Исследование релятивистских магнетронных СВЧ генераторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Физические процессы в релятивистских магнетронных генераторах.

Введение.

§1.1. Теоретическая модель релятивистского магнетрона цилиндрической геометрии.

§1.2. Конструкция, расчет параметров резонаторной системы.

§1.3. Тепловые процессы в релятивистском магнетроне.

§1.4. Управление выходными параметрами СВЧ излучения.

Выводы.

Глава 2. Источники питания для релятивистских магнетронных генераторов.

§2.1. Сильноточные электронные ускорители наносекундной и микросекундной длительности импульса напряжения.

§2.2. Линейные индукционные ускорители.

§2.2.1. ЛИУ с многоканальными искровыми разрядниками.

§2.2.2. ЛИУ на магнитных элементах.

§2.3. Моделирование работы СЭУ и ЛИУ на различные нагрузки.

Выводы.

Глава 3. Обращенные релятивистские магнетронные генераторы.

Введение.

§3.1. Плазменные процессы в обращенном коаксиальном диоде с магнитной изоляцией.

§3.2. Механизм пробоя межэлектродного промежутка ОКДМИ.

§3.3. Конструкция, расчет, «холодные» измерения обращенных релятивистских магнетронов и обращенного коаксиального магнетрона.

§3.4. Исследования ОРМ и ОКМ микросекундной длительности.

Выводы.

Глава 4. Релятивистские магнетронные генераторы с внешней инжекцией электронного пучка.

Введение.

§4.1. Физические предпосылки создания РМВИ.

§4.2. Экспериментальные исследования РМВИ наносекундной длительности.

§4.3. Влияние виртуального катода на формирование релятивистского электронного пучка в магнитоизолированном диоде.

§'л'л Экспериментальные исследования РМВИ микросекундной длительности.

Выводы.

Глава 5. Импульсно-периодические релятивистские магнетронные генераторы.

Введение.

§5.1. Исследования РМГ в импульсно-периодическом режиме с использованием

ЛИУ с многоканальными искровыми разрядниками.

§5.2. Особенности конструкции релятивистского магнетрона, магнитной и вакуумной системы для работы с высокой частотой следования импульсов.

§5.3. Экспериментальные исследования РМГ с использованием ЛИУ на магнитных элементах.

§5.4. Функциональные возможности релятивистских магнетронных генераторов.

Выводы.

Актуальность проблемы.

Интенсивное развитие в течение последних десятилетий исследований в области сильноточной электроники обусловлено широким диапазоном практических применений сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП), обладающих импульсной мощностью до 10™ Вт при энергии электронов 10А-10А эВ, токе до 10А А длительностью Ю'А-10"А с [1-5]. Подобные параметры СРЭП позволяют на несколько порядков превысить существующий в традиционной СВЧ электронике уровень мощности электромагнитного излучения, что открывает принципиально новые возможности использования излучения в различных областях науки и техники [6]. На сильноточных электронных ускорителях (СЭУ) были исследованы многие релятивистские аналоги сверхвысокочастотных электронных приборов и релятивистских генераторов нового типа [7-9]. К настоящему времени в релятивистских СВЧ приборах получены значения импульсной мощности до 10'° Вт. Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) стала одним из быстроразвивающихся направлений научньк исследований. Обнаружились и значительные трудности в реализации энергетических возможностей СЭУ. Импульсная энергия электронного пучка может достигать мегаджоуля, в то же время энергия в СВЧ импульсе составляет лишь сотни джоулей. Малая эффективность преобразования энергии вызвана движением электродных плазм, СВЧ пробоями, возбуждением «паразитных» видов колебаний и т.д. Затруднено и практическое применение генерируемого СВЧ излучения, что связано с большими весогабаритными показателями установок и, как правило, с моноимпульсным режимом их работы.

Для любого релятивистского СВЧ генератора имеется набор присущих ему специфических требований, например, к качеству электронного пучка, к магнитной системе, к параметрам ускорителя (внутреннее сопротивление, диапазон напряжений) и т.д. Эти требования накладывают ограничения на возможность использования любого из релятивистских генераторов для всего круга применений, что в свою очередь обуславливает многообразие исследуемых приборов. Хорошо известные достоинства приборов со скрещенными полями предопределили к ним интерес со стороны РВЭ. Частотная и фазовая стабильность генерируемого излучения, высокий к.п.д., небольшие весогабаритные показатели и стоимость, низкий уровень побочных колебаний и гармоник стали основой для проведения интенсивных исследований релятивистских магнетронов. Первые эксперименты с релятивистскими магнетронными генераторами (РМГ) в США -Массачусетский Технологический Институт [10] и СССР - ИПФ АН СССР (г. Горький) [11], НИИ ЯФ при ТПУ (г. Томск) [12] позволили получить уровни мощности от сотен мегаватт до нескольких гигаватт при к.п.д. 10-30%. В качестве источников питания релятивистских магнетронов первоначально применялись СЭУ, содержащие генераторы импульсных напряжений (ГИН), разряжаемые через формирующую линию на магнетронный диод. Несмотря на то, что импульсы напряжения были наносекундной длительности, обнаружились недостатки РМГ, связанные с разрушением анодных блоков в течение нескольких сотен импульсов. Данный процесс вызывается действием нескольких факторов: 1) высокой удельной мощностью энергии электронов анодного тока, приводящей к развитию процессов испарения, эрозии, механических деформаций элементов под действием теплового удара; 2) несогласованностью внутреннего сопротивления формирующей линии СЭУ (2-24 П) с импедансом релятивистского магнетрона (40-100 О), появлением повторных импульсов и дополнительного выделения энергии в магнетронном диоде. Экспериментальные исследования РМГ проводились и при использовании СЭУ с микросекундной длительностью импульсов напряжения. В таком ускорителе ГИН непосредственно разряжается на магнетронный диод. Кроме процессов разрушения анодных блоков обнаружились эффекты, ограничивающие длительность СВЧ излучения в сравнении с длительностью импульса напряжения. Авторы [13] связывают этот процесс с ускоренным радиальным движением катодной плазмы под действием мощных электромагнитных полей анодного блока и нарушением условий синхронизма электронного пучка и СВЧ волны.

Многие исследователи РМГ отмечают наличие больших потерь тока, уходящего из пространства взаимодействия прибора и снижающего к.п.д. Необходимо также отметить, что влияние далеко не всех параметров СВЧ генераторов и источников питания на выходные характеристики приборов было однозначно определено.

Кроме того, использование высоковольтных источников питания магнетронных генераторов приводит к необходимости учета релятивистских факторов. Известно, что условия пренебрежения релятивистскими поправками сводятся к требованию малости напряжений, измеренных в единицах шосАе и малости всех геометрических размеров магнетрона, определяемых в единицах пХ/27с (то- масса покоя электрона, с- скорость света, е- заряд электрона, п- номер вида колебаний, Х- длина волны). Несмотря на то, что в приборах магнетронного типа происходит преобразование не кинетической энергии электронов, а потенциальной, и таким образом релятивизм не так жестко связан с катод-анодным напряжением, тем не менее, для ряда приборов с малой величиной замедления электромагнитной волны необходим учет релятивистского фактора. Теоретические исследования, выполненные в работе [14], показывают влияние релятивистской зависимости массы электрона от его скорости на процессы СВЧ генерации. На основе метода усреднения, предложенного независимо П.Л. Капицей [15] и В.Е. Нечаевым [16,17] для решения нерелятивистских уравнений движения электронов в пространстве взаимодействия прибора, была построена элементарная теория релятивистского магнетрона плоской геометрии. Однако известно существенное отличие рассмотрения процессов взаимодействия электронов с СВЧ волнами в цилиндрической геометрии магнетрона. Это отличие связано с тем, что в цилиндрическом магнетроне условие синхронизма электромагнитной волны и электронного потока точно выполняется только на определенном радиусе, в то время как для плоского магнетрона электроны находятся в фазе с волной по всей высоте спицы. Невозможность точного синхронизма во всем пространстве взаимодействия приводит к появлению дополнительного азимутального дрейфа электронов, искривлению траекторий движения электронов в спицах [17].

На начало проведения исследований не было известно о возможности работы релятивистского магнетрона с частотой следования импульсов, поскольку элементная база СЭУ на основе ГИН позволяет работать им исключительно в однократном режиме или, в крайнем случае, с частотой в единицы герц. Выполненные в НИИ ЯФ при ТПУ с участием автора впервые эксперименты с релятивистским магнетроном в импульсно-периодическом режиме (пакет из трех импульсов с частотой следования 160 Гц) стимулировали развитие исследований в данном направлении. В этих экспериментах и до настоящего времени применяются линейные индукционные ускорители (ЛИУ). Причем ЛИУ, разработанные в НИИ ЯФ при ТПУ, отличаются от аналогов (Compact LIA- Physics International Company и SNOMAD- Science Research Laboratory - США) оригинальной компоновочной схемой за счет размещения в едином корпусе низкоимпедансных полосковых формирующих линий, индукционной системы, многоканальных искровых разрядников, нелинейных дросселей насыщения.

Именно импульсно-периодический режим работы РМГ представляется наиболее перспективным для практического применения приборов при условии создания компактных излучательных комплексов с высокими выходными параметрами по импульсной мощности, к.п.д., частоте следования импульсов. Выделяются следующие направления, в которых использование СВЧ источников с высокой средней мощностью актуально: для систем СВЧ питания линейных резонансных ускорителей электронов с высоким темпом ускорения; в радиолокации, в том числе и нелинейной; в исследованиях на электромагнитную совместимость радиоэлектронного оборудования; для стерилизации. При работе релятивистского магнетрона в частотном режиме, когда большое количество импульсов набирается в течение коротких интервалов времени, особенно остро возникает необходимость проведения тепловых расчетов на поверхности резонаторной системы для определения параметров электронных пучков, допускающих длительную работоспособность прибора.

Появление потребителей мощного СВЧ излучения определило перечень требований, предъявляемый к подобным комплексам:

• высокая воспроизводимость выходных импульсов по амплитуде и форме;

• диапазон напряжений не более 500 кВ для обеспечения удовлетворительной радиационной защиты при небольших материальных затратах;

• малые весогабаритные показатели;

• «удобный» для потребителя тип излучаемой волны;

• возможность перестройьси частоты излучения;

• низкий уровень побочных колебаний и гармоник;

• долговечность элементов;

• максимальная эффективность преобразования энергии первичного накопителя в электромагнитное излучение;

• максимальные частота следования импульсов СВЧ генератора и источника питания должны совпадать;

• длительность СВЧ импульса близка к длительности импульса питания.

Последние три параметра определяют среднюю мощность установки, которая является наиболее важной характеристикой: Р =р .1т сред имп ' где Римп- импульсная мощность РМГ, Г- частота следования импульсов, т- длительность импульса.

Как выше отмечалось, в зависимости от применяемого источника питания проявляются различные факторы, ограничивающие выходные параметры РМГ. Поэтому возникает необходимость исследования приборов различной конфигурации для выбора наиболее подходящей для того или иного типа ускорителей. Увеличение импульсной мощности (средней мощности за счет роста Римп) связано с проблемами быстрого разрушения анодных блоков релятивистских магнетронов. Для решения указанной задачи в диссертации исследованы релятивистские магнетроны с внешней инжекцией электронного пучка (РМВИ). В подобных приборах электронный пучок формируется дополнительным диодом с магнитной изоляцией и инжектируется в пространство взаимодействия. Для получения СВЧ импульсов увеличенной (микросекундной) длительности необходимо решать другую проблему - уменьшать скорость разлета катодной плазмы поперек магнитного поля. Для этого могут применяться РМВИ, поскольку в них область образования катодной плазмы и передачи энергии пространственно разделены. Также возможно использование обращенных магнетронных генераторов, для которых в катодной плазме не развивается механизм центробежной неустойчивости, и можно ожидать увеличения как длительности импульса напряжения, так и СВЧ излучения. Для получения высокой средней мощности электромагнитного излучения необходимо реализовать высокую частоту повторения импульсов. Данная задача имеет комплексный характер, поскольку связана с разработкой: 1) источников питания по своим параметрам (напряжение, ток, длительность импульсов) наиболее полно соответствующим требованиям РМГ; 2) магнитных и вакуумных систем, допускающих длительную работу РМГ с высокой частотой следования; 3) непосредственно импульсно-периодических релятивистских магнетронных генераторов с увеличенной долговечностью элементов.

В целом, релятивистские магнетронные генераторы требуют более детального исследования и определенного обобщения. Прежде всего, это касается изучения физических процессов в пространстве взаимодействия прибора, расчета выходных характеристик, разработки оригинальных конструкций РМГ (включая источники питания) и их экспериментального тестирования.

Цель диссертационной работы:

• определение области рабочих параметров релятивистских магнетронных генераторов на основе теоретической модели, расчетов тепловых процессов на поверхности анодного блока, компьютерного моделирования источников питания при работе на релятивистский магнетрон и широкого спектра экспериментов;

• исследование различных типов релятивистских магнетронных генераторов для выбора оптимальной конструкции в зависимости от параметров установок для получения высоких значений импульсной мощности, больших длительностей импульсов и высокой средней мощности СВЧ излучения;

• исследование и реализация импульсно-периодического режима работы РМГ;

• расчет, разработка, моделирование, конструирование и изготовление линейных индукционных ускорителей на магнитных элементах, предназначенных для питания релятивистских магнетронных генераторов с высокой частотой следования и большим количеством импульсов непрерывной серии с выходными параметрами, не приводящими к разрушениям анодных блоков;

• создание излучательных комплексов с высокими техническими характеристиками и потребительскими свойствами, определение предельных режимов работы комплексов по частоте следования и количеству импульсов непрерывной серии;

• развитие функциональных возможностей РМГ для расширения сферы их применения.

Научная новизна работы:

• развита теоретическая модель релятивистского магнетрона для случая цилиндрической геометрии, получены аналитические выражения для расчета вькодных параметров прибора: к.п.д., анодного тока, генерируемой СВЧ мощности;

• определены области параметров РМГ, позволяющие реализовать наиболее выгодные режимы работы с точки зрения получения высокой импульсной мощности, генерации СВЧ импульсов большой энергии, высокой средней мощности СВЧ излучения;

• впервые продемонстрирована возможность работы релятивистского магнетрона 10см диапазона длин волн с высокой частотой следования импульсов пакет из 3 импульсов мощностью 360 МВт с частотой следования 160 Гц и создан излучательный комплекс на подвижной платформе;

• впервые реализован импульсно-периодический режим работы релятивистского магнетрона (выходная мощность 200 МВт при частоте следования импульсов до 320 Гц, и выходная мощность 350 МВт при частоте следования до 200 Гц);

• созданы излучательные комплексы с высокой средней мощностью генерируемого СВЧ излучения на основе релятивистских магнетронов с питанием от секций линейных индукционных ускорителей;

• разработаны линейные индукционные ускорители на магнитных элементах, создана компьютерная модель расчета параметров ЛИУ с целью согласования его с различными нагрузками, в том числе и с релятивистским магнетроном;

• впервые исследованы релятивистские магнетроны с внешней инжекцией электронного пучка наносекундной и микросекундной длительности;

• показано, что ограничение длительности импульса напряжения в дополнительном диоде релятивистского магнетрона с внешней инжекцией электронного пучка связано с попаданием отраженных электронов в область катод-анодного промежутка при формировании виртуального катода;

• проведены экспериментальные исследования процесса перемыкания плазмой обращенного коаксиального диода с магнитной изоляцией, показана возможность увеличения длительности импульса напряжения по сравнению с диодом прямой геометрии при одинаковых значениях напряженностей электрического и магнитного полей и прочих равных условиях, измерены концентрации и температура катодной и анодной плазмы;

• экспериментально показана возможность получения мощных (сотни мегаватт) СВЧ импульсов микросекундной длительности в 10- и 3-см диапазонах длин волн с использованием обращенных релятивистских магнетронных генераторов;

• показана возможность работы релятивистского магнетрона на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор с увеличением в несколько раз выходной импульсной мощности;

• исследован спектр излучения релятивистского магнетрона и влияние на него параметров источника питания, геометрических размеров анодного блока и катода, показана возможность электронной перестройки частоты излучения магнетрона и реализован способ механической перестройки частоты излучения;

• экспериментально исследованы автоколебательные режимы релятивистского магнетрона при внешней взаимной связи его резонаторов. Показано, что взаимодействие колебаний в условиях модовой конкуренции повышает стабильность рабочего п- вида колебаний, улучшает спектральные характеристики излучения;

• предложены и исследованы системы для формирования потоков электромагнитного излучения с высокой плотностью мощности.

Практическая ценность работы.

Результаты, полученные в диссертации, использованы для создания установок на основе импульсно-периодических релятивистских магнетронов при питании от ЛИУ, переданных Заказчикам. Разработаны оригинальные конструкции ЛИУ на магнитных элементах. Ускорители могут применяться для формирования электронных и ионных пучков в технологических установках, для генерации и усиления электромагнитного излучения приборами РВЭ. Теоретическая модель релятивистского магнетрона развита для цилиндрической геометрии электродов. Получены формулы для расчета выходных параметров релятивистского магнетрона. Исследован спектр излучения РМГ и реализован способ механической перестройки генерируемой частоты, измерен уровень гармонических составляющих основной частоты. Экспериментально исследован эффект сокращения длительности импульса напряжения в обращенном коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, показана перспективность применения таких диодов для генерации электромагнитного излучения приборами М- и О- типов. При наносекундной и микросекундной длительности импульса ускоряющего напряжения исследованы режимы работы релятивистских магнетронов с внещней инжекцией электронного пучка. Найдены условия для эффективной генерации СВЧ излучения такими приборами и предложены меры для устранения причин ограничения длительности импульса тока электронного пучка при формировании виртуального катода. Применение устройств СВЧ компрессии в связке с релятивистским магнетроном позволяет превысить гигаваттный уровень мощности электромагнитного излучения при работе в импульсно-периодическом режиме. Использование внешних каналов связи открывает перспективы применения РМГ с увеличенным числом резонаторов анодного блока, обладающих за счет этого более высокой эффективностью.

Апробация работы и публикации.

Основные материалы диссертации докладывались:

- на 3 (г. Горький, 1983г.), 4 (г. Москва, 1984г.), 5 (г. Новосибирск, 1987г.), 6 (г. Свердловск, 1989г.) Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника»,

- на Всероссийском семинаре «Высокочастотная вакуумная электроника» (г. Нижний Новгород, 2001г.),

- на 6 (г. Новосибирск, 1985г.), 7 (г. Новосибирск, 1988г.), 8 (г. Свердловск, 1990г.) 12 (г. Томск, 2000г.) «Симпозиумах по сильноточной электронике»,

- на Всесоюзном семинаре «Плазменная электроника» (г. Томск, 1986г.),

- на совещании «Диоды для генерации РЭП микросекундной длительности» (г. Новосибирск, 1985г.),

- на 11 Всесоюзной конференции «Электроника СВЧ» (г. Орджоникидзе, 1986г.),

- на 9 Всесоюзной конференции «Методы расчета ЭОС» (г. Ташкент, 1988г.),

- на 17 «Совещании по ускорителям заряженных частиц» (г. Протвино,2000г.),

- на 6 (г. Кобе, Япония, 1986г.), 7 (г. Карлсруэ, Германия, 1988г.), 8 (г. Новосибирск, 1990г.), 12 (г. Тель-Авив, Израиль, 1998г.), 13 (г. Нагаока, Япония, 2000г.) Международных «Конференциях по мощным пучкам заряженных частиц»,

- на 13 Международном «Симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме» (г. Париж, Франция, 1988г.),

- на Международной «Конференции по мощному электромагнитному излзАению в плазме» (г. Нижний Новгород, 1999г.),

- на 1 (г. Монтерей, США, 2000г.), 2 (г. Нордвик, Нидерланды, 2001г.) «Международных конференциях по вакуумной электронике»,

- на 13 (г. Лас-Вегас, США, 2001г.) Международной конференции «Pulsed Power».

Результаты диссертации опубликованы в 51 работе, среди которых можно выделить наиболее авторитетные отечественные рецензируемые журналы. «Письма в ЖТФ» [36,49,63,81,82,123,160], «Журнал технической физики» [170,171,201], «Известия ВУЗов. Физика» [92,97], «Известия ВУЗов. Электромеханика» [213], «Доклады Академии наук» [224], «Приборы и техника эксперимента» [143,207], «Физика плазмы» [176,202], «Радиотехника и Электроника» [189,191], защищены 8 авторскими свидетельствами и патентами на изобретение [141,146,183,184,193,194,203,204], 2 свидетельствами на полезную модель [110,126]. Некоторые результаты содержатся в специализированном сборнике «Релятивистская высокочастотная электроника» [61], рукописях, депонированных в ВИНИТИ [50,172], а также в тезисах докладов Международных и Всесоюзных (Всероссийских) конференций [43,51,52,62,125,127,128,135,

142,159,161,181,200,206,214,220,223,227].

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе теоретической модели релятивистского магнетрона цилиндрической геометрии, расчетов тепловых процессов на поверхности анодньрс блоков, компьютерного моделирования, широкого круга экспериментальных исследований определены области рабочих параметров релятивистских магнетронных генераторов (к.п.д., анодный ток, мощность, допустимая длительность импульса напряжения, вид огибающей СВЧ импульсов) при использовании различных источников питания - линейных индукционных ускорителей или сильноточных электронных ускорителей.

2. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах обеспечивают частоту следования импульсов в сотни герц с высокой повторяемостью амплитуды и формы выходных импульсов. Использование оригинальной компоновочной схемы, применение эффекта перекрытия фаз, разбаланса емкости конденсатора последнего звена сжатия магнитного импульсного генератора и емкости одинарной формирующей линии позволяет значительно сократить весогабаритные показатели ускорителей в сравнении с имеющимися аналогами. Созданные на их основе импульсно-периодические релятивистские магнетронные генераторы могут надежно и эффективно работать с высокой средней мощностью СВЧ излучения, имеют большой ресурс работы, обладают высокой стабильностью генерируемых колебаний и допускают возможность работы на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор, что позволяет в несколько раз увеличивать импульсную мощность.

3. Применение обращенных релятивистских магнетронных генераторов перспективно для получения СВЧ импульсов микросекундного диапазона длительностей при использовании устройств вывода СВЧ излучения по оси прибора. В обращенном коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, используемом такими приборами, длительность импульса напряжения в 2-4 раза больше, чем в обьлном диоде при одинаковых напряженностях электрических полей на электродах диода и прочих равных условиях. Перекрытие катод-анодного промежутка обращенного коаксиального диода с магнитной изоляцией вызывается радиальным движением анодной плазмы под действием развивающейся в ней центробежной неустойчивости.

4. Использование релятивистских магнетронов с внешней инжекцией электронного пучка целесообразно для получения СВЧ импульсов большой мощности, поскольку позволяет увеличивать ресурс анодного блока. Эффективная генерация СВЧ излучения в этих системах происходит при использовании стационарного состояния электронного пучка с виртуальным катодом, что достигается применением диафрагм на входе анодного блока, ограничением тока, уходящего из пространства взаимодействия прибора, увеличением отношения инжектируемого тока к предельному току транспортировки в анодном блоке.

5. Применение внешнего канала связи между резонаторами анодного блока релятивистских магнетронов в условиях модовой конкуренции повышает стабильность рабочего тг- вида колебаний, улучшает спектральные характеристики излучения. С использованием релятивистских магнетронных генераторов с внешним каналом связи возможно построение источников направленного электромагнитного излучения.

6. Релятивистские магнетронные генераторы с питанием от линейных индукционных ускорителей позволяют создавать компактные излучательные установки, в том числе и на подвижной платформе.

Основные результаты диссертации:

• Развита теоретическая модель магнетрона цилиндрической геометрии без учета полей пространственного заряда для релятивистского диапазона напряжений. Показано, что в РМГ действие на электроны статических электрического и магнитного полей ослаблено в уф раз, а высокочастотного электрического поля ослаблено в Уф раз. (Аналогичный результат получен и для релятивистского магнетрона плоской геометрии. Причем, для плоского магнетрона уравнения движения имеют вид, соответствующий нерелятивистскому случаю, если использовать соответствующую нормировку для координаты и высокочастотного потенциала). Получены формулы для радиальной и угловой скорости электронов в пространстве взаимодействия. Найдено уравнение для траектории электронов. Построены траектории движения электронов в пространстве взаимодействия прибора при различных фазах вылета с поверхности катода и в зависимости от соотношения между напряженностями статического и высокочастотного электрических полей. Получены соотношения, позволяющие рассчитать выходные параметры прибора и оценить потребляемый ток. Выведено соотношение для расчета предельного значения дополнительного ускорения, вызванного пространственным зарядом, при котором сохраняется СВЧ генерация и величины предельного тока релятивистского магнетрона. Показано, что с увеличением напряжения угол фазового рассогласования ©I уменьшается и частота генерации РМГ приближается к частоте резонаторной системы без пространственного заряда.

• Исследован тепловой режим анодного блока релятивистского магнетрона. Определены предельные плотности мощности электронного пучка в зависимости от длительности импульса напряжения, не приводящие к разрушению поверхности анодного блока под действием теплового удара. Предложены критерии выбора материала анодного блока для одиночного и импульсно-периодического режимов работы РМГ.

• Исследовано влияние на амплитудные и частотные характеристики СВЧ излзАения размеров элементов релятивистского магнетрона и параметров ускорителя.

Предложен и экспериментально апробирован способ механической перестройки частоты излучения релятивистского магнетрона в пределах 8% без заметного уменьшения генерируемой мощности.

• Для повышения средней мощности СВЧ излучения релятивистского магнетрона за счет частоты повторения импульсов разработаны линейные индукционные ускорители на магнитных элементах, отличающиеся компактностью за счет: оригинальной компоновочной схемы; применения эффекта перекрытия фаз; использования разбаланса емкости конденсатора последнего звена сжатия МИГ и емкости формирующей линии. Схема питания ускорителя со стабилизацией напряжения первичного накопителя позволяет формировать импульсы выходного напряжения ЛИУ с высокой воспроизводимостью амплитуды и формы (нестабильность менее 5%). Важным достоинством ЛИУ является возможность инвертирования полярности выходного напряжения и тока. Показано, что такие источники питания наиболее эффективны для реализации импульсно-периодического режима работы РМГ.

Разработана компьютерная модель для расчета выходных параметров линейных индукционных ускорителей и сильноточных электронных ускорителей при работе на различные нагрузки: линейное сопротивление, электронный диод, релятивистский магнетрон.

• Исследован механизм пробоя межэлектродного промежутка обращенного коаксиального диода с магнитной изоляцией. Экспериментально показано определяющее влияние на длительность импульса напряжения в ОКДМИ величины напряженности электрического поля на аноде и адсорбционных свойств материала анода. При равных величинах напряженности электрического поля на центральном электроде длительность магнитной изоляции в ОКДМИ в 2-4 раза выше, чем в прямом диоде. Зафиксировано отсутствие влияния величины снимаемого с катода тока на (л. Проведенные спектроскопические измерения позволили определить параметры диодной плазмы (N6, Те) и ее состав (протоны, ионы материала катода и анода). На основе экспериментов и опубликованных работ предложена модель пробоя ОКДМИ. Модель описывает процесс протекания анодного тока поперек изолирующего магнитного поля при развитии диокотронной неустойчивости электронного облака на катоде, которая вызывает образование анодной плазмы. В анодном плазменном слое развивается центробежная неустойчивость, приводящая к радиальному дрейфу плазмы к катоду. Выполненный расчет времени магнитной изоляции ОКДМИ, составляющий сумму двух интервалов времени: образования однородного анодного плазменного слоя и развития в нем центробежной неустойчивости, хорошо согласуется с экспериментальными данными и описывает поведение зависимости {В), имеющей характерный максимум.

• Экспериментально показано, что обращенные магнетронные системы могут быть использованы для получения мощных СВЧ импульсов микросекундной длительности. Рассчитаны, сконструированы и изготовлены 8-, 10- и 12-резонаторные обращенные релятивистские магнетроны 10-см диапазона длин волн. Проведены «холодные» измерения резонаторных систем и разработаны устройства вывода СВЧ излучения по оси прибора на волне Ео1 и Ноь В результате экспериментальных исследований на ускорительном комплексе «ЛУЧ» получены СВЧ импульсы мощностью до 200 МВт длительностью ~1 мкс и 350 МВт длительностью -0,7 мкс.

Существенное влияние на уровень генерируемой мощности ОРМ оказывает величина тока, уходящего из пространства взаимодействия, поэтому ограничение предельного тока транспортировки в области анододержателя ведет к росту эффективности ОРМ. Зависимость мощности СВЧ колебаний от мощности электронного пучка имеет линейно-нарастающий характер. В области синхронных магнитных полей наблюдается увеличение токоотбора на поверхность анодного блока, что свидетельствует о больших напряженностях СВЧ полей. Используя формулы теоретической модели, сделано заключение, что уровень мощности обращенных релятивистских магнетронов может быть увеличен при оптимизации устройств вывода СВЧ излучения.

Обнаружена обратная зависимость длительности генерируемого СВЧ импульса ОРМ от его мощности, поскольку увеличивается анодный ток на поверхность резонаторной системы за счет развития мощных СВЧ полей. Вследствие этого уменьшается интервал времени образования анодного плазменного слоя, соответственно снижаются длительности как импульса напряжения, так и СВЧ излучения. Длительность СВЧ импульса в обращенном магнетроне близка к длительности импульса напряжения, хотя импульс по форме неоднороден, что вызвано образованием анодной плазмы на ламелях анодного блока. Увеличение длительности СВЧ импульса ОРМ в сравнении с релятивистским магнетроном прямой геометрии может быть объяснено стабильным положением внешней границы катодной плазмы, и в течение интервала времени, определяемого вакуумными условиями и материалом анода, отсутствием анодной плазмы.

В 3-см диапазоне длин волн сконструирован, рассчитан и исследован на малом уровне мощности 48-резонаторный обращенный коаксиальный магнетрон. Для подавления «паразитных» видов колебаний замедляющей системы использованы кольцевые графитовые поглотители, устанавливаемые на торцах анодного блока и перекрывающие концы щелей связи со стабилизирующим резонатором. Для возбуждения в выходном волноводе «чистой» волны Hoi применен фильтр типов волн.

В режиме генерации СВЧ излучения получены значения импульсной мощности 100 МВт длительностью -0,7 мкс. Отмечено, что ограничения длительности импульса СВЧ излучения в обращенном коаксиальном релятивистском магнетроне вызваны большим временем установления колебаний.

Выполнены численные и аналитические оценки величины инжектируемого тока СРЭП в ОКДМИ, проведено сравнение с данными экспериментальных измерений и показано их хорошее соответствие.

• Показано, что сокращение длительности импульса напряжения в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией при формировании СРЭП с виртуальным катодом определяется наличием потока электронов, отраженных от виртуального катода. Длительность импульса тока пучка может быть увеличена при использовании диафрагм, устанавливаемых в плоскости инжекции СРЭП, или увеличением расстояния катод -виртуальный катод.

Показана перспективность использования релятивистских магнетронов с внешней инжекцией СРЭП для генерации СВЧ излучения субмикросекундной длительности. Получены импульсы СВЧ излучения мощностью 200 МВт, длительностью -0,45 мкс. Эффективная генерация СВЧ излучения происходит с использованием стационарного состояния СРЭП с виртуальным катодом, потенциал которого совпадает по величине с потенциалом катода электронной пушки. Зафиксировано значительное влияние на величину генерируемой СВЧ мощности типа резонаторной системы (аксиального распределения высокочастотного поля в ней). Пространственное совпадение максимума этого распределения с положением виртуального катода обеспечивает высокие выходные параметры генератора. Причем местоположение виртуального катода может изменяться фиксацией потенциала пучка на входе в резонаторную систему. Также, как и в релятивистском магнетроне, уменьшение величины торцевого тока при использовании трубы дрейфа большого диаметра приводит к росту выходных параметров генератора. С ростом мощности инжектируемого в пространство взаимодействия электронного пучка наблюдается увеличение к.п.д. работы прибора.

Показано, что такие приборы могут быть эффективно использованы с источниками питания высокой импульсной мощности, поскольку позволяют увеличивать ресурс анодных блоков РМГ.

• Впервые экспериментально продемонстрирована возможность работы релятивистского магнетронного генератора с высокой частотой следования импульсов -пакет из 3 импульсов мощностью 360 МВт с частотой следования 160 Гц при питании от модуля ЛИУ с многоканальным разрядником.

Впервые разработан и изготовлен мобильный вариант импульсно-периодического релятивистского магнетронного генератора с выходной мощностью излучения 200 МВт и частотой следования импульсов в непрерывном режиме 20 Гц.

Разработаны и изготовлены импульсно-периодические релятивистские магнетроны на основе ЛИУ на магнитных элементах и реализованы следующие режимы работы.

Режим работы

Непрерывный

Импульсно-периодический

Пакетный

Параметры импульсно- периодических релятивистских магнетронов

Мощность, МВт

300-350

300-350

200 300

Частота следования импульсов, Гц

0,4-8

12-80

120-320 120-200

Число импульсов в серии не ограничено 10А 10л-10'

• Впервые экспериментально показана возможность работы релятивистского магнетрона на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор, что позволяет увеличивать выходную мощность установки от 180 МВт на выходе РМГ до 1100 Мвт на выходе компрессора при частоте следования импульсов 10 Гц.

• Предложены и экспериментально исследованы релятивистские магнетроны при внещней взаимной связи его резонаторов. Показано, что взаимодействие колебаний в условиях медовой конкуренции значительно повьшает стабильность рабочего п- вида колебаний, улучшает энергетические и спектральные характеристики излучения.

• Продемонстрирована принципиальная возможность создания антенных решеток на основе релятивистского магнетрона с внешним каналом связи между резонаторами анодного блока.

В заключение автор считает необходимой и приятной обязанностью выразить признательность своим учителям и руководителям: Диденко А.Н., Рябчикову А.И., Фоменко Г.П., Сулакшину A.C., Юшкову Ю.Г., Фурману Э.Г., поблагодарить сотрудников лабораторий 41, 44, 43, 52 НИИ ЯФ при ТПУ Цветкова В.И. за помощь при проведении экспериментов с ОКДМИ и полезные дискуссии, Черногалову Л.Ф. за расчеты дисперсионных характеристик релятивистских магнетронов, Филипенко Н.М. за совместную работу над компьютерной программой моделирования работы релятивистского магнетрона, Васильева В.В. за полезные советы и дискуссии при конструировании и расчетах выходных параметров ЛИУ, Бутакова Л.Д. за проектирование, настройку и эксплуатацию систем питания ЛИУ на магнитных элементах, Шлапаковского A.C. за консультации теоретического характера, сотрудников ИПФ РАН Ковалева Н.Ф., Фукса М.И. за обсуждение результатов экспериментальных исследований РМВИ, всех многочисленньк соавторов публикаций за их труд, приведший к данному результату. Отдельная благодарность - сотрудникам 53 лаборатории Гусельникову В.И., Мащенко А.И., Митюшкиной В.Ю. и другим за помощь при расчетах, конструировании, изготовлении, эксплуатации, измерении параметров линейных индукционных ускорителей и релятивистских магнетронных генераторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Воробьев Г.А., Месяц Г.А. Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов.// М.: Госатомиздат, 1963,167 с.

2. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов.// М.: Сов. радио, 1974, 256 с.

3. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение.// М.: Атомиздат, 1977,153 с.

4. Рухадзе А.А., Богданкевич Л.С., Рухлин В.Г., Росинский СЕ. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков.// М.: Атомиздат, 1980, 163 с.

5. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц.// М.: Мир,. 1984, 432 с.

6. Гапонов-Грехов А.В., Петелин М.И. Релятивистская высокочастотная электроника.// Вестник АН СССР, 1979, №4, с. 11-23.

7. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности.// М.: Энергоатомиздат, 1984, 112 с.

8. Бугаев СП., Канавец В.И, Климов А.И., Кошелев В.И, Черепенин В.А. Релятивистский многоволновый черепковский генератор с импульсной мощностью Ю"А Вт.// Препринт № 18, Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1985, 10 с.

9. Bekefi G., Orzechovski Т., Giant microvawe bursts emitted from a field emission relativistic electron beam magnetron.// Phys. Rev. Let., 1976, v. 37, N6, p. 379-382.

10. Ковалев Н.Ф., Кольчугин Б.Д., Нечаев B.E. и др. Релятивистский магнетрон с дифракционным выводом мощности.// Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, № 20, с. 1048-1051.

11. Диденко А.Н., Сулакшин А.С, Фоменко Т.П. и др. Исследование генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний с помощью релятивистского магнетрона.// Письма в ЖТФ, 1978, Т.4, № 3, с. 10-13.

12. Диденко А.Н., Сулакшин А.С, Фоменко Т.П. и др Релятивистский магнетрон с импульсным напряжением микросекундной длительности.// Письма в ЖТФ, 1978, т.4, № 14, с. 823-826.

13. Нечаев В.Е., Сулакшин А.С, Фукс М.И., Штейн Ю.Г. Релятивистский магнетрон.// В сб. Релятивистская высокочастотная электроника. Горький:, ИПФ АН СССР, 1979, с. 114-130.

14. Капица П.Л. Электроника больших мощностей.// М.: Изд-во АН СССР, 1962,196 с.

15. Нечаев В.Е. Анализ процессов в многорезонаторном магнетроне (плоская модель).// Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1962, т. 5, № 3, с.534-548.

16. Нечаев В.Е. К анализу процессов в многорезонаторном магнетроне.// Изв. ВУЗов. Радиофизика, 1964, т. 7, № 1, с. 146-159.

17. Hull A.W. The effect of a uniform magnetic field on the motion of electrons between coaxial cylinders.// Phys. Rev., 1921, v. 18, p. 31-57.

18. Алексеев Н.Ф., Маляров Д.Е. Получение мощных колебаний магнетроном в сантиметровом диапазоне длин волн.// ЖТФ, 1940, т. 10, К° 15, с. 1297-1300.

19. Коваленко В.Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот.// М.: Сов. радио, 1955, 344 с.

20. Магнетроны сантиметрового диапазона. Пер. с англ. под ред. С.А. Зусмановского.// М.: Сов. радио, 1950, т. 1, 420 с.22.