory of step-tunable gyrotrons operating at two cyclotron harmonics. IEEE Trans. On Plasma Science, 1999, 27, 2, p.355

119. V.Zapevalov et al. Test results of the prototype for frequency step tunable 105-170 GHz 1 MW gyrotron // Proceedings of 12 Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron cyclotron Resonance Hearting, Aix-en-Provence, France, 2002

120. G.F.Brand, M.Gross Continuously-tunable, split-cavity gyrotrons // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 1985, 6, p. 1237

121. И.И.Антаков и др. МЦР-генераторы с механической перестройкой частоты // Электронная техника, серия Электроника СВЧ, 1975, 8, с.20

122. G.F.Brand Tunable gyrotrons // Charter in Infrared and Millimeter Waves, 1985,14, p.371

123. J.Sirigiri et al. Photonic-Band-Gap Resonator Gyrotron // Phys.Rev.Lett., 2001, 86, 24, p.5628

124. M.Tran Quasi optical gyrotron development at the CRPP // Proceedings of the International Workshop "Strong microwaves in plasma", 1991, 2, p.812

125. J.Hogge et al. Operation of a quasi-optical gyrotron with a gaussian output coupler // Phys. Plasmas 3(9), 1996, p.3492

126. E. V. Zasypkin et al Continously tunable 35-190 GHz powerful gyrotrons at GYCOM // Proceedings at 12 Russian-German meeting on ECRH and gyrotrons, N.Novgorod, 1998

127. V.Flyagin, A.Luchinin, G.Nusinovich. Submillimeter wave gyrotrons: Theory and experiment // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1983, 4, 4, p.629

128. V.Bratman, I.Bandurkin, B.Dumesh et al. Sources of Coherent Terahertz Radiation // 7th Workshop on High Energy Density and High Power RF, AIP Conference Proceedings, 2006, 807, p.356

129. V.E.Zapevalov, V.I.Khizhnyak, M.A.Moiseev, A.B.Pavelyev, N.I.Zavolsky Advantages of coaxial cavity gyrotrons // Proceedings of 12th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating Aix-en-Provence (FRANCE), 2002.

130. А.В.Чирков, Г.Г.Денисов, А.Н.Куфтин, В.Е.Запевалов, В.И.Малыгин, М.А.Моисеев, С.Ю.Корнишин Многочастотный гиротрон с высокоэффективным синтезированным волноводным преобразователем // ПЖТФ, 2007, 33, 8, с.71

131. S.-C.Zhang, M.Thumm Gyrokinetic description of the structural eccentricity influence on the starting current of a coaxial-cavity gyrotron // Physics of Plasmas, 1999, 6, 5, p. 1622

132. V.I. Malygin A.B.Pavelyev Determination of the mode content in spurious microwave radiation of the gyrotron with a straight axisymmetric output // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 1999, 20, 1, p.33

133. T.Idehara, I.Ogawa, S.Maeda, R.Pavlichenko, S.Mitsudo, D.Wagner and M.Thumm Observation of mode patterns for high purity mode operation in the submillimeter wave gyrotron FU VA // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 2002,23, 9, p. 973

134. V.L.Bratman, G.G.Denisov, M.M.Ofitserov, S.D.Korovin, V.V.Rostov Millimeter-wave HF relativistic electron oscillators // IEEE Trans. Plasma Sci., 1987, 15, 1, p.2

135. S.H.Gold; A.W.Fliflet, W.M.Manheimer, R.B.McCowan, R.C.Lee, V.L.Granatstein, D.L.Hardesty, A.K.Kinkead, M.Sucy High peak power Kaband gyrotron oscillator experiments with slotted and unslotted cavities // IEEE Trans. Plasma Sci., 1988, 16,2, p. 142

136. P.-K.Liu, E.Borie, M.V.Kartikeyan Design of a 24GHz, 25-5OkW technology gyrotron operating at the second harmonic // Int. J. Infrared Millimeter Waves, 2000, 21, 12, p. 1917

137. M.V.Kartikeyan, E.Borie, O.Drumm, S.Illy, B.Piosczyk, M.Thumm Design of a 42 GHz 200 kW gyrotron operating at the second harmonic // IEEE Trans, on Microwave Theory and Tech., 2004, 52, 2, p.686

138. M.Marks, S.Evans, H.Jory, D.Holstein et al The 28 GHz, 10 KW, CW Gyrotron Generator for the VENUS ECR Ion Source at LBNL // 16th Int. Workshop on ECR Ion Sources ECRtS'04 AIP Conference Proceedings, 2005, 749, p.207

139. M.Thumm and F.Lambert Millimeter-Wave-Sources Development: Present and Future, in book Advances in Microwave and Radio Frequency Processing Springer Berlin Heidelberg, 2006

140. CPI Microwave power products division; CW gyrotrons; http://www.cpii.eom/product.cfin/l/18/30

141. H.Jory, S.Evans, J.Moran, J.Shively, D.Stone, G.Thomas 200 kW pulsed and CW gyrotrons // 28 GHz International Electron Devices Meeting, 1980,26, p.304

142. Yu.Bykov, A.Eremeev, V.Flyagin, V.Kaurov, A.Kuftin et al. The gyrotron system for ceramics sintering // Ceramics Trans., 1995, 59, p. 133

143. V.Tarakanov User's manual for code Karat, Berkley Rasearch Associate. Inc, Springfield, VA: 1994.

144. M.I.Airila, O.Dumbrajs, A.Reinfelds, U.Strautins Nonstationary oscillations in gyrotrons // Physics of Plasmas, 2001, 8, 10, p.4608

145. Н.С.Гинзбург, Н.А.Завольский, Г.С.Нусинович, А.С.Сергеев. Установление автоколебаний в электронных СВЧ генераторах с дифракционным выводом излучения //Изв. ВУЗов Радиофизика, 1986,29,1, с. 106

146. Г.Г.Денисов, В.Е.Запевалов, А.Г.Литвак, В.Е.Мясников Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС // Известия ВУЗов Радиофизика, 2003,46, 10, с.845

147. P.V.Krivosheev, V.K.Lygin, V.N.Manuilov, Sh.E.Tsimring. Numerical Simulation Models of Focussing Systems of Intense Gyrotron Helical electron Beams // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 2001, 22, 8, p. 1119

148. Ш.Е.Цимринг О разбросе скоростей в винтовых электронных пучках // Известия ВУЗов Радиофизика, 1972, 15, 8, с.1247

149. В.Н.Мануилов, Б.В.Райский, Е.А.Солуянова, Ш.Е.Цимринг. Теоретическое и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек в режиме ограничения тока пространственным зарядом // Радиотехника и электроника, 1995, 40, 4, с.648

150. А.Н.Куфтин, С.П.Белов Магнитно-экранированная электронно-оптическая система гиротрона в режиме ограничения тока пространственным зарядом // Прикладная физика, 2000, 3, с.76

151. Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев, Л.Л.Немировская Возможности оптимизации резонатора мощного непрерывного гиротрона // Известия ВУЗов Радиофизика, 2004, 47, 8, с.675

152. Ю.В.Быков, А.Л.Гольденберг Влияние профиля резонатора на предельную мощность гиротрона//Известия ВУЗов Радиофизика, 1975,18, 7, с. 1066

153. С.Н.Власов, И.М.Орлова, М.И.Петелин. Резонаторы гиротронов и электродинамическая селекция мод // Гиротрон, Горький, 1981, с.62

154. Ш.Е.Цимринг Лекции по электронике СВЧ (3-я зимняя школа-семинар инженеров), кн.4, изд. СГУ, Саратов, 1974, с.З

155. Y.Carmel et al. Realisation of a stable and highly efficient gyrotron for controlled fusion research // Phys.Rev.Lett., 1983, 50, 2, p.l 12

156. А.В.Гапонов, А.Л.Гольденберг, М.И.Петелин, В.К.Юлпатов Авторское свидетельство № 223931 "Прибор для генерации электромагнитных колебаний сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн".

157. A.L.Goldenberg, V.N.Manuilov, M.A.Moiseev, N.A.Zavolsky Energy spectrum of electrons and depressed potential collector in gyrotrons // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 1997, 18, 1, p.43

158. R.Lawerence, V.Granatstein et al. Design of multi-stage depressed collector fof 1MW CW gyrotrons // Conf. Digest 22 Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Wintergreen, 1997

159. В.Л.Братман К вопросу о неустойчивости орбитального движения в слое электронов, вращающихся в однородном магнитостатическом поле // ЖТФ, 1976,46, 10, с.2030

160. C.Nielsen, A.M.Sessler Longitudinal Space Charge Effects in Particle Accelerators // Rev.Sci.Instrum., 1959, 30, 2, p.80.

161. А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев Теория циклических ускорителей, М., Физматгиз, 1962.

162. В.Л.Братман, М.И.Петелин К вопросу об оптимизации параметров мощных гиромонотронов с нефиксированной структурой высокочастотного поля//Изв. ВУЗов Радиофизика, 1975, 18, 10, с.1538.

163. В.И.Канавец, В.А.Черепенин Нелинейные эффекты в поливинтовом потоке при кулоновском взаимодействии // Радиотехника и электроника, 1975, 20, 12, с.2539

164. A.L.Goldenberg Problem and method of measurement of energy spread in electron beams of gyrotrons // Digest 19th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Sendai, 1994, p.349

165. V.A.Flyagin, A.N.Kuftin, A.G.Luchinin, G.S.Nusinovich, T.B.Pankratova, V.E.Zapevalov // Proc. Joint IAEA Tech. Committee Meeting on ECE and ECRH (EC-7 Joint Workshop), Hefei, China, p.355.

166. В.Л.Братман, А.В.Савилов Неустойчивость отрицательной массы в слое электронов-осцилляторов: разбросы ведущих центров и скоростей частиц // ЖТФ, 1994, 64, 6, с. 154.

167. V.L.Bratman, A.V.Savilov "Phase mixing" of bunches and decrease of negative-mass instability increments in cyclotron resonance masers // Phys. of Plasmas, 1995, 2, 2, p.557.

168. V.K.Lygin, V.N.Manuilov Numerical simulation of intence helical electron beams taking into account velocity distribution functions // ITG-Fachbericht, 132, 1995, p.197

169. M.V.Agapova, V.V.Alikaev, A.N.Kuftin, V.E.Zapevalov et al. Long-pulse 110GHz/l MW gyrotron // Conf. Digest 20 Int. Conf. on IRMM Waves, Orlando, 1995, p.205

170. A.N.Kuftin, V.K.Lygin, A.S.Postnikova, V.G.Usov, V.E.Zapevalov Experimental investigation ot the Prototype of the 170GHz/lMW Gyrotron for ITER // Proceedings of the 8 Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons, N.Novgorod, 1996

171. G.G.Denisov, A.G.Litvak, V.E.Myasnikov, E.M.Tai Recent results in Gycom/IAP development of high-power gyrotrons for fusion installations // Proc.6th ШЕЕ Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2005), Noordwijk, Netherlands, 2005, p.497

172. T.Idehara, G.F.Brand Submillimeter wave gyrotron development and application, Fukui University, printed by EXIT Co., LTD, 1995

173. Г.С.Нусинович, Т.Б.Панкратова Теория гиротронов субмиллиметрового диапазона длин волн // Гиротрон, Горький, 1981, с. 169

174. Г.Г.Денисов, Г.И.Калынова, Д.И.Соболев, Метод синтеза волноводных преобразователей // Известия ВУЗов Радиофизика, 2004, 47, 8, с.688

175. Г.Г. Денисов, С.В.Самсонов, Д.И.Соболев Двумерная реализация метода синтеза волноводных преобразователей Известия ВУЗов Радиофизика, 2006, 49, 12, с. 1056

176. D.I.Sobolev, G.G.Denisov Method for Synthesis of Waveguide Mode Converters // Proceedings of VI International Workshop " Strong Microwaves in Plasmas" (Nizhny Novgorod, Russia), 2006, 1, p.342

177. И.В.Алямовский Многоскоростной электронный поток в области коллектора с двухступенчатой рекуперацией в неоднородном магнитном поле // Электронная техника, сер.1 Электроника СВЧ, 1973, 9, с.З

178. R.I.Ives, A.Singh, M.Y.Mizuhara, R.S.Schumacher, V.Granatstein Multistage depressed collectors for 1.5 MW CW gyrotron // Proceedings of the 26th International Conference on Infrared and Millimeter Waves (IRMMW 2001), Toulouse, France, 2001, p.5-189

179. G.Ling., B.Piosczyk, M.Thumm. A new approach for a multistage depressed collector for gyrotrons // IEEE Trans, on Plasma Science, 2000, 28, p.606

180. V.N.Manuilov, M.A.Moiseev, A.Yu.Skiyabin, N.A.Zavolsky Efficiency of energy recovery multistage systems in gyrotrons // Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies, Int. University Conf. Proceedings, 1999, p. 134

181. Г.С.Нусинович, В.А.Флягин Проблемы разработки гиротронов // Гиротроны, Горький, 1989, с.7

182. Н. А.Завольский, Г.С.Нусинович, А.Б.Павельев Устойчивость одномодовых колебаний и нестационарные процессы в гиротронах со сверхразмерными низкодобротными резонаторами // Гиротрон, Горький, 1989, с. 84.

183. T.Idehara, T.Tatsukawa, I.Ogawa, T.Mori, H.Tanabe, S.Wada, F.Brand, and M.Brennan Competition between fundamental and second-harmonic operations in a submillimeter wave gyrotron // Appl.Phys.Lett., 1991, 58, 15, p. 1594

184. T.Idehara and Y.Shimizu Mode cooperation in a submillimeter wave gyrotron//Phys.Plasmas, 1994, 1, 10, p.3145

185. M.Yeddulla, G.Nusinovich and T.Antonsen Start currents in an overmoded gyrotron // Phys.Plasma, 2003, 10, 11, pp.4513

186. А.Л.Гольденберг, Г.С.Нусинович Мощные коротковолновые гиротроны, М., ВИНИТИ, 1985

187. И.Г.Зарницина, Г.С.Нусинович Конкуренция мод в гиромонотронах на второй гармонике циклотронной частоты // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1977, 20, 3, с.461

188. И.И.Антаков, В.Е.Запевалов, Т.Б.Панкратова, Ш.Е.Цимринг Гиротроны на гармониках гирочастоты // Гиротрон, Горький, 1981, с. 192.

189. N.Zaytsev, T.Pankratova, M.Petelin and V.Flyagin Millimeter and submillimeter-wave gyrotrons // Radio Eng. Electron Phys., 1974, 19, p. 103

190. T.Idehara, T.Tatsukawa, I.Ogawa, H.Tanabe, T.Mori, S.Wada, T.Kanemaki Development of a second cyclotron harmonic gyrotron operating at 0.8 mm wavelength//Applied physics letters, 1990, 56, 18, p.1743

191. S.E.Spira, K.E.Kreischer, R.J.Temkin Submillimeter gyrotron for space based radar // Superconducting materials and instrumentation, 1988, SPIE, 879, p.58

192. Т.Б.Панкратова, Г.С.Нусинович Экспериментальное исследование диагностического гиротрона // ЖТФ, 1989, 59, 8, с.110

193. V.Bratman, Yu.Kalynov, V.Manuilov, S.Samsonov Large orbit gyrotron at submillimeter waves // The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th Int. Conf. on Terahertz Electronics, 2005, 2, p.433

194. И.И.Антаков, Е.В.Засыпкин, Е.В.Соколов Самовозбуждение отрезка цилиндрического волновода с винтовым электронным пучком // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1976, 9, с.31

195. Ю.А.Дрягин, В.В.Паршин Квазиоптический волномер миллиметрового диапазона с прямым отсчетом частоты // ПТЭ, 1982, 8, с.55

196. Y.Terumichi, S.Kubo, A.Ando et al. Study of low frequency density fluctuations in the WT-2 tokamak by mm and submm wave scattering // Conf. Digest 9 Int. Conf. on IRMM Waves, Takarazuka, Japan, 1984, p.411

197. D.B.McDermott, N.C.Luhmann (Jr), A.Pupiszewski Small-Signal Theoiy of a Large-Orbit Electron-Cyclotron Harmonic Maser // Phys. Fluids, 1983,26, 7, p. 1936

198. W.Lawson, P.E.Latham The Design of a Small-Orbit/Large-Orbit Gyroklistron Experinent // J. Appl. Physics, 1987, 61, 2, p.519

199. V.L.Bratman, A.E.Fedotov, Y.K.Kalynov, V.N.Manuilov, M.M.Ofitserov, S.V.Samsonov, A.V.Savilov Moderately Relativistic High-Harmonic Gyrotrons for Millimeter/Submillimeter Wavelength Band // IEEE Trans, on Plasma Science, 1999, 27,2,p.456

200. И.И.Антаков, A.B.Талонов, В.К.Юлпатов Некоторые особенности взаимодействия винтовых электронных пучков, направляемых однородным магнитным полем с электромагнитным полем волноводов // Вопросы радиоэлектроники, Сер.1 Электроника СВЧ, 1965, 12, с.ЗЗ

201. М.И.Петелин, В.К.Юлпатов Линейная теория МЦР-монотрона // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1975, 18, 2, с.290

202. М.И.Петелин Самовозбуждение колебаний в гиротроне // Гиротрон, Горький, 1981, с.5

203. В.К.Юлпатов В.К. Укороченные уравнения автоколебаний гиротрона // Гиротрон, Горький, 1981, с.26

204. В.Л.Братман, Н.С.Гинзбург, Г.С.Нусинович К теории релятивистского гиротрона//ПЖТФ, 1977, 18,3,с.961

205. V.L.Bratman, N.S.Ginzburg, G.S.Nusinovich, M.I.Petelin, P.S.Strelkov Relativistic gyrotrons and cyclotron autoresonance masers // Int. J. Electronics., 1981, 51,4, p.541

206. В.Л.Братман, Ю.К.Калынов, А.Э.Федотов К теории гироприборов с тонкими электронными пучками (гиротрон с большими орбитами) // ЖТФ, 1998,68, 10, с.91

207. T.Idehara, I.Ogawa, K.Ohashi, Y.Iwata Development of High Harmonic Gyrotrons Using a Permanent Magnet System // Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan 2003, 123, 10, p.989

208. ELF Corp. Japan, The Software ELF/MAGIC (Magnetic Field Analysis by Integral Computation)

209. Y.Y.Lau, L.R.Barnett A Low Magnetic Field Gyrotron-Gyro-Magnetron // Int. J. Electronics, 1982, 53, 6, p.693

210. H.S.Uhm, C.M.Kim, W.Namkung Linear Theory of Cusptron Microwave Tubes // Phys. Fluids, 1984, 27, 2, p.488

211. N.C.Luhmann (Jr.), A.W.Trivelpiece Properties of an RF Produced Magnetically Confined Nonneutral Hot Electron Plasma // Phys. Fluids, 1978, 21, 11, p.2038

212. W.H.Miner, P.Vitello, A.T.Drobt Theory and Numerical Simulation of a E j j j Gyroresonant Acceleration // IEEE Trans. On Microwave Theory and Technique, 1984, 32, 10, p. 1293

213. D.S.Furuno, D.B.McDermott, H.Cao, C.S.Kou., N.C.Luhmann, P.Vitello, K.Ko A Four Cavity, High Harmonic Gyroklistron Amplifier// Int. J. Electronics, 1988, 65, 3,p.429

214. D.S.Furuno, D.B.McDermott, C.S.Kou, N.C.Luhmann (Jr.), P.Vitello Operation of a Large Orbit High-Harmonic Gyro-Traveling-Wave Tube Amplifier // IEEE Trans, on Plasma Science, 1990, 38, 3, p.313

215. C.S.Kou, D.B.McDermott, N.C.Luhmann (Jr.), K.R.Chu Prebunched High-Harmonic Gyrotron // IEEE Transactions on Plasma Science, 1990, 38, 3, p.343

216. C.K.Chong, D.B.McDermott, N.C.Luhmann (Jr.) Large Signal Operation of a Third-Harmonic Slotted Gyro-TWT amplifier // IEEE Trans, on Plasma Science, 1998, 26, 3, p.500

217. S.J.Cooke, A.W.Cross, W.He, A.D.R.Phelps, V.I.Bratman, S.V.Samsonov Optimization of electron-optical system for CARMs // 20th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, 1995, Lake Buena Vista, Orlando, Florida, p.435

218. N.S.Ginzburg, I.V.Zotova, A.S.Sergeev, A.D.R.Phelps, A.W.Cross, V.G.Shpak, M.I.Yalandin, V.P.Tarakanov Generation of Ultrashort Microwave Pulses Based on Cyclotron Superradiance // IEEE Trans, on Plasma Science, 1999, 27, 2, p.462

219. M.J.Rhee, W.W.Destler Relativistic Electron Dynamics in a Cusped Magnetic Field // Phys. of Fluids, 1974, 17, 8, p. 1574

220. W.W.Destler, MJ.Rhee Radial and Axial Compression of Hollow Electron Beam Using an Asymmetric Magnetic Cusp // The Physics of Fluids, 1977,20,9, p. 1582

221. W.Namkung Observation of Microwave Generation from a Cusptron Device // Phys. Fluids, 1984,27,2, p.329

222. W.Namkung, J.Y.Choe, H.S.Uhm, V.Ayres Microwave generation from Cusptron with a Six-Vane Circuit // Int. J. Electronics, 1988, 65, 3, p.381

223. K.Yokoo, T.Suzuki, M.Razeghi, N.Sato, S.Ono Experimental Study of the

224. Modified Peniotron using ТЕ j j rectangular waveguide cavity // Int. J. Electronics, 1988, 65, 3, p.645

225. S.Musyoki, K.Sakamoto, A.Watanabe, M.Shiho, K.Yokoo, N.Sato, S.Ono, S.Kawasaki, H.Ishizuka Development of a Relativistic Peniotron // Conf. Digest 19th Int. Conf. On Infrared and Millimeter Waves, Sendai, Japan, 1994, p.214

226. H.Shimawaki, K.Sagae, N.Sato, K.Yokoo, S.Ono Experiments on 2nd Cyclotron Harmonic Peniotron//Int.J.Electronics, 1994, 76, l,p.l43

227. K.Yokoo, S.Suzuki, K.Sagae, N.Sato, T.Kikunaga Design of Permanent Magnet Peniotron // Conf. Digest 20th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Lake Buena Vista, Orlando, Florida, USA, 1995, p.9

228. K.Yokoo, S.Suzuki, K.Endo, K.Sagae, N.Sato Experiment of Permanent Magnet Peniotron // Proc. 21st Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Berlin, Germany, 1996, ATH4

229. V.K.Lygin, V.N.Manuilov, Sh.E.Tsimring Effective code for numerical simulation of the helical relativistic electron beam // Proceedings of the 11-th International Conference on High Power Particle Beams, Prague, Czech Republic, 1996, 1, p.385

230. G.S.Nusinovich Linear theory of a gyrotron with weakly tapered external magnetic field// Int. J. Electronics, 1988, 64, 1, p.127

231. Sh.E.Tsimring Electron beams and microwave vacuum electronics, Wiley, 2007, 599p.

232. L.R.Becerra, G.J.Gerfen, RJ.Temkin, D.J.Singel and R.G.Griffin Dynamic Nuclear Polarization with a Cyclotron Resonance Maser at 5 T // Phys.Rev.Lett., 1993, 71, p.3561

233. T.Idehara, I.Ogawa, LaAgusu, T.Kanemaki, S.Mitsudo, T.Saito, T.Fujiwara and H.Takahashi Development of 394.6 GHz CW Gyrotron (Gyrotron FU CW II) for DNP/Proton-NMR at 600 MHz // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 2007,28, p.433

234. K.D.Hong, G.F.Brand, T.Idehara A 150-600 GHz step-tunable gyrotron // J.Appl. Phys., 1993,74, p.5250

235. T.Idehara, T.Tatsukawa, I.Ogawa, H.Tanabe, T.Mori, S.Wada, F.Brand, and M.Brennan Development of a second cyclotron harmonic gyrotron operating at submillimeter wavelengths // Physics of Fluids B, 1992,4, p. 267

236. S.Spira-Hakkarainen, K.E.Kreischer and RJ.Temkin Submillimeter-Wave Harmonic Gyrotron Experiment // IEEE Trans. Plasma Sci., 1990,18, p.334

237. Y.Shimizu, S.Makino, K.Ichikawa, T.Kanemaki, T.Tatsukawa, T.Idehara and I.Ogawa Development of submillimeter wave gyrotron using 12 T superconducting magnet // Phys. Plasmas, 1995,2, p.2110

238. S.A.Malygin A high-power gyrotron operating at the third harmonic of the cyclotron frequency// Sov. J. Commun. Tech. Electron., 1986, 31, p. 106

239. H.Li, Z.-L.Xie, W.Wang, Y.Luo, P.Du, X.Den, H.Wang, S.Yu, X.Niu, L.Wang and S. Liu A 35-GHz Low-Voltage Third-Harmonic Gyrotron With a Permanent Magnet System // IEEE Trans. Plasma Sci., 2003, 31, p.264

240. V.K.Lygin, V.N.Manuilov and Sh.E.Tsimring Nonstationaiy simulation of the gyrotron intense helical electron beams // Nucl. Instrum. and Methods in Physics Research, 1999, A427, p.41

241. B.G.Danly and RJ.Temkin Generalized nonlinear harmonic gyrotron theory // Phys. Fluids, 1986,29, p.561

242. S.T.Han, I.Mastovsky, M.A.Shapiro, J.R.Sirigiri, RJ.Temkin, A.C.Torrezan, P.P.Woskow, R.G.Griffin, A.Barnes Design of a 460 GHz Continuous-Wave Gyrotron Operating at TEn^-mode // Int. PPPS Conf. Albuquerque, New Mexico, 2007, 7B6

243. M.K.Hornstein, V.S.Bajaj, R. G. Griffin and R. J. Temkin Efficient Low-Voltage Operation of a CW Gyrotron Oscillator at 233 GHz // IEEE Trans. Plasma Sci., 2007,35, 1, p.27

244. P.Woskoboinikow, D.R.Cohn and R. J. Temkin Application of advanced millimeter/far-infrared sources to collective Thomson scattering plasma diagnostics // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 1983,4, p.205

245. I.Ogawa, K.Yoshisue, H.Ibe, T.Idehara and K.Kawahata Long-pulse operation of a submillimeter wave gyrotron and its application to plasma scattering measurement//Rev. Sci. Instrum., 1994, 65, p. 1778

246. N.N. Skvortsova, G.M. Batanov, K.A. Sarksyan Opportunities for plasma diagnostics in fusion devices by means of terahertz sources // Int. Cnf. Strong Microwaves: Sourses and Applications, N.Novgorod, 2008

247. S.Mitsudo, Aripin, T.Shirai, T.Matsuda, T.Kanemaki, Tidehara High Power, Frequency Tunable, Submillimeter Wave ESR Device Using a Gyrotron as a Radiation Source // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 2000, 21, p.661

248. J.F.Federici, R.Barat, D.Gary, D.Zimdars THz standoff detection and imaging of explosives and weapons // Proc. SPEE, 2005, 5781, p.75

249. T.Tatsukawa, A.Doi, M.Teranaka, H.Takashima, F.Goda, T.Idehara, I.Ogawa, T.Kanemaki, S.Nishizawa Submillimeter Wave Irradiation of Living Bodies using a Gyrotron and a Catheter // Jpn. J. Appl. Phys., 2002, 41,8, p.5486

250. D.L.Woolard, E.R.Brown, M.Pepper, M.Kemp Terahertz frequency sensing . A time of reckoning future applications? // Proc. IEEE 93, 2005, p. 1722

251. Xi-Cheng Zhang Materials for terahertz science and technology // Nat Mater, 2002, 1, p.26

252. P.Siegel THz Technology // IEEE Trans. Microwave Theory and Techn., 2002, 50, 3, p.910

253. E.R.Mueller Terahertz Radiation: Applications and Sources // The Industrial Physicist, 2003, p.28

254. А.А.Негирев Широкополосные JIOB, непрерывно перекрывающие миллиметровый и субмиллиметровый диапазон длин волн, в сборнике Вакуумная СВЧ электроника, ред. М.И.Петелин, Н.Новгород, 2002, с.93

255. R. Kohler et al. Terahertz semiconductor-heterostructure laser // Nature, 2002,417, p.156

256. N.G.Gavrilov et al. Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL // Nuclear Instrum. and Methods in Physics Research A, 2007, 575, p.54

257. V.I.Belousov, M.M.Ofitserov, B.Yu.Plakhotnki and Yu.V.Rodin, Calorimeter for measuring the total energy of high-power pulse millimeter-range devices // Instruments and experimental techniques, 1996, 39, 3, p.402

258. K.E.Kreischer and R.J.Temkin Single-mode operation of a high-power, step-tunable gyrotron//Phys.Rev.Lett., 1987, 59,p.547

259. T.Idehara, H.Tsuchiya, O.Watanabe, LaAgusu and S. Mitsudo The first experiment of a TFIz gyrotron with a pulse magnet // Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 2006, 27, p.319

260. T.Idehara, Y.Iwata and I.Ogawa Observation of frequency-domain shift in a submillimeter wave gyrotron // Int. J. Infrared Millim. Waves, 2003, 24, p.l 19

261. M.Read, L.Ives, G.Nusinovich Development of a High Power Pulse THz Gyrotron // IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC '07), 2007

262. Д.Б.Самсонов Низкочастотные колебания пространственного заряда и их влияние на характеристики винтового электронного потока и параметры гиротронов. Диссертация на соискание ученой степени кфмн, Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2008

263. Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев Численное моделирование динамических процессов в гиротронах с низкодобротными резонаторам // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006,49,4, с.307

264. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

265. АЗ.М.Ю.Глявин, Г.С.Нусинович Устойчивость одномодовых колебаний в гиротроне с синхронным взаимодействием мод // Тезисы докладов 10 Всесоюзного семинара "Волновые и колебательные явления в приборах О-типа", Ленинград, 1990, с.72

266. А4.М.Ю.Глявин, Г.С.Нусинович Устойчивость одномодовых колебаний в гиротроне с синхронным взаимодействием мод // Радиотехника и электроника, 1991, 3, с.512

267. А5. V.A.Flyagin, M.Yu.Glyavin, A.L.Goldenberg, A.N.Kuftin, V.K.Lygin, M.A.Moiseev, A.V.Pylin, V.E.Zapevalov. Investigation of Gyrotron at IAP // Proceeding of 6 Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotron, N.Novgorod, Russia, 1994

268. А10.M.Yu.Glyavin, A.N.Kuftin, N.P.Venedictov, V.E.Zapevalov Experimental Investigation of 110GHz/l MW Gyrotron with single-stage depressed collector // Proceeding of 8 Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotron, N.Novgorod, Russia, 1996

269. A15. Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин,

270. A.С.Постникова, М.В.Юлпатова Экспериментальное исследование эмиссионной неоднородности катодов гиротронов по вольт-амперным характеристикам // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1997, 40, 4, с.506 А16.В.Л.Братман, Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, А.Л.Гольденберг,

271. B.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, А.В.Савилов Исследование энергетического спектра электронного пучка в гиротроне // Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ, Саратов, 1997, с. 14

272. А24. Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин Экспериментальное исследование 110ГГц/1МВт гиротрона с одноступенчатой рекуперацией энергии // Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1998, 41, 5, с.670

273. N.P.Venediktov, V.E.Zapevalov Experimental investigation of electron• thenergy spectrum in gyrotrons // Proceedings of 12 Int. Conf. on high-power particle beams, Izrael, Haifa, 1998, 2, 736

274. A31. M.Yu.Glyavin, A.L.Goldenberg, A.N.Kuftin, V.K.Lygin et al. Experimental studies of gyrotron electron beam system // Abstracts of CRM Workshop, Israel, Tel-Aviv, 1998, p.54

275. A32.M.Yu.Glyavin, A.L.Goldenberg, A.N.Kuftin, V.K.Lygin et al. Experimental studies of gyrotron electron beam system // Research workshop Cyclotron-Resonance Masers and Gyrotrons, Tel-Aviv University, Israel, 1998 Collections of Viewgraphs, 2, p. 185

276. A41.M.Yu.Glyavin, M.L.Kulygin, V.E.Zapevalov, N.A.Zavolsky Gyrotron complex operation at the presence of reflections // Тезисы докладов 9 Международной Зимней Школы по СВЧ электронике и радиофизике (MER'99), Саратов, 1999, р.69

277. A43.M.Glyavin, O.Dumbrajs, M.Kulygin, V.Zapevalov, N.Zavolsky The reflection influence at powerful gyrotron complex operation // Proceedings Int. Univ. Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-High-Frequencies", St.Peterburg, Russia, 1999, p. 113

278. А45.Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, В.Е.Запевалов, И.Е.Засыпкина, А.Н.Куфтин, А.С.Постникова, М.В.Юлпатова Автоматизированное измерение и обработка данных при исследовании мощных электровакуумных приборов электроники СВЧ // Тезисы докладов 4

279. A50.M.Glyavin Experimental investigation of high power gyrotrons // Proceedings of the International workshop on Far Infrared Technologies, Fukui, Japan, 1999, p.44

280. А55.В.Л.Братман, М.Ю.Глявин, А.Л.Гольденберг, А.В.Савилов Разброс начальной энергии электронов в гиротроне вызваный развитием неустойчивости отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке // ЖТФ, 2000, 70, 4, с.90

281. А56.Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, А.Л.Гольденберг, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, А.С.Постникова Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ, 2000, 70, 4, с.95

282. A59.S.P.Belov, M.Yu.Glyavin, A.N.Kuftin, A.S.Postnikova, N.P.Venediktov, M.V.Yulpatova, V.E.Zapevalov Fast experimental diagnostic of powerful gyrotrons cathode // Abstracts of 6th Int. Conf. IEBT-2000, Bulgariya, Varna, 2000, p.31

283. A67.T.Idehara, S.Mitsudo, S.Sabchevski, M.Glyavin, I.Ogawa. Development of high power, frequency tunable, submillimeter wave sources Gyrotron FU Series // Proceedings of 13 Int. Conf. on High Power Particle BEAMS-2000, Japan, Nagaoka, 2000, p.50

284. A68.T.Idehara, I.Ogawa, S.Sabchevski, M.Glyavin, S.Mitsudo, K.Ohashi Design of weakly relativistic large orbit gyrotron with permanent magnet //

285. Proceedings of 13 Int. Conf. on High Power Particle BEAMS-2000, Japan, Nagaoka, 2000, p. 1008

286. A69.0.Dumbrajs, M.Glyavin, M.Kulygin, M.Moiseev, V.Zapevalov, N.Zavolsky Impact of reflections on gyrotron operation // Proceeding of 12 Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotron, N.Novgorod, Russia, 2000

287. A71.M.Glyavin, T.Idehara, S.Mitsudo, S.Sabchevski, I.Ogawa, K.Ohashi Numerical stimulation of Large Orbit Gyrotron with permanent magnet system // Proceeding of 12 Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotron, N.Novgorod, Russia, 2000

288. A72.S.Sabchevski, T.Idehara, I.Ogawa, M.Glyavin, S.Mitsudo, K.Ohashi Conceptual design study of a gyrotron with an axis-encircling electron beam // Conference digest 25 Int. Conf. on IRMM Waves, Beijing, China, 2000, p.273

289. А80.Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, А.Л.Гольденберг, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, М.А.Моисеев, А.С.Постникова Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне // ЖТФ, 2000, 70, 12, с.63

290. A81.S.Sabchevski, T.Idehara, I.Ogawa, M.Glyavin, S.Mitsudo, K.Ohashi, H.Kobayashi Computer simulation of axis-encircling beams generated by an electron gun with permanent magnet system // Int. J. IRMM Waves, 2000, 21, 8, p.l 191

291. A85.I.Ogawa, T.Idehara, S.Sabchevski, M.Glyavin, S.Mitsudo, W.Kasparek A quasi-optical system converting a gyrotron output radiation into a Gaussian beam // Proceedings of the 8th Asia Pacific Physics Conference, Taipei, Taiwan, 2000, p.265

292. А88.В.Р.Барышев, М.Ю.Глявин, И.В.Зотова Численное моделирование PIC-кодом KARAT динамики мощных СВЧ-генераторов миллиметрового диапазона длин волн // Тезисы докладов 5

293. Нижегородской Сессии молодых ученых, Математика и математическое моделирование, Саров, СарФТИ, 2000, с.4

294. А89.М.Ю.Глявин, Г.Г.Денисов, М.Л.Кулыгин Численное моделирование 3-мерных электродинамических систем методом FDTD // Тезисы докладов 5 Нижегородской Сессии молодых ученых, Математика и математическое моделирование, Саров, СарФТИ, 2000, с.6

295. A90.S.Sabchevski, T.Idehara, M.Glyavin, S.Mitsudo, I.Ogawa, K.Ohashi,

296. H.Kobayashi Development of a large orbit gyrotron with permanent magnet system // Annual Report of Research Center for Development of Far-Infrared Region Fukui University, 2001, 2, p.38

297. A92.M.Glyavin, T.Idehara, I.Ogawa, S.Mitsudo, R.Pavlichenko Project of CW high power FU gyrotron with helium free superconducting 12 T magnet // FIR Center Report FIR-FU-19, 2001

298. A93.М.Ю.Глявин, М.Л.Кулыгин Теоретическое и экспериментальное исследование автомодуляционных режимов генерации в гиротронах с запаздывающей обратной связью // Избранные труды конкурса молодых ученых ИПФ РАН, Н.Новгород, 2001, с. 16

299. A95.Yu.Bykov, A.Eremeev, M.Glyavin, G.Denisov, V.Holoptsev, N.Pavlov,

300. Plotnikov. 3.5 kW 24 GHz compact gyrotron system for material processing of materials // 8 International conference on microvave and higth frequency heating, Bayreuth, Germany, 2001

301. A97.S.Sabchevski, T.Idehara, M.Glyavin, S.Mitsudo, I.Ogawa, K.Ohashi, H.Kobayashi. Design of large orbit gyrotron with permanent magnet system // Int. J. Vacuum, 2001, 62, 2-3, p. 133

302. A98.T.Idehara, S.Mitsudo, S.Sabchevski, M.Glyavin, I.Ogawa. Gyrotron FU series current status of development and applications // Int. J. Vacuum, 2001,62, 2-3, p. 123

303. A107. M.Glyavin, T.Idehara, I.Ogawa. Influence of voltage instability on gyrotron efficiency and stability // FIR Center Report FIR-FU-29, 2002

304. A110. M.Glyavin, V.Zapevalov, T.Idehara I.Ogawa. Influence of voltage fluctuations on gyrotron efficiency and stability // Int. J. IRMM Waves, 24,4, p.409

305. A123. Yu.Bykov, M.Glyavin, G.Denisov, V.Holoptsev, A.Eremeev,

306. A125.T.Idehara, I.Ogawa, S.Mitsudo, S.Watanabe, N.Sato, K.Ohashi,

307. H.Kobayashi, T.Yokoyama, V.Zapevalov, M.Glyavin, A.Kuftin, O.Malygin,

308. S.Sabchevski High Harmonic Gyrotron and Gyro-Peniotron with an Axisfh

309. Encircling Electron Beam and Permanent Magnet // Proceedings the 10 Triennial ITG-Conference on Displays and Vacuum Electronics, ITG-183, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004, p.51

310. Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004, p.41

311. Al38. M.Glyavin, T.Idehara, S.Mitsudo, I.Ogawa Investigations of fine frequency tuning potentialities of Gyrotrons FU Series // FIR Center Report, FIR-FU-53, 2004

312. A139.T.Idehara, I.Ogawa, S.Mitsudo, Y.Iwata, S.Watanabe, Y.Itakura, K.Ohashi,

313. H.Kobayashi, T.Yokoyama, V.Zapevalov, M.Glyavin, A.Kuftin, O.Malygin, S.Sabchevski A High Harmonic Gyrotron With an Axis-Encircling Electron Beam and a Permanent Magnet // IEEE Trans, on Plasma Science, 2004, 32, 3, p. 903

314. A140. S.V.Samsonov; G.G.Denisov, V.L.Bratman, A.A.Bogdashov, M.Yu.Glyavin, A.G.Luchinin, V.K.Lygin, M.K.Thumm Frequency-Tunable CW Gyro-BWO With a Helically Rippled Operating Waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, 32, 3, p.884

315. Al 41. Yu.Bykov, A.Eremeev, M.Glyavin, V.Kholoptsev, A.Luchinin,

316. Plotnikov, G.Denisov, A.Bogdashev, G.Kalynova, V.Semenov, N.Zharova. 24-84 GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, 32, 1, p.67

317. A147.V.N.Manuilov, T.Idehara, M.Yu.Glyavin, LaAgusu, M.Kamada, T.Kanemaki, Wiehua Jiang, K.Yatsui Electron Optic System of Powerful Large Orbit Gyrotron with Pulse Magnetic Field // Int. J. IRMM Waves, 2005, 26, 1, p. 15

318. Wave Oscillator // European Microwave Week 2005, Book of abstracts, Paris, France, 2005, p. 156

319. А161.А.Л Гольденберг, М.Ю.Глявин, Н.А.Завольский, В.Н.Мануилов Технологический гиротрон с низким ускоряющим напряжением. Изв. ВУЗов Радиофизика, 2005, 48, 10-11, с.835

320. The proceedings of 18th Russian-German Meeting on ECRH and gyrotrons, N.Novgorod-Moscow, Russia, 2006

321. A172. М.Ю.Глявин, А.Г.Лучинин Субмиллиметровый гиротрон с импульсным магнитным полем // Тезисы Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, 2007, с.31

322. Al 74. G.Denisov, Yu.Bykov, A.Eremeev, M.Glyavin, V.Kholoptsev, G.Kalynova, A.Luchinin, M.Morozkin, I.Plotnikov, D.Sobolev High Efficient Gyrotron-Based Systems for Materials // Book of abstract, IVEC2007, Kitakyushu, Japan

323. A175. M.Glyavin, A.Luchinin The experimental tests of THz range gyrotron with pulsed magnetic field // Book of abstract, PPPS 2007, Albuquerque, New Mexico, USA

324. А176. М.Ю.Глявин, С.В.Егоров, М.В.Морозкин, В.В.Холопцев, А.И.Цветков Повышение эффективности гиротронных технологических комплексов // 11 Всероссийская научная школа-семинар «Волны — 2007» Звенигород, 2007

325. A179. М.Ю.Глявин, М.В.Морозкин Оптимизация длины резонатора в гиротронах на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2008, 51,7, с.617

326. А180. М.Ю.Глявин, А.Г.Лучинин., М.В.Морозкин, В.И.Хижняк Плавная широкополосная перестройка рабочей частоты гиротрона // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2008, 51, 1, с.63

327. A190.M.V. Morozkin, M.Yu.Glyavin, G.G.Denisov, A.G.Luchinin A high-efficiency second harmonic gyrotron with a depressed collector // Int. J. IRMM Waves, 2008, 29, 11, p. 1004

328. A191. V.Bratman, M.Glyavin, T.Idehara, Yu.Kalynov, A.Luchinin, V.Manuilov, S.Mitsudo, I.Ogawa, T. Saito, Y.Tatematsu, V.Zapevalov Review of Sub-Terahertz and Terahertz Gyrodevices at IAP RAS and FIR FU // IEEE Transactions on Plasma Science, 2008, 36, 6