Компактные источники мощных нано- и субнаносекундных электронных пучков и электромагнитных излучений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ
|
Яландин, Михаил Иванович
АВТОР
|
||||
|
доктора технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Екатеринбург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1996
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.13
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РГ6 - 8
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОД УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ
На правах рукописи
ЯЛАНДИН Михаил Иванович
КОМПАКТНЫЕ ИСТОЧНИКИ МОЩНЫХ НАНО- И СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Специальность: 01.04.13 - Электрофизика
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада
Екатеринбург, 1996
Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН
Официальные оппоненты: академик, доктор технических наук
Б.М.Ковальчук
доктор физико-математических наук Н.Ф.Ковалев
доктор технических наук Ю.Г.Юшков
Ведущая организация - Институт радиотехники и электроники РАН,
г. Москва
Защита состоится "
октября 1996 г. в
час. на заседании
специализированного совета Д 003.41.01 при Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055 Томск, пр. Академический, 4.
С диссертацией можно ознакомиться 8 библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН
Диссертация в виде научного доклада разослана "¿У " 1996 г.
Ученый секретарь
Специализированного Совета Д-003.41.01 доктор физико-математических I —
Д. И. Проскуровский
СОДЕРЖАНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .................................................. 4
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ................................................... 12
1. МАЛОГАБАРИТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ..................... 13
1.1. Формирователи высоковольтных наносекундных импульсов .... 13
1.2. Субнаносекундные импульсно-периодические генераторы...... 19
1.3. Синхронизация высоковольтных наносекундных генераторов .. 22
2. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ............. 26
2.1. Автономные электронные ускорители и рентгенаппараты....... 26
2.2. Электронные ускорители с широкоапергурными пучками........ 30
2.3. Субнаносекундный электронный ускоритель............................ 33
3. ИСТОЧНИКИ МОЩНОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ ............................................................38
3.1. Релятивистские миллиметровые СВЧ-генераторы серии МГ..........38
3.2. Релятивистский сильноточный усилитель диапазона 35 ГГц..........42
3.3. Примеры исследований мощных источников с различными механизмами индуцированного излучения релятивистских электронных пучков в СВЧ-диапазоне............................................................................45
4. ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ ............................ 49
4.1. Импульсно-периодические модуляторы.................................... 49
4.2. Высоковольтные широкополосные антенно-фидерные устройства................................................................................ 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................56
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ..........................................57
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Введение, актуальность темы дисс<
Ретроспектива исследований с применением сильноточных наносекунд-ных генераторов и электронных ускорителей прямого действия показывает, чтс в лабораторной практике могут эффективно использоваться малогабаритные экспериментальные установки с невысоким энергозапасом- вплоть до единиц джоулей и энергией до 300 кэВ. На протяжении 60х-70х годов доказали свое право на существование многочисленные высоковольтные генераторы и ускорители, в большинстве своем предназначавшиеся для изучения широкого круга быстропротекающих физических процессов: вакуумного и газовогс пробоев, эмиссионных характеристик ненакаливаемых катодов и т.д. Эти электрофизические установки обеспечили получение принципиальных научных результатов и позволили обрисовать "технологическое будущее" сильноточной электроники. Важным этапом в развитии малогабаритной сильноточной импульсной техники практического назначения можно считать разработку и серийный выпуск на Ленинградском НПО "Буревестник" наносекундных рентгеновских аппаратов типа ИРА, РИНА, МИРА. В них использовались импульсные отпаянные рентгеновские трубки с холодным катодом, работающим на основе явления взрывной электронной эмиссии.
Для дальнейшего расширения круга исследований с применением высоковольтных наносекундных генераторов и сильноточных ускорителей было необходимо создать удобные и простые в эксплуатации как специализированные, так и многофункциональные компактные электрофизические приборы, образно говоря, работающие "от розетки". Эта задача была сформулирована в конце 70х годов академиком Г.А.Месяцем и в части, касающейся развития СВЧ-электроники больших мощностей, положила начало исследованиям автора диссертации. Высокие удельные параметры новых малогабаритных приборов типа РАДАН предоставили уникальные возможности по генерированию мощных наносекундных пучкоз электронов и импульсов электромагнитных излучений (рентгеновского, оптического, СВЧ). Работа по этим направлениям подтвердила следующие выводы:
• быстрота выполнения экспериментов и их экономичность типичны практически для всех, в том числе и нетрадиционных областей применения малогабаритной ускорительной техники;
■ производные по времени от основных параметров и соответствующие им потоки (плотность тока, интенсивность излучения и т.д.) для компактных короткоимпульсных сильноточных приборов могут значительно превосходить аналогичные характеристики больших длинноимпульсных установок.
• укорочение длительности высоковольтного импульса, тока электронного пучка, электромагнитных излучений до единиц наносекунд и менее позволяет не только миниатюризировать прибор, но и определяет возможность проведения принципиально новых исследований.
Перечисленные особенности наглядно проявились за короткий срок, когда "испытательным полигоном" новой техники стали релятивистская высокочастотная электроника, радиационные химия, физика и биология, физика газового, разряда и твердотельные лазеры, плазмохимия и рентгеновская дефектоскопия, а также ряд других актуальных научных и технологических направлений. Каждая область исследований диктовала специфические требования к экспериментальной технике. Другими словами, было необходимо уделять большое внимание "потребительским качествам" создаваемых источников сильноточных электронных пучков и электромагнитных излучений: их надежности, автономности, возможности регулировки выходных параметров, точности синхронизации, электромагнитной совместимости с другой экспериментальной техникой и др.
Специфические условия развития сильноточной импульсной техники в России и других странах за последние пять лет подтвердили, что разработка и дальнейшее совершенствование многопрофильных малогабаритных наносе-кундных генераторов и ускорителей остаются по-прежнему актуальными. Сохраняются в силе все три особенности работ с малогабаритной техникой, отмеченные выше. Кроме того, по экономическим соображениям компактные сильноточные наносекундные генераторы и ускорители остаются вполне доступными (а нередко - единственно-доступными) для небольших лабораторий, исследовательских центров университетов, предприятий и фирм. Не случайно, что многие исследовательские группы частично, а иногда и полностью переориентируются на использование малогабаритных приборов. В свою очередь, разработчики высоковольтной наносекундной импульсной техники чаще стали обращать внимание на наиболее компактные варианты своих установок.'
Созданию многоцелевых малогабаритных высоковольтных генераторов и сильноточных импульсно-периодических электронных ускорителей, экспериментальным исследованиям и разработке новых электрофизических приборов на основе таких ускорителей и посвящена данная диссертация.
■ разработка конструкций и отработка технологии многоцелевых малогабаритных высоковольтных генераторов и сильноточных импульсно-периодических электронных ускорителей наносекундного и субнаносекундного диапазонов;
■ экспериментальные исследования новых источников электромагнитного излучения;
■ создание мощных компактных импульсных электрофизических приборов для научных и практических целей.
исследований, полученных в процессе разработки и с использованием созданной экспериментальной техники:
1. Разработана принципиально новая унифицированная базовая модель наносекундного импульсно-периодического генератора РАДАН-303 и на ее основе создан ряд компактных электрофизических приборов (Табл.1), не имеющих аналогов по совокупности параметров, удельным характеристикам или назначению.
2. Экспериментально показано, что волновой характер передачи импульса ускоряющего напряжения в протяженном вакуумном диоде с взрыво-эмиссионным катодом позволяет получить ленточный электронный пучок с равномерным интегральным энерговыходом за фольговым окном.
3. В коаксиальном магнитоизояированном диоде с взрывоэмиссионным катодом сформирован трубчатый сильноточный электронный пучок (I ~1 кА, Е-250 кэВ) длительностью -300 пс. Показано, что транспортировка такого сгустка в дрейфовой камере с ведущим магнитным полем сопровождается продольной динамической дисперсией и значительным (до 1.5х) увеличением энергии части электронов (автоускорением).
4. Исследование режимов работы обостряющего и срезающего азотных разрядников высокого давления при предпробойных скоростях роста напряжения (0.2-0.6)х10'5 В/с позволило сформировать 100-кВ, 250-пс импульсы с полными амплитудной и временной нестабильностями ±5% и ±10% на частоте повторения 100 Гц.
5. Изучение закономерностей пробоя неуправляемых газовых разрядников высокого давления в нано- и субнаносекундном диапазонах времен позволило экспериментально определить условия, обеспечивающие получение субнаносекундной точности запуска трехэлектродного разрядника наносекунд-ных генераторов.
6. На основе систем с ТЕМ-антеннами созданы компактные импульсно-периодические генераторы мощных субнаносекундных сверхширокополосных радиоимпульсов с перестраиваемыми амплитудой и эффективной частотой.
7. При длительности импульса генерации ~4 не для сильноточных релятивистских электронных СВЧ-приборов миллиметрового диапазона превзойден уровень потока мощности 0.5 ГВт/см2. Кроме того:
заключается в приоритетных результатах
Субнаносекундный ускоритель с трубчатым _электронным пучком_
Ленточный электронный диод с бегущей волной _(пучок 5x500 мм)_
Технологический электронный диод с пучком 5x110 мм
Ускоритель для двухсторонней обработки объектов
Ускоритель с серийным отлаянным электронным диодом
Малогабаритный
импульсно-периодический
наносекундный
ДФЛ-генератор РАДАН-303
1
Су б нан осекун дн ый запускающий генератор
Субнаносекундный генератор
униполярных импульсов с частотой повторения 100 Гц
Субнаносекундный генератор
биполярных импульсов с пассивным преобразователем
Субнаносекундный генератор биполярных импульсов с активным _формирователем_
Релятивистская ЛОВ диапазона 70 ГГц с постоянной магнитной фокусирующей системой
Источники мощных субнаносекундных широкополосных СВЧ-импульсов мм-диапазона
Релятивистский ЛОВ-генератор МГ-4(Р) _35 ГГц_
Релятивистский ЛОВ-генератор МГ-5(Я), _ЗВ ГГц_
Релятивистский ЛОВ-генератор МГ-б(Н) 70 ГГц
Сверхширокополосная четырехэлементная антенная решетка
Генератор сверхширокополосных
радиоимпульсов с ТЕМ-антенной ударного возбуждения
Наносекундный рентгенаппарат
Генератор для исследования пробоя диэлектриков
Секционированный высоковольтный генератор
Наносекундный драйвер с субнаносекундной точностью запуска
Таблица 1. Приборы и устройства, созданные на основе наносекундных генераторов РАДАН-303
■ экспериментально исследованы эффективные слаборелятивистские сильноточные ЛОВ диапазонов частот 140 и 70 ГГц с длительностью импульсов 2 и 4 не и выходной мощностью 10 и 50 МВт;
■ реализован и исследован СВЧ-генератор - ЛОВ миллиметрового диапазона с наносекундным сильноточным электронным пучком и фокусирующей системой на основе постоянных магнитов;
■ создан мегаваттный черенковский СВЧ-усилитель миллиметрового диапазона с релятивистским сильноточным пучком (ЛБВ с синхронной пространственной гармоникой), работавший на частоте 35 ГГц с коэффициентом усиления 22-30 дБ;
• экспериментально зарегистрировано мощное циклотронное сверхизлучение сильноточного субнаносекундного электронного лучка в миллиметровом диапазоне длин волн. Научная и практическая ценность работы определена созданием новых малогабаритных сильноточных электрофизических приборов и ускорителей, модели которых, начиная с 1990 г., прошли этапы разработки от макетных экспериментальных установок до коммерческих экспортных образцов. В частности:
1. Созданы простые в эксплуатации многофункциональные малогабаритные импульсно-периодические высоковольтные наносекундные генераторы РА-ДАН с регулируемыми выходными параметрами, нашедшие разнообразное применение для прикладных научных исследований. На их основе разработаны варианты специализированных малогабаритных сильноточных ускорителей с электронными пучками различного сечения для оперативной двухсторонней, а также широкоалертурной радиационно- технологической обработки образцов, материалов и объектов. Ряд приборов используется в режиме импульсных дефектоскопических рентгенаппаратов, в том числе переносных, с автономным питанием. Ускоритель с субнаносекундным пучком регулируемой энергии и длительности представляет уникальный инструмент для исследования динамики возбуждения и переходных процессов релятивистских сильноточных СВЧ-приборов.
2. Разработаны управляемые 200-кВ разрядники с искажением поля, обеспечивающие независимую синхронизацию наносекундных сильноточных ускорителей с субнаносекундной точностью при малой энергетике пускового импульса. С помощью другого специального разрядника унифицированные высоковольтные ДФЛ-генераторы ускорителей РАДАН могут включаться параллельно (секционироваться) и, тем самым, быть "жестко синхронизированы". Независимо синхронизированные или секционированные приборы могут использоваться для построения модульных источников электронных пучков и
наносекундных импульсов электромагнитных излучений с субнаносекундным, или вообще без относительного джиттера.
3. Разработаны конструкции и созданы компактные высоковольтные суб-наносекундные генераторы с оперативно-перестраиваемыми амплитудой, длительностью и формой импульсов, допускающие режимы работы с частотой повторения вплоть до 100 Гц при стабильных выходных характеристиках.
4. Получены экспериментальные данные об электрической прочности изоляций различного типа в наносекундном и субнаносекундном диапазонах при воздействии высоковольтных униполярных, биполярных и импульсов с СВЧ-заполнением.
5. Реализованы импульсно-периодические сверхширокополосные излучатели радиоимпульсов субнаносекундной длительности на основе высоковольтных ТЕМ-антенн ударного возбуждения с подводимой к антенне пиковой мощностью 200-400 МВт. Секционированные высоковольтные ТЕМ-антенны, запитанные импульсом ~ 300 пс от общего субнаносекундного модулятора, при габаритах ~(2х2) м2 могут синтезировать ДН с главным лепестком -10° по уровню -6 дБ. Устройства прошли лабораторную проверку в качестве прототипов мощных модуляторов сверхширокополосных радаров.
6. Экспериментальные и коммерческие образцы импульсно- периодических СВЧ-генераторов миллиметрового диапазона серии МГ с выходной импульсной мощностью 10-50 МВт в течение ряда лет используются различными научно-исследовательскими организациями. Удельная пиковая мощность разработанных моделей генераторов МГ4-МГ6 достигает 0.5-1 МВт/кг.
7. Экспериментально продемонстрировано, что релятивистские сильноточные СВЧ-генераторы миллиметрового диапазона могут работать с использованием фокусирующей системы на основе постоянных магнитов.
8. Созданы сильноточные электронные источники сверхкоротких (15 0.4 не) широкополосных импульсов с СВЧ-заполнением миллиметрового диапазона и с уровнями пиковой мощности в сотни киловатт-единицы мегаватт.
В работах, представленных на защиту, автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке задач, расчетах, моделировании, разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники; в отработке специальных технологий и изготовлении уникальных элементов новых приборов; в выполнении экспериментов и интерпретации их результатов.
Малогабаритные сильноточные электронные ускорители и различные электрофизические приборы на их основе применялись для практических целей и прикладных исследований по радиофизике и релятивистской высокочастотной
электронике; физике низкотемпературной плазмы; физике полупроводников и диэлектриков; радиационным химии, физике и биологии; прикладной оптике и физике газовых лазеров; санитарной медицине и т.д.. Перечисленные ниже отечественные и зарубежные организации в разное время использовали или используют результаты исследований и разработок, а также эксплуатируют коммерческие варианты приборов;
1. Институт сильноточной электроники СО РАН (г.Томск);
2. Институт электрофизики УрО РАН (г.Екатеринбург);
3. Институт радиотехники и электроники РАН (г.Москва);
4. Московский радиотехнический институт РАН (г.Москва);
5. Институт высоких температур РАН (г.Москва);
6. СКБ НП УрО РАН (г.Екатеринбург);
7. СКБ НП СО РАН (г.Томск);
8. Московский государственный университет;
9. Уральский политехнический институт, (г.Екатеринбург);
10. ПО Томсктрансгаз (г.Томск);
11. Научно-исследовательский институт полупроводников, (г.Томск);
12. НПО "ЗЕНИТ", (г.Зеленоград);
13. НПО "БУРЕВЕСТНИК", (г.Санкт-Петербург)
14. Техасский технический университет, (г.Лаббок, США);
15. Компания Advanced Physics, Inc., (г.Эрвайн, США);
16. Исследовательский центр GEC-Marcon¡, (г.Челмсфорд, Великобритания);
17. Исследовательский центр DSTO (г.Солсбери, Австралия);
18. Университет Стразклайд (г.Глазго, Великобритания);
19. Институт физики, (г.Тарту, Эстония)
20. Исследовательский центр FOA (г. Линчопинг, Швеция)
Материалы работы в различное время докладывались на научных семинарах ИЭФ УрО РАН, ИСЭ СО РАН, ИРЭ РАН, НИИ ядерной физики (г.Томск); на рабочих совещаниях ряда отраслевых организаций России; на семинарах зарубежных организаций: Исследовательских центров GEC-Marconi, DSTO, FOA; Техасского технического университета; Университета Стразклайд, а также на национальных и международных конференциях: IV, VI, VII Всесоюзных семинарах по релятивистской высокочастотной электронике (Москва, 1984; Свердловск, 1989; Томск, 1991); VII и IX Симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Пермь-Москва, 1992); XVI и XVII Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Россия, 1994; США, 1996); VI, IX, X, XI международных конференциях по мощным пучкам частиц (Япония, 1986; США, 1992, 1994 и Чешская Республика, 1996); VIII, IX, X Международных конференциях по мощной импульсной технике (США, 1991, 1993 и
1995); Международных конференциях общества SPIE "Мощные СВЧ-импульсы" и "Медицинские лазеры и системы" (США, 1993, 1994, 1995); VII Тихань-Симпозиуме по радиационной химии (Венгрия, 1994); IX Международном симпозиуме по радиационной обработке (Турция, 1994); 23-й конференции по физике плазмы (Великобритания, 1996); Всероссийском семинаре "Физика микроволн" (Нижний Новгород, 1996). Ряд разработанных приборов прошел презентации и экспонирование на отечественных и зарубежных выставках. Микроволновый генератор МГ-2 был отмечен Бронзовой медалью ВДНХ СССР в 1985 г.
Материалы диссертации составили содержание 48 научных статей, и сообщений, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных журналах, сборниках и других изданиях. По материалам работы получено свидетельство на промышленный образец, два авторских свидетельства на изобретения и положительное решение о выдаче патента.
1. С использованием схемы коаксиальной двойной формирующей линии, коммутатор которой расположен между промежуточным (потенциальным) и наружным (заземленным) электродами линии, созданы компактные многофункциональные наносекундные импульсно-периодические генераторы с субнаносекундной точностью синхронизации и генераторы с параллельными высоковольтными модулями, коммутируемыми без относительного джиттера.
2. Протяженный электронный диод в виде длинной вакуумной линии с ленточным взрывоэмиссионным катодом при работе в режиме бегущей волны обеспечивает равномерный энергетический выход пучка за фольговым окном ускорителя. В оптимальном случае электрические длины передающей линии диода и формирующей линии высоковольтного генератора должны быть равны.
3. Экспериментально показано, что малогабаритный генератор субнано-секундных импульсов длительностью 150-250 пс на основе обостряющего и срезающего азотных разрядников высокого давления позволяет формировать униполярные и двухполярные импульсы со стабильной (не хуже ±5%) амплитудой до 100 кВ на частотах повторения 100 Гц без применения продувки газа.
4. При длительности воздействия менее 250 пс импульсная электрическая прочность воздушной изоляции при нормальных условиях возрастает пятикратно по сравнению со статической, что позволяет уменьшить поперечные размеры системы подключения субнаносекундного модулятора к сверхширокополосной ТЕМ-антенне до единиц сантиметров при импульсной подводимой мощности в сотни мегаватт.
5. Управляемый 200-кВ разрядник генераторов и ускорителей РАДАН-303 синхронизируется с точностью лучше 0.5 не субнаносекундным импульсом, для
чего при диапазоне управления разрядником до 5% достаточно энергии такого импульса не более 10'3 от коммутируемой, а его амплитуда может не превышать 10% зарядного напряжения формирующей линии. Экспериментально показано, что условием точного включения является стимулированный пусковым импульсом опережающий пробой между управляющим электродом и противоположным ему потенциальным.
6. Влияние СВЧ-пробоев в электродинамических структурах электронных СВЧ-приборов не проявляется при длительностях генерации <4 не в условиях технического вакуума, когда напряженность нормальной компоненты электрического поля генерируемой волны на стенках замедляющей системы достигает 1 МВ/см. Созданы генераторы СВЧ-импульсов миллиметрового диапазона длительностью в единицы наносекунд с плотностью по тока энергии излучения в замедляющей системе ~ 0.5 ГВт/см2.
7. Для формирования и транспортировки 4-нс сильноточного электронного пучка ( ~1 кА, ~250 кэВ) в релятивистской ЛОВ миллиметрового диапазона может применяться магнитная фокусирующая система с квазисоленоидальным профилем поля на основе высококоэрцитивных постоянных магнитов.
8. В коаксиальном вакуумном диоде с магнитной изоляцией при подаче на взрывоэмиссионный катод импульса с длительностью 200-300 пс и амплитудой 100-250 кВ сформирован равномерный трубчатый электронный пучок с током < 1 кА.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Дисссертация состоит из четырех частей. В первой части представлены основные подходы, использованные при создании малогабаритных импульсно-периодических нано- и субнаносекундных высоковольтных генераторов РДДАН, Описаны особенности конструкций и работы приборов, определяющие такие технические характеристики, как стабильность, точность синхронизации и т.д. Во второй части изложены результаты разработок мощных электронных ускорителей прямого действия с пучками различных сечений и длительностей, созданных для экспериментов и технологических применений. Третья часть иллюстрирует возможности малогабаритных сильноточных электронных ускорителей как основы различных релятивистских СВЧ-приборов с высокими удельными параметрами и новых мощных источников нано- и субнаносекундных импульсов индуцированного микроволнового излучения. Вопросы применения импульсно-периодических субнаносекундных модуляторов для создания мощных сверхширокополосных генераторов электромагнитных импульсов представлены в четвертой части. В заключении приведены основные результаты работы и список публикаций автора по теме диссертации.
1. МАЛОГАБАРИТНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
1.1. Формирователи высоковольтных наносекундных импульсов
Основным элементом сильноточного наносекундного электронного ускорителя прямого действия является высоковольтный генератор. Для электрофизического прибора практического назначения он должен допускать частоту повторения, иметь стабильные параметры, быть компактным, автономным, технологичным в производстве. К моменту начала работ автора по теме (1980 г.) вероятными претендентами на использование результатов исследований и разработок малогабаритных наносекундных генераторов были рентгеновская дефектоскопия и СВЧ-электроника больших мощностей, предъявлявшие ряд специальных требований к приборам: форме импульса, допустимому уровню помех, герметичности блоков и др. В соответствии с этим, были созданы варианты импульсных генераторов для наносекундных рентгенаппаратов [3], отличавшиеся большей эффективностью от серийных дефектоскопов типа МИРА и НОРА. Базовая модель генератора РАДАН-220 (200 кВ, 3 не) [12] была унифицирована и отвечала специфике наносекундного ускорителя электронов, необходимого для исследований по генерированию мощных СВЧ-импульсов [2], т.е. допускала перепрофилирование при минимальной модернизации (Рис.1,2).
Для первых разработок использовались серийные высоковольтные разрядники, импульсные конденсаторы; низковольтные коммутаторы (разрядники и тиратроны) и т.д. Испытания выявили их ограничения и недостатки [12], поэтому, исходя из повышенных требований к компактности, стабильности параметров и ресурсу, многим серийным элементам была подготовлена замена на специально разработанные конструкции. Таким образом, была разработана новая базовая модель и изготовлена партия наносекундных генераторов РАДАН-303 (Рис.3) [18,19].
Блок-схема всех приборов РАДАН включает высоковольтный емкостной накопитель энергии в виде формирующей линии (ФЛ), заряжаемой трансформатором Тесла (ТТ); газовый разрядник, подключающий ФЛ к нагрузке; первичное зарядное устройство и системы контроля и управления. ФЛ имеет очевидные преимущества для генераторов с длительностью импульса в единицы не. В отличие от "низкоомных" генераторов на основе высоковольтных конденсаторов, использованных, например, в аппаратах МИРА, ФЛ обеспечивает на нагрузке квазипрямоугольную форму основного импульса (Рис.4). Его фронт определяется поперечными геометрическими размерами линии, характеристиками разрядника и параметрами выходного контура. Энергоемкость ФЛ задается электрической прочностью изоляции. Использование масляной изоляции при импульсной зарядке за 10"! -10"вс наиболее приемлемо, поскольку трансформаторное масло имеет сравнительно низкие диэлектрические
Рис.1. Базовая модель генератора РАДАН-220 в варианте рентгенаппарата Длительность импульса 2.5 не.
Рис.2. Электронный ускоритель РАДАН-2252 с отпаянным вакуумным диодом. Энергия ~200 кэВ; ток пучка за фольгой ~ 1 кА.
- обмотки трансформатора Тесла
- магнитопровод
- газовый разрядник (азот, 40 атм)
- нагрузка
■ емкостные делители А1-А4 - таймеры В1-В4- усилители мощности
3-4
5
6
7-8
-220У 50/60нг
Рис.3. Внешний вид и схема наносекундного ДФЛ-генератора РАДАН-ЗОЗБ
Импеданс - 45 Ом
Напряжение - до 300 кВ
Импульс - 4-5 не
Частота следования - до 100 Гц Масса - 27 кг
Габариты - 450x190x660 мм 220В, 50 гц, до 1 кВт
Рис.4. Форма импульса выходного напряжения генератора РАДАН-2252 при разряде 30-омной формирующей линии на рассогласованный коаксиальный диод с магнитной изоляцией
5 не
потери и, в отличие от твердых диэлектриков, восстанавливает прочность после пробоя. При внешнем диаметре 70-120 мм волновое сопротивление ФЛ генераторов РАДАН выбиралось в пределах 20-40 Ом, в зависимости от требований оптимизации электрической прочности или энергоемкости. Последняя величина при зарядных напряжениях 250 кВ достигала 1 Дж/дм3, а импульсная мощность в согласованном режиме - 1 ГВт. Эти параметры лимитировались требованиями надежной работы прибора, в т.ч. и для режимов XX и КЗ. Такие режимы (рыли типичны для испытаний на надежность и реализовались при подключении устройств с обостряющими и срезающими разрядниками [22,29]. ФЛ на частоте повторения до 100 Гц выдерживали воздействие отраженного нано-секундного импульса (при этом достигалось удвоение амплитуды до 300-350 кВ) и следующего за ним импульса обратной полярности.
В генераторах РАДАН, также как и в ускорителях СИНУС, зарядка ФЛ осуществлялась трансформатором Тесла* (Рис.5). Практически коэффициент связи контуров ТТ составлял -(0.7-0.8) и достигался применением разомкнутого стального сердечника при временах зарядки линии 6-8 мкс, т.е. вблизи высокочастотной границы области максимальных отношений индуктивносгей намагничения и рассеяния L / Ls [26]. Обмотки трансформатора располагались в зазоре линии, магнитопроводы выполняли функции ее внутреннего и наружного проводников. Такая компактная конструкция (Рис.3) обеспечивала полную экранировку высоковольтного блока, в отличие от систем с безжелезными трансформаторами.
Для коммутации одиночной ФЛ генераторов РАДАН-220 использовались серийные азотные разрядники типа Р-49, при этом время зарядки из соображений электрической прочности их керамических изоляторов снижалось до 1-1.5 мкс. Соответственно, соотношение L / Ls несколько ухудшалось. Максимальные разбросы момента самопробоя и амплитудная нестабильность разрядника Р-49 наблюдались (Рис.6) на крутом участке зарядной характеристики U3(í) - 1-cos(<ot). По-видимому, это было определено наличием нерегулярной подсветки искрового зазора излучением разряда по поверхности изолятора [17]. При давлениях азота ~40атм стохастический характер подсветки приводил к "двугорбому" распределению времени пробоя (Рис.7). При низких же и высоких напряжениях (то есть при отсутствии или, наоборот, стабилизации разряда по керамике) временной разброс уменьшался до ±(10-15) не. Такая точность включения была достаточна для синхронизации электронного пучка со 100-нс импульсом магнетрона в экспериментах с СВЧ-усилителем [7,10].
Отмеченные особенности серийных коммутаторов определили задачу
*) Ельчанинов A.C., Загулов Ф.Я., Коровин С,Д., Ландль В.Ф., Лопатин В.В., Месяц Г.А. Ускорители сильноточных электронных пучков с высокой частотой следования импульсов// В кн: Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии. -Новосибирск: Наука,- 1983.- 169 с.
создания специализированных наносекундных разрядников. Наибольшими возможностями обладают азотные разрядники ДФЛ-генераторов РАДАН-303 с заземленным электродом (вариант ДФЛ с инверсией полярности выходного импульса относительно зарядного напряжения среднего электрода линии, Рис.3). Для таких конструкций не представляет проблемы установка механизма для точной регулировки зазора в рабочем режиме генератора; при необходимости могут использоваться различные варианты прокачки рабочего газа в зазоре: осевая или радиальная; для управляемого варианта упрощен ввод запускающего импульса. В однократном режиме такой разрядник коммутировал энергию 4-5 Дж, а при частотах повторения 50-100 Гц - до 2-2.5 Дж за имульс. Стабильность напряжения самопробоя (Рис.8) типична для неуправляемых высоковольтных разрядников, однако замечено, что при малой коммутируемой энергии она слабо различалась в режимах от однократного до 100 Гц. Было показано, что специальные материалы электродов не имели значительных преимуществ по сравнению с обычной медью [26], (Табл.2). Унос массы материала измерялся в непрерывных сериях (25 Гц, 105 импульсов). В разрядниках с ресурсом >107 использовались полутороидальные электроды, отличающиеся консервативностью формы при длительной эксплуатации. Для разрядника без прокачки и фильтрации газа распыление электродов требовало чистки изолятора через (1-2)х10е включений.
Помимо достоинств разрядника к преимуществам ДФЛ-генератора следует отнести повышенное волновое сопротивление линии (рдфл = р,+р2= 45 Ом). Это уменьшало отражения от электронных диодов (рн>100 0м). Если рДФЛя 2рФЛ, то для равных зарядных напряжений и одинаковых нагрузках ДФЛ представляла более "высоковольтный" генератор чем обычная линия. С другой стороны, для генерирования выходных импульсов заданной амплитуды такую ДФЛ требовалось заряжать до меньших напряжений, а обмотки ТТ было можно расположить в ослабленном поле внешней линии (Рис.9). Наиболее напряженные участки ДФЛ оказываются в неопасных местах внутреннего коаксиала (Рис.3), на экранах электродов разрядника и, таким образом, выполняют роль "микросекундных предохранителей". ДФЛ-генераторы имели наибольшие для систем РАДАН емкость (до 170 пФ) и электрическую длину линии, но отличались увеличенным фронтом импульса -1-1.5 не. Последнее естественно для формирователей, где коммутатор и нагрузка расположены на разных концах линии, а переход "линия-нагрузка" имеет усложненную конфигурацию.
Технические и эксплуатационные характеристики наносекундного импульсно-периодического генератора во многом зависят от схемотехники первичного контура трансформатора Тесла, устройств зарядки и управления. Коэффициент трансформации ТТ (100-500) выбирался так, чтобы была возможность использовать стандартные коммутаторы первичного емкостного
Г-и9?
Рис.5. Принципиальная схема контуров трансформатора Тесла. С1, С2 - первичный и высоковольтный (ФЛ) емкостные накопители; Ср, Сн- емкости разрядника и нагрузки; 1.1, 12 - индуктивности обмоток; 1_р- развязывающая индуктивность; VI-первичный коммутатор; \/2- разрядник; Я1,В2 - сопротивления контуров; гн-нагрузка.
Рис.8. Амплитудная (а) и временная (б) дисперсии самопробоя разрядника генератора РАДАН-ЗОЗА
Таблица 2. Унос массы и объема материала электродов разрядника генератора РАДАН-ЗОЗА.
Материал электрода Унос массы (мг/кулон) анод катод Унос объема (10"4 см3/кулон) анод катод
УУ-Си (50-50%) Си № Та 12Х18Н10Т 1.6 1.6 1.1 1.3 3.2 2.2 2.9 4.0 3.2 4.0 1.1 1.1 1.2 1.5 1.7 1.1 1.7 2.4 4.1 5.1
300 225 150 75 0
10 20 30 40 50 60
Рис.6. Зависимость напряжения самопробоя разрядника Р-49 при изменении давления азота.
Рис.7. Разбросы момента пробоя разрядника Р-49 при изменении давления азота.
400 300 200 100
° 1 1.5 | 2 2.5 3
' р,=р2=25 Ом
Рис.9. Зависимость радиального электрического поля на электродах ДФЛ при вариации импеданса линий (р,=рг) и фиксированных наружном диаметре (120 мм) и потенциале электродов.
Р, атм
накопителя, расчитанные на 3-5 кВ (тиратроны, разрядники), или снизить зарядное напряжение до выпрямленного сетевого, когда применялись скоростные тиристоры ТБ или ТМ. Бескорпусные секции конденсаторов К75-40 модернизировались с целью увеличения сечения и поверхности токовыводов. Конструкция токовывода в виде плоских пластин, спаянных с металлизированными торцами секции по всей площади металлизации, снижала собственную индуктивность конденсатора примерно в 4 раза (до 20 нГн). Конденсаторы при естественном воздушном охлаждении выдерживали без перегрева длительную работу с частотой повторения 25 Гц, а при частоте 100 Гц - несколько тысяч импульсов.
Источники питания первичного емкостного накопителя представляли высокочастотные преобразователи (питание ~ 220 В или =12 В) или импульсные С-ЬС схемы с к.п.д. ~ 0.8-0.9. Они, как правило, компоновались в общем блоке с высоковольтной ФЛ и наносекундным коммутатором (Рис.3). Здесь же располагались системы управления, собранные на интегральных микросхемах [24,38]. Их достаточно стабильная работа представляется определенным прогрессом с точки зрения реальности снижения мощных помех, характерных для сильноточного наносекундного генератора. Разработанные унифицированные дублирующие системы управления, в том числе с инфракрасным каналом связи, позволяют дистанционно менять режимы в процессе работы прибора, что наиболее важно в экспериментах при наличии сопутствующего тормозного или мощного СВЧ-излучений.
Полный энергетический баланс представляет особый интерес для малогабаритных импульсно-периодических сильноточных приборов. Основными источниками потерь являются зарядные и коммутирующие устройства. В высоковольтном контуре доминируют омические потери во вторичной обмотке, а в первичном (сильноточном) контуре, при временах зарядки в единицы микросекунд, наибольшими являются коммутационные потери в тиристорах, время включения которых оказывается сравнимым с временем зарядки ФЛ. В результате полный к.п.д., учитывающий поле рассеяния трансформатора, при быстрой (< 10 цб) зарядке ФЛ обычно составляет 0.5-0.6. Энергозапас ФЛ в момент коммутации неуправляемым разрядеиком, как правило, не превышает 60% от максимального, т.к. напряжение коммутации приходится выбирать на уровне - 0.8 от зарядного напряжения, что исключает пропуски срабатывания разрядника. В результате к.п.д. генератора "розетка-нагрузка" находится на уровне 30%. Возможные пути улучшения этого показателя в 1.5-2 раза связаны со значительным усложнением технологии и удорожанием приборов. Наносе-кундные генераторы РАДАН в совокупности с зарядными устройствами представляют электрические машины с значительной удельной габаритной мощностью, достигающей -30 Вт/кг при частоте повторения 100 Гц. Потери
распределены по цепи наносекундного генератора относительно равномерно, не вызывая чрезмерных локальных тепловых нагрузок.
Начиная с 1980 года силами научных и производственных организаций СО РАН на основе базовой модели РАДАН-220 было выпущено несколько десятков наносекундных генераторов различной модификации. Современные генераторы серии РАДАН-303 выпускаются в ИЭФ УрО РАН на основе коммерческих соглашений. Установочные образцы проходили сравнительные и ресурсные испытания. Большинство эксплуатировавшихся приборов продемонстрировали безаварийную работу более 1 года.
1.2. Субнаносекундные импульсно-периодические генераторы
Разработки субнаносекундных высоковольтных генераторов явились развитием традиционной техники формирования*, основанной на вырезании короткого импульса из более длинного с помощью обостряющего и срезающего газовых разрядников. Такое устройство получило название СЛАЙСЕР (от английского slice: нарезать). Особое внимание было сосредоточено на создании систем с перестраиваемыми параметрами: амплитудой, длительностью, формой импульса, а также допускающих частоту повторения. Эти возможности субнаносекундных генераторов [29] в дальнейшем позволили применить их для получения и исследования динамики коротких электронных сгустков [43] и формирования сверхширокополосных радиоимпульсов [34]. В качестве наносекундных драйверов использовались генераторы РАДАН-ЗОЗ(А.Б). Выбор газовой среды для слайсера (азот, давление до 60 атм) был обусловлен тем, что, в отличие от жидких диэлектриков, скорость восстановления электрической прочности газовых разрядников в определенных пределах допускает режим работы с повышенной частотой повторения без продувки искровых зазоров [37].
Необходимым требованием к системе формирования и передачи субнаносекундных импульсов является широкополосность ее трактов. Ограничения радиальных размеров "сверху" (слайсер представляет коаксиал) связаны с возможностью возбуждения высших типов волн, обладающих частотной дисперсией. Уменьшение поперечного сечения является противоречивым требованием с точки зрения электрической прочности высоковольтной системы. Тем не менее, для параметров обостряемого импульса (~5 не, 150-200 кВ) оказалось возможным минимизировать диаметр 50-омного коаксиала слайсера до 40 мм, что позволяло, в принципе, передавать без искажений фронт ~ 50 пс. Искажения фронта импульса были также снижены при отказе от традиционной биконической конфигурации электродов (Рис. 10,а). Взамен была применена
*) Kovalchuk B.M., Mesyats G.A., Shpak V.G. Generation of Powerful Subnanosecond Pulses// ¡EEEProc. Pulsed Power Conf., 1D5. - lubbok, TX, USA.- 1976.
конфигурация (Рис.10,б), которая при вариации зазоров разрядников имела большую консервативность волнового сопротивления прилежащих участков коаксиального тракта [29].
Конструкция слайсера позволяла в рабочем режиме (на частоте повторения до 100 Гц) менять зазоры разрядников с помощью эксцентриковых механических приводов. Перемещение заземленного срезающего электрода не вызывало проблем. Привод подвижного электрода обострителя осуществлялся через конический тонкостенный изолятор, расположенный в зазоре коаксиала (радиальный размер 10 мм, раствор 60°). При длительности воздействия до 5 не этого было достаточно для безаварийной работы при предпробойном потенциале на внутреннем проводнике 300-350 кВ (в зависимости от частоты повторения). Соответствующие напряжении ости ~400 kB/см выдерживал и входной массивный капролоновый изолятор. Зазоры разрядников с точностью 10 мкм контролировались по измерительным эксцентрикам наружной установки, что обеспечивало воспроизводимую прецизионную настройку системы без разборки и разгерметизации. В результате имелась возможность: (1) при неизменном dU/dt фронта изменять амплитуду и длительность выходного импульса (фиксировался обостритель, настраивался срез); (2) при неизменной амплитуде изменять фронт (фиксировался срез, настраивался обостритель); (3) одновременно варьировать все три параметра при настройке обоих разрядников (Рис. 11). Дополнительные возможности коррекции формы заключались в вариации количества обостряющих зазоров (Рис. 10,в,г), в изменении давления азота и профиля электродов. Последние два варианта позволяли изменять форму предимпульса (Рис.12).
В слайсере с однозазорным обостряющим разрядником был получен импульс ~ 160 кВ с длительностью на полувысоте ~300 пс. Величина (dU/dt) на обостряющем зазоре с учетом предпробойного холостого хода составляла ~2х1014 В/с. Срезающий разрядник работал в условиях "бегущей волны" и при более высоком (dU/dt). Поэтому его зазор был меньше, чем в обострителе. В результате обеспечивалась пониженная индуктивность коммутатора, и задний фронт сформированного импульса был обычно в 2-3 раза короче переднего. Используя тот факт, что (dU/dt) и электрическая прочность возрастают на последующем искровом промежутке слайсера, при использовании трехзазорного обострителя был получен импульс ~150 кВ с длительностью на полувысоте 150 пс {dU/dt= 1015 В/с) (Рис.11,в). Длительность среза (50 пс) совпадала с переходной характеристикой регистратора - осциллографа КОИ-3.
Анализ стабильности импульсов слайсера был выполнен с помощью цифрового стробоскопического осциллографа Tektronix TDS-820 (полоса 6 ГГц). Дискретизация сигнала производилась через 10 пс за 500 импульсов при частотах повторения до 100 Гц. Т.к. обостритель настраивался на пробой при
делитель 1 i/ выход нс--I—[ драйвера
передающая линия 50 ом
делитель 2
блок
разрядников
блок делитель 3
разрядников i/
передающая линия 50 ом нагрузка
(\ делитель 4
Рис.10. Конструкция высоковольтного субнаносекундного формирователя (СЛАЙСЕРА). (а-г)- конфигурации электродов газовых обостряющих и срезающего разрядников. Рабочий газ: азот под давлением 40-60 атмосфер.
И
□
«'/////À
<¿¿¿///////////¿> ~ вГ
Рис.11. Возможности управления параметрами выходного импульса слайсера с одно-зазорным обострителем при перестройке зазоров срезающего (а) и обостряющего (б) разрядников. Наиболее короткий импульс, полученный с трехзазорным обострителем (в). Во всех случаях: давление азота 40 атм. Регистратор: осциллограф КОИ-3 (7 ГГц).
Рис.12. Возможности изменения длительности и амплитуды предъимпульса при настройке разрядников слайсера. Регистратор: дигитайзер ТеМгоШх-7250 (6 ГГц)
Рис.13. Изменение стабильности при увеличении длительности импульса слайсера. Регистратор: стробоскопический дигитайзер Tektronix TDS-820 (бГГц). Накопление: 500 импульсов на частоте повторения 100 Гц со сдвигом отсчетов через 10 пс.
-100 кВ, а среднее напряжение самопробоя разрядника драйвера было 150 кВ, то на обостряющем зазоре обеспечивались близкие предпробойные значения dll/dt для всей серии импульсов. Было показано, что длительность переднего фронта (t~150 пс/0,.0В; dU/dt-О.бхЮ15 В/с) оставалась стабильной при фиксированном обострителе. Из осциллограмм (Рис.13,а) следовало, что стабильность амплитуды 250-пс импульса была не хуже ±(2-3)%, а его длительности - ±25 пс. Вероятно, момент пробоя срезающего зазора стабилизировался ультрафиолетовым излучением искры обострителя. В отдельной серии измерений было показано, что увеличение зазора срезающего разрядника (то есть увеличение длительности импульса, например до 500 пс, Рис.13,6) приводит к наглядному росту нестабильности момента его пробоя, вплоть до значений ± (50-100) пс. Это связано с уменьшением перенапряжения зазора, хотя интенсивность подсветки оставалась неизменной. Отметим, что при предпробойном dU/dt~0.2х1015 В/с временная нестабильность включения обострителя относительно фронта импульса драйвера была порядка 100 пс [37].
Таким образом, были проведены конструкторские разработки, исследования и лабораторные испытания, показавшие возможность создания малогабаритных субнаносекундных генераторов, работающих с частотой повторения до 100 Гц. Особо следует отметить, что стабильность импульсов была достаточна для регистрации цифровым стробоскопическим осциллографом.
1.3. Синхронизация высоковольтных наносекундных генераторов
Применение наносекундных генераторов и сильноточных ускорителей в физических экспериментах существенно расширяется при повышении амплитудной стабильности выходных импульсов, обеспечении возможности их синхронизации в широком диапазоне и задержек с высокой точностью. Все эти возможности реализуются с помощью управления запуском коммутаторов высоковольтного или (и) первичного контуров импульсного генератора.
Микросекундная синхронизация наносекундного ускорителя (характерная для импульсных магнитных систем формирования и сопровождения пучков [1,23]) легко реализуется с помощью управляемых коммутаторов низковольтного контура трансформатора Тесла: разрядников, тиратронов или тиристоров. Причем коммутаторы последних двух типов имеют гораздо более высокие точности включения, а суммарный разброс времени запуска определяется уже характеристиками разрядника высоковольтного накопителя (См.Рис.6,7) [12]. Описанный в [17] 3-нс ускоритель РДДАН-220 с двухэлектродным разрядником был синхронизирован лазерным импульсом с точностью, близкой к ±1 не. Однако при дальнейшем планировании работ по управляемым высоковольтным коммутаторам от лазерных методов инициирования пришлось отказаться, так как необходимые лазеры существенно сложнее в эксплуатации и дороже
ускорителей РАДАН. Альтернативным методом прецизионного запуска было выбрано управление электрическим импульсом, облегченное для ДФЛ-генераторов РАДАН-303, имевших заземленный электрод разрядника. В этом случае не представлял проблемы ввод к разрядному промежутку субнаносе-кундного пускового импульса с сШ/сЛ вплоть до 1015 В/с. В разрядниках применялся азот с давлением Р<50 атм.
На первый план нами был поставлен наиболее сложный вопрос - достижение субнаносекундной точности включения разрядника при минимальных амплитуде и длительности пускового импульса. Важным представлялось определение границ диапазона управления разрядником с точностью <1 не при различных значениях напряжений самопробоя и параметрах пусковых импульсов. Диапазон управления определялся как нормированная разность напряжений самопробоя разрядника и управляемого пробоя: 6 = (и^-и^/и^ Предполагалось, что высокая точность включения может быть получена, если субнаносе-кундный импульс создаст на отрицательном пусковом электроде искажение поля (Рис.14), сравнимое с полем в разрядниках субнаносекундного слайсера [29]. Тем самым обеспечивается опережающее развитие субнаносекундного пробоя между пусковым электродом и противоположным ему потенциальным. Компьютерное моделирование* показало достижимость необходимых перенапряжений при амплитудах управляющего импульса 11=15+50 кВ, (Рис.15), которые были легко обеспечены субнаносекундным генератором [29]. В принципе, выходной импульс 50-омного слайсера может быть расщеплен для синхронного запуска ~10 разрядников. В режиме синхронизации генератора РАДАН-303 с точностью <1 не [39] на фронте выходного импульса всегда присутствовал субнаносекундный всплеск (Рис.16,а). Отсутствие всплеска неизбежно сопровождалось рассинхронизацией минимум на 1-2 не (Рис.16,6). Эти особенности отмечались при любых сочетаниях значений зазоров разрядника и потенциалов электродов на границе субнаносекундной точности включения. Так как длительность пускового импульса (ограниченная пробоем между управляющим и заземленным электродами) не превышала 0.3 не, то именно эта величина может считаться верхней оценкой достигнутой точности включения разрядника. Было показано, что при малом диапазоне управления (8=0.07) отношение энергии управляющего импульса к энергии, запасенной в ДФЛ, составляло 10"3. С увеличением диапазона управления до 0.7 это отношение возрастало до 5х10"г. При различных сочетаниях положений и потенциалов электродов, соответствовавших границе области точного запуска, была продемонстрирована линейная зависимость величины диапазона управления разрядником от расчетной напряженности нормальной компоненты электрического
') Тиунов М.А., Фомель Б.М.,Яковлев В.П. БАМ-Интерактивная программа для расчета электронных пушек на мини-ЭВМ// Препринт ИЯФ СО АН СССР 89-159. -Новосибирск,- 1989.-С.66.
5 Т- (мм)
'.|Ег|, кВ/см Ф, кВ.
2000 Ф ^^
1600 V о = 0.53
1200'
^ о = 0.06
800
400 0
Ъ (мм) '
О
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
200 160 120 80 40 О
Рис.14. Конфигурация электродов управляемого разрядника и карта электрических полей.
Рис.15. Распределение напряженности и потенциала электрического поля на оси разрядника для двух значений диапазона управления (ст)
к осциллографу
.4,
| задержка 13
делитель 1
задержка ^ •шиш задержка 1г
- | "
делитель 2
субнаносекундный генератор
ги 12 + 4нс
' передающая линия
разрядник
ДФЛ
нагрузка
0.8 0.6 0.4 0.2
делитель 1 делитель 2
Рис.16, а- Эксперимент по субнаносекундной синхронизации разрядника ДФЛ-генератора. б,в - Осциллограммы сигналов с делителей (к методу контроля точности включения)
объединенный разрядник
0.0
а сЯ, мм 62, мм
о 2 0
+ 3 0
Д 4 0
3 0.5
О 4 0.5
Ег, кВ/см
200
300
400
500
600
Рис.17. Диапазон управления разрядником при субнаносекундной точности включения в зависимости от напряженности электрического поля на положительном электроде.
Рис.18. Двухмодульная система на основе ДФЛ-генераторов РАДАН-303 с объединенным разрядником.
поля на потенциальном (положительном) электроде (Рис.17). Базирующийся на экспериментальных данных численный расчет распределения потенциала по оси разрядника показал, что для сохранения точности управления снижение напряженности квазиоднородного поля около потенциального электрода ДФЛ компенсируется усилением искажения вблизи управляющего электрода (Рис.15). Вероятно, такое поведение несет универсальную информацию о необходимых условиях формирования субнаносекундного пробоя газа высокого давления в промежутке с сильнонеоднородным электрическим полем. Одним из таких условий может быть возможность реализации режима убегания электронов, эмиттированных катодными факелами на отрицательном пусковом электроде.
Полученные данные о точности включения управляемого высоковольтного разрядника важны с точки зрения перспектив повышения амплитудной стабильности выходных импульсов наносекундного генератора, которая при прецизионной синхронизации будет ограничиваться уже временным разбросом включения генератора запускающих импульсов. "Тиратронная" точность последнего (Лт,<5 не) позволит получить значения ЛЦ/и= (с1и/с!1)Лг, <103.
Несколько ДФЛ-генераторов РАДАН-303 могут быть запущены вообще без относительного временного джиттера с помощью разрядника, электрод которого соединяет потенциальные электроды отдельных линий. В режиме зарядки высоковольтные накопители объединены, но после коммутации разрядника на землю ДФЛ разряжаются независимо, каждая на свою нагрузку (амплитуды всех выходных импульсов идентичны). Это позволяет с определенными оговорками считать секционирование генераторов методом "жесткой синхронизации" нескольких приборов. Ограничение на максимальное количество модулей связано с ростом потерь в коммутаторе, что происходит из-за увеличения разрядного тока пропорционально количеству параллельно включенных модулей. На данный момент нами была испытана двухмодульная система [39] с нагрузками в виде слайсеров [29] (Рис.18). Так как джиттер импульса' каждого слайсера относительно фронта обостряемого наносекундного составляет ± 50+100 пс (См. Раздел 1.2), то были сформированы два импульса длительностью ~ 0.5 не с указанным относительным джиттером. Привлекательность секционированной системы состоит в том, что если для каждого модуля решены вопросы сопряжения с нагрузкой, то изменение количества модулей не приведет к изменениям конструкции и лишним проблемам согласования, характерным для машин с одним низкоомным высоковольтным накопителем и расщеплением выходного импульса к параллельным нагрузкам.
Субнаносекундная точность синхронизации может быть определяющим фактором в исследованиях динамики быстропротекающих процессов с применением электронно-оптических методов регистрации. Наносекундные
генераторы и ускорители с независимой прецизионной или "жесткой" синхронизацией открывают новые возможности создания фазированных или синхронных излучателей СВЧ и радиочастотного диапазонов с единичными сверхмощными элементами.
2. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ 2.1. Автономные электронные ускорители и рентгенаппараты
При расчетах генераторов РАДАН учитывалась как специфика конкретной нагрузки, так и любой, применявшейся нами ранее, начиная с выпускавшихся НПО "Светлана" отпаянных рентгеновских и электронных вакуумных диодов со взрывоэмиссионными катодами (серия ИМА). В итоге выходные узлы генераторов унифицировались, конкретизировались требования к рабочим параметрам и определялся необходимый диапазон их настройки или регулировки, отрабатывались вопросы согласования и электромагнитной совместимости различных блоков. Решение этих проблем наравне с конструктивными и схемными позволило перевести уникальные установки в разряд многофункциональных приборов.
Автономные рентгенаппараты типа РАДАН-220 [3,12] использовали серийные неуправляемые разрядники в низковольтном (Р-26) и высоковольтном (Р-49) контурах ТТ и отпаянные рентгеновские трубки, рабочие напряжения которых также не регулировались, но допускали заметный разброс от образца к образцу. Штатные амплитуды импульса положительной полярности на аноде трубки (катод трубки ИМА5-320Д заземлен) обеспечивались при фиксированном коэффициенте трансформации ТТ с помощью подбора пары упомянутых разрядников по напряжениям самопробоя. Для разных нагрузок амплитуда импульса и момент пробоя высоковольтного разрядника могли в некоторых пределах изменяться, т.к. в общем случае в процессе зарядки ФЛ межэлектродный потенциал разрядника представлял зарядное напряжение линии, промодулиро-ванное колебаниями в выходном 1.-С контуре, образованном емкостью потенциального электрода нагрузки на землю С„ и развязывающей индуктивностью Ц, Рис.5). Эффект зависел от глубины модуляции, определяемой связью высоковольтного (ТТ) и выходного 1_-С контуров через межэлектродную емкость разрядника Ср и от соотношения собственных частот данных контуров [15].
В разработанном переносном аппарате РДЦАН-ЭКСПЕРТ [38] (Рис.19) перестройка напряжения пробоя (90 или 150 кВ) герметичного разрядника осуществлялась с помощью дополнительного подвижного электрода (Рис.20) с инерционным приводом. Электрод фиксировался в двух положениях с помощью магнитных замков, а смена положения осуществлялась при резком встряхивании прибора в осевом направлении. Перестройка выходного напряжения
Рис.19.
Спецификация, внешний вид и конструкция автономного наносекундного рентгенаппарата (электронного ускорителя) РАДАН-ЭКСПЕРТ
Спецификация аппарата
РАДАН-ЭКСПЕРТ
Напряжение 90-150 кВ
Импульс 2 не
Фронт 0.3-0.5 не
ФЛ 20 Ом
Частота ю Гц
Потребление 100 Вт
Питание =12В/~220В
Масса 8 кг
Габариты 400x200x100мм3
трубка разрядник термо- формирующая
ИМА2-150Д компенсатор линия
ч - 400 мм
Рис.20. Конструктивная схема электродной системы разрядника аппарата РАДАН-ЭКСПЕРТ с переключаемым напряжением самопробоя
Рис.21. Фрагмент ренгеновского снимка упаковки с "неизвестным" содержимым. Экспозиция 6 секунд
аппарата ЭКСПЕРТ была необходима при работе с рентгеновской трубкой ИМА2-150Д, поскольку в этом случае расширялся диапазон плотностей объектов, доступных для оперативного рентгенографирования в нестационарных условиях (Рис.21). Эффективность зарядного устройства высоковольтного генератора позволяла использовать как сетевое питание, так и автономную 12-В аккумуляторную батарею. За импульс на расстоянии 500 мм аппарат ЭКСПЕРТ обеспечивал дозу 0,35 мР. Частота повторения составляла 5-10 Гц, в зависимости от степени разряда батареи, емкости которой (4 А-час) было достаточно для 10" импульсов (~ 200 снимков).
Генераторы РАДАН-220 с рентгеновскими трубками ИМА наряду с промышленной рентгенодефектоскопией [3] применялись для исследований биологического и терапевтического воздействий импульсного рентгеновского излучения. Для таких экспериментов было важно максимизировать интегральную по спектру дозу облучения. В [13] было показано, что "энергетически-выгодным" с этой точки зрения является рассогласованный режим, когда импеданс трубки с холодным катодом приблизительно в 5-6 раз превосходит выходное сопротивление генератора (~20 Ом).
В тех случаях, когда использовались отпаянные трубки с берилиевым окном для вывода пучка в атмосферу (исследования радиационно-химических процессов, поверхностной стерилизации и т.д.), было важно сконцентрировать энергию генератора в основном импульсе и минимизировать отражения. Это связано с наличием границы прозрачности берилиевой фольги, ниже которой низкоэнергетичные электроны отраженных импульсов поглощаются и перегревают окно на повышенных частотах повторения. При работе с электронным отпаянным диодом ИМАЗ-150Э преимуществами обладают ДФЛ-генераторы РАДАН-303 с импедансом ~50 Ом, которые даже без применения согласующих линий могут передавать в основной электронный импульс более 50% энергии. ДФЛ-генератор РАДАН-303 может работать с несколькими параллельными электронными диодами. Система с двумя диодами (Рис.22), дополненная вращающимся предметным столиком и механическим приводом, расположенными внутри портативной защитной камеры, а также системами защиты и управления, представляет специализированную установку для радиационно-технологической обработки объектов, стерилизации микроорганизмов (Рис.23) и т.д. [30,32,33]. Вращающиеся контактные сочленения высоковольтных фидеров и 90-градусные повороты позволяют без разгерметизации менять ориентацию диодов, т.е. зону электронного облучения. При двухсторонней обработке на частоте 10-15 Гц поверхностный стерелизующий эффект (доза 1.5-4 Мрад) достигается на объектах диаметром ~80мм за 10-20 с [35,40]. Таким образом, при ресурсе электронных диодов ~105 импульсов может быть выполнено ~103 обработок, что достаточно для применений прибора в лабораторной практике.
б
коаксиальный фидер изолятор катод фольговое окно
облучаемый объект
вращающийся столик электронная трубка ИМАЗ-150Э ч. свинцовый ^защитный корпус, 5 мм
Рис.22. Лабораторная установка для радиационно- технологических тестов.
а- Нагрузка высоковольтного генератора РАДАН-ЗОЗБ в виде двух параллельно-включенных отпаянных электронных диодов.
б- Схема расположения элементов внутри защитной камеры и зона облучения объекта при поверхностной обработке.
в- Внешний вид установки
Энергия электронов 150-250 кэВ Масса прибора 60 кг
Потребляемая мощность ~200 Вт
Рис.23. 100% летальная доза D100 для некоторых видов микроорганизмов в зависимости от начальной концентрации посева бактериологической культуры.
1 - Bacillus subtilis;
2 - Staphylococcus albus,
Staphylococcus aureus,
1.2 DlOO, Мрад
0.8 - о/"
0.4 - ^
I ---- 7 c, 1 /см
106 107 108 109
2.2. Электронные ускорители с широкоапертурными пучками
Использование отпаянных электронных диодов упрощает работу с ускорителем, однако эксплуатация таких систем в технологических эксперимен-нтах осложнена из-за ограниченного срока службы катодов и фольговых окон. Представляет проблему равномерное облучение объектов с площадью значительно большей, чем сечение пучка. В этом плане более выгодны широкоапер-турные диоды с непрерывной откачкой, у которых предусмотрена замена катода и фольгового окна. Размеры и форму пучка таких диодов можно выбирать в широких пределах, однако необходимо учитывать проблемы согласования генератора с нагрузкой, а именно - соотношение емкости Ф/1 и собственной (межэлектродной) емкости диода. Если они сравнимы, это может привести к снижению напряжения на катоде, и к необходимости увеличения напряжения генератора, что для малогабаритных систем не всегда приемлемо. Между тем, короткий импульс может распространяться вдоль электродов диода протяженной конфигурации, как в длинной, согласованной с генератором линии. Емкость такого диода (распределенный параметр) будет заряжаться по мере прохождения фронта импульса, т.е. в режиме бегущей волны. Предложенная конструкция в [28] была названа диодом бегущей волны (ДБВ) (Рис.24) и представляла вакуумную коаксиальную линию, электрическая длина которой (2 и/с) больше длительности фронта импульса напряжения ) но не превышает длительность импульса (электрическую длину ФЛ) генератора РАДАН-303 (/„): 1Ф<< 2 1./С ~ ?и .
Высоковольтный импульс подается на согласованный с генератором конец линии, в то время как противоположный разомкнут. Здесь падающий импульс отражается и движется в обратном направлении. Катод расположен вдоль линии, поэтому "включается" по мере прохождения падающей волны. Таким образом, ленточный электронный пучок является распределенной нагрузкой, а сама линия представляет длинную линию с потерями: падающая волна напряжения доходит до разомкнутого конца линии с уменьшенной амплитудой. На разомкнутом конце происходит удвоение напряжения. При равенстве электрических длин ДБВ и ФЛ (/„ ~ 2 4/Ь) в некоторый момент времени реализуется ситуация, когда в любой точке диода присутствуют как падающая, так и отраженная волны. Таким образом, напряжение на каждом участке зазора анод-катод является результатом динамического суммирования напряжений падающего и отраженного импульсов.
При /ф > 2 Цс устройство является обычным диодом, в котором сразу заряжается емкость .всего зазора анод-катод, то есть катод можно считать эквипотенциальным. При 2 Цс > ток на входе диода разделяется на два импульса: сперва "работает" падающий импульс, а затем с задержкой -отраженный. Они разнесены во времени и их амплитуды не складываются.
хж * "л
и
I Электронный пучок 1_=480 мм |
Рис.24. Диод с ленточным пучком длиной 110 мм (1.5Дж/имп.) и диод бегущей волны (ДБВ) с длиной ленточного пучка ~500 мм (~1 Дж/имп.). Режим работы: продолжительный, на частоте повторения до 25 Гц
0.3 0.2 0.1 0.0
Дж/имп. I 'уг.-.т.-. г .-.т.-" 1
2
3*
1, см
.!
1 1 1
16
32
Рис.2б. Поперечное сечение ДБВ
Рис.25. Конфигурация линии ДБВ с корректным вариантом перекоса катода (а).
Настройка равномерности энерговыхода пучка за фольгой при перекосе катода. Длина калориметра - 16 см (б).
Формы импульсов тока на входе (в) и на выходе диода (г). Энергии электронов в "пиках тока" раличны.
Дж/имп.
1.5
1.0
0.5
и, кВ
0.0 , 1 1
180 200 220 240
Рис.27. Энерговыход диода (1=110) с А1-Ве-окном 35 мкм при изменении ускоряющего напряжения
Поэтому подсаженный по амплитуде отраженный импулс после возвращения на вход диода может не обеспечить энергию ускоренных электронов, достаточную для прострела фольгового окна.
Выполнение условия í„ ~ 2 L/c также означает, что совокупность параметров: напяжение, ток пучка и длительность импульса будет существенно различаться в каждой точке ДБВ (Рис.25,а,в). Возможность реализации равномерного интегрального энерговыхода пучка вдоль такого диода была показана экспериментально при калориметрических измерениях [28], (Рис.25,б) и связана с тем, что, например, недостаток амплитуды напряжения на входе компенсировался большим временем работы катода на этом участке при пониженном напряжении, но при большем токе. Величина зазора катод-анод увеличивалась по направлению распространения падающей волны. В этом случае надлежащим образом корректировалось распределение напряжения и тока пучка вдоль ДБВ. При согласовании выхода линии ДБВ с помощью резистивной 50-омной нагрузки "настройка" равномерности энергии пучка нарушалась, причем искажение достигало по меньшей мере 5-ти кратного.
В конструкции диодов длиной 110 и 500 мм (Рис.24,26) [28,31] был использован холодный катод, действие которого основано на взрывной эмиссии в тройной точке металл-диэлектрик-вакуум*. Он выполнен в виде двух рядов керамических (22ХС) пластин, к внутренней стороне которых прижат ряд упругих металлических острий. Шаг острий определял равномерность распределения плотности тока пучка на аноде. Искажение профиля силовых линий электрического поля в области зазора катод-анод за счет наличия керамики носило фокусирующий характер для электронного пучка, в результате чего имелась возможность минимизировать потери тока на апертуре фольгового окна с вакуумной стороны (ширина 10 мм). ДБВ имели легкосменные катододержатель с консольным креплением и фольговое окно толщиной 35-50 мкм из композиции Al-Be (50-50%), отличающейся хорошей теплопроводностью и достаточной прозрачностью для электронов (Рис.27). Корпус из алюминиевого сплава выполнял функции радиатора для термически нагруженной фольги окна, поэтому система допускала продолжительные включения на частоте повторения до 25 Гц. Конструкция вакуумного окна предусматривает замену фольги в течение 1 минуты, хотя реальный ресурс при плотности тока на окне до 300 А/смг был не менее 10е импульсов. Этого вполне достаточно для экспериментов по радиационно-химической обработке полимерных материалов, для лабораторных тестов по идентификации редких минералов по их катодолюминесценции и т.д.
*) Mesyats G.A. Physics of electron emission from ferroelectric cathodes// Proc. of XVI Int. Symp. ISDEIV, Vol.2259.-Russia,-1994,-P419-422
2.3. Субнаносекундный электронный ускоритель
Вакуумные диоды с холодными катодами стандартной конфигурации (трубка-плоскость; острие-плоскость и т.д.), использовались ранее* в качестве нагрузок субнаносекундных высоковольтных формирователей для получения электронных пучков с длительностью <1 не и плотностью тока >105-108 А/см2. Диоды представляли ускоряющие промежутки с фольговым анодом для вывода пучка в атмосферу или с анодом из тяжелого металла для генерирования рентгеновских импульсов. Реализация на базе драйвера РАДАН-303 формирователей стабильных 300 пс-импульсов с перестраиваемыми параметрами [29] определила возможности создания специализированного субнаносекундного ускорителя прямого действия (Рис.28) [43] и генерирования сверхкоротких СВЧ-импульсов большой мощности [42,44,45]. В этих экспериментах требовались пучки с t<500 пс (длина сгустка - на уровне 5-10 см) .
Импульс слайсера по неоднородной линии (50-80 Ом) подавался в коаксиальный вакуумный диод с магнитной изоляцией (КДМИ) и обеспечивал на катоде ускоряющее напряжение амплитудой до 250 кВ. Графитовый трубчатый катод диаметром 4 мм находился в области однородного магнитного поля (10-20 кЭ), создаваемого импульсным соленоидом. В поле этого же соленоида была расположена дрейфовая камера диаметром 10 мм и длиной 30 см, отделенная от катода коллиматором. Меняя коллиматор, можно было на порядок уменьшать ток пучка, оставляя неизменной амплитуду ускоряющего импульса и геометрию КДМИ. Остаточное давление в дрейфовой камере составляло -М'МО*4 Тор. Поперечная структура субнаносекундного пучка фиксировалась за один импульс по отпечаткам на дозиметрической пленке ЦДП-Ф2-2, которая устанавливалась на подвижном коллекторе в различных точках дрейфовой камеры. Прохождение пучка через набор пленок позволяло оценивать максимальную энергию электронов.
В экспериментах было необходимо изучить специфику формирования трубчатого электронного пучка в КДМИ при малой длительности ускоряющих импульсов. Короткие однократные процессы ~(1-2)хЮ"10с уже доступны для регистрации с помощью существующей осциллографической техники (например, дигитайзера Tektronix-7250), однако потребовали разработки датчика тока пучка [43] с адекватной переходной характеристикой. Эта измерительная техника позволила в реальном масштабе времени исследовать динамику токового импульса электронного сгустка при его транспортировке в дрейфовой камере с аксиальным магнитным полем, и, в частности, - применить времяпролетный метод анализа продольной скорости электронного импульса. Экспериментальные данные сравнивались с результатами численного моделирования
*) Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Шпак В.Г. Генератор субнаносекундных электронных пучков// ПТЭ.-1976.-N6.-C.73-75
нестационарных процессов в диоде ускорителя и на участке дрейфа сгустка. Использовалась аксиально-симметричная версия 2.5 и 3-х- мерного полностью электромагнитного кода КАРАТ*.
Для планировавшихся исследований по релятивистской СВЧ-электронике [42,45] было важно определить ограничения на формирование в ускорителе прямого действия плотного электронного пучка предельно-малой длительности. Для этого "вольт-амперная характеристика" КДМИ (Рис.29) снималась в условиях, когда изменялись как величина ускоряющего напряжения на катоде, так и параметры (длительность и амплитуда) наносекундного предимпульса, возникавшего из-за наличия проходной емкости электродов обостряющего разрядника в высоковольтном генераторе (Рис.12). Выяснилась определяющая роль предимпульса в процессе инициирования эмиссионных центров; при этом его длительность была, как правило, более критичной, чем амплитуда. Для импульсов с tos<300 пс и напряжением ~75 кВ (здесь, и ниже в разделе #2.3, имеется в виду амплитуда бегущего импульса) "сильноточный" пучок вообще не был получен (Рис.30). С ростом амплитуды до ~120 кВ и при увеличении времени воздействия предимпульса, с катода можно было снять больший ток даже при меньшей длительности ускоряющего напряжения (Рис.31). Важно, что в таком режиме увеличивалась не только амплитуда импульса тока, но и интегральный заряд сгустка: Q = ¡I(t)dt .
Нерегулярность формы субнаносекундного импульса ускоряющего напряжения (Рис. 12,13) предопределяла динамический характер неоднородности продольной энергетической структуры пучка. Продольная динамика электронов внутри плотного сгустка препятствует формированию пучков малой длительности. Пространственный заряд быстрых электронов, эмиттированных при максимальном ускоряющем напряжении, уже на входе дрейфовой камеры доускорял изначально-лидировавшую низкоэнергетичную фракцию. В принципе, здесь же могли иметь место обгоны. Как следствие, на расстоянии ~3 см от катода формировался продольный кросовер (Рис.32) - такая структура сгустка, где он наиболее компактен; при этом амплитуда импульса тока максимальна. Увеличение длины транспортировки приводило к падению амплитуды импульса тока, что сопровождалось согласованным расплыванием сгустка по длительности (Рис.33).
Поперечная структура короткого импульса имела свои особенности. Как в эксперименте, так и в численном моделировании было показано [43], что сильно-редуцированный коллиматором (в 5-10 раз) ток субнаносекундного пучка приобретал двугорбую форму (Рис.34). Происходило коллимирование
*) V.P.Tarakanov, User's Manual for Code KARAT, Berkeley Research Associates, Inc., VA, USA, 1992
ДФЛ-генератор слайсер неоднородная КДМИ дрейфовая
линия 50-80 Ом л камера 30 см
Рис,28, Схема сильноточного субнаносекундного электронного ускорителя
1000
500
0 50 100 150 200
Рис.29, Зависимость амплитуды тока субнаносекундного электронного пучка на входе в дрейфовую камеру, полученная при уменьшении напряжения на катоде методом "вариации среза". Обострптель фиксирован.
О 0.5 1.0 1.5 2.0
Рис.30, Зависимость амплитуды тока пучка на входе в дрейфовую камеру, полученная при фиксированном ускоряющем импульсе и изменении параметров предимпульса (Рис.12)
94 кВ
300 пс
360 А
1.0
0.5
0.0
Д 'Лыакс
L, см
16
24
Рис.31. Иллюстрация: Ускоряющий импульс уменьшенной длительности с затянутым предимпульсом (в) обеспечивает больший пик тока и полный заряд в субнаносекундном электронном сгустке (г). Регистратор: Tektronix 7250 (6 ГГц). Воспроизводимость как и на рис.36.
Рис.32. Зависимость пиковой амплитуды тока электронного сгустка (максимум 930 А) от точки измерения тока в дрейфовой камере.
электронов, эмиттированных с цилиндрической поверхности трубчатого катода при ускоряющих потенциалах, превышавших некоторое значение. В дрейфовую камеру попадали электроны с малыми радиусами циклотронных орбит, в основном эмиттированные на фронте и в конце субнаносекундного ускоряющего импульса. Средняя "высокоэнергетичная" часть импульса наиболее эффективно отсекалась. Хорошо выраженный провал импульса тока свидетельствовал о том, что значительная часть быстрых электронов выходила с прилегающей к острой кромке цилиндрической поверхности катода. При инжекции из эмиссионных центров в этой области электроны "раскручиваются" в скрещенных электрическом и магнитном полях с наибольшими радиусами. Таким образом, круглый коллиматор не просто уменьшал количество частиц с большими поперечными скоростями, но выполнял роль "фильтра высоких энергий" и качественно менял продольную структуру сгустка.
При транспортировке пучка с током ( I ~1 кА, ] ~104А/смг) происходило значительное ускорение части электронов (до -1.5 крат, в зависимости от длины дрейфа [43]). Такие данные были получены из анализа глубины прострела пучком пакетов дозиметрических пленок (Рис.35,а) и находились в качественном согласии с результатами измерения скорости движения "полувысоты" фронта токового импульса пучка (Рис.35,б). Измерения времяпролетным методом представляются корректными для подобной оценки в силу высокой линейности развертки цифрового осциллографа Тек-7250. Они имели "временную" воспроизводимость (-10-20 пс) при достаточно стабильных параметрах токового импульса пучка (Рис.36). Механизмом дополнительного ускорения могло быть автоускорение части электронов в поле волны пространственного заряда, возбуждаемой в плотном электронном потоке. Численное моделирование дало сходные результаты (Рис.35,в) и показало, что 1- компоненты электрического поля такой волны могут достигать значений в десятки кВ/см, а наиболее высокоэнергетичная фракция электронов сосредоточена на переднем фронте пучка. В экспериментах и численном моделировании также было обнаружено, что прирост энергии электронов зависит от величины тока пучка на входе в дрейфовую камеру [43,48].
Полученные данные об особенностях генерирования и динамики коротких прямолинейных сильноточных пучков были необходимы для проектирования и настройки более сложной системы поперечной раскачки и магнитного сопровождения электронного сгустка, типичной для гирорезонансного СВЧ-прибора [42]. Времяпролегный анализ скорости движения сгустка оказался применим для прямой верификации такой сложной характеристики, как питч-фактор (отношение поперечной и продольной скоростей) замагниченных электронов.
1=2.5 см
1=10 см
1=25 см
25 "
50 "
п
0.5 нс
0.5 не
0.5 не
Рис.33. Падение амплитуды импульса тока субнаносекундного пучка по мере транспортировки в дрейфовой камере. Изменение длины транспортировки (от катода) 1-24 см.
Рис.34. Трансформация импульса тока сильно-колли мированн ого субнаносекундного сгустка по мере его транспортировки в дрейфовой камере
5 о
1Л <м
II
2 о ю II.
I
О;
(41"
"Л
О
#
Рис.35. Увеличение энергии части электронов субнаносекундного сгустка при транспортировке в дрейфовой камере:
а- прострел пучком пакета дозиметрических пленок; б- измерение смещения "полувысоты" фронта токового импульса: Регистратор Тек-7250; относительная привязка не хуже 20 пс; в- численное моделирование динамики фазового портрета: (код "КАРАТ")
\ \
240мм 360мм
(Рг/т с)=(у2-1)'/г
0.8 не
Ума,с=1-7 (350 кэВ) 1.3 не -—-^
.........
1.5 нс
см
30
12 1
Рис.36. Разброс амплитуд импульсов тока субнаносекундного электронного пучка. Данные по 50 импульсам. Регистратор Тек-7250
0 Л
5.5%
750
810
870
990
3. ИСТОЧНИКИ МОЩНОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ
3.1. Релятивистские миллиметровые СВЧ-генераторы серии МГ
Надлежащая государственная поддержка работ в области релятивистской высокочастотной электроники определила в 70-80 годы быстрый прогресс при создании мощных СВЧ-генераторов, допускавших высокую частоту повторения. В результате усилий коллективов ИПФ РАН и ИСЭ СО РАН наиболее детально исследованными теоретически и продвинутыми в практическом отношении оказались релятивистские генераторы обратной волны (ЛОВ) сантиметрового диапазона. Были предприняты попытки спроецировать данные результаты и в миллиметровый диапазон длин волн*, однако быстро выяснилось, что работа в этом направлении требует не только миниатюризации электродинамических систем ЛОВ, но и создания специальных сильноточных ускорителей. Существовавшие экспериментальные установки имели высокую энергетику пучка (мощность, длительность), которую по различным причинам было трудно полностью трансформировать в энергию СВЧ-импульса. В то же время, определился круг потребителей новых СВЧ-приборов (радиобиология, медицина, электроника и т.д.), которым требовались малогабаритые, недорогие и автономные источники сверхмощного СВЧ излучения с высокими удельными параметрами. Имея в виду эту ситуацию, с 1980 года автором были начаты разработки генераторов миллиметрового диапазона с использованием малогабаритной ускорительной техники [1,2,16]. На настоящий момент генераторы серии МГ- это наиболее компактные релятивистские СВЧ-приборы миллиметрового диапазона [20,23,25], не имеющие мировых аналогов (Рис.37-40). Разработка и испытания компактных СВЧ-приборов потребовали создания новых устройств СВЧ-диагностики [11,14], проведения специальных исследований [4,6,21], применения адекватных технологий и схемотехнических решений [9].
В СВЧ-генераторах МГ использовались слаборелятивистские сильноточные пучки с энергией от 150 [1] до 300 кэВ [27]. В нижнем пределе энергий было сложно обеспечить оптимальные условия энергообмена электронов с синхронной "-1" пространственной гармоникой волны Е0, круглого гофрированного волновода (замедляющей системы, ЗС, Рис.41): поле сильно "прижато" к стенке волновода. Поэтому достигался к.п.д. в единицы процентов, а мощности были на уровне до 10 МВт (Рис.37-39) [1,2,4]. Эту ситуацию удалось значительно улучшить с применением ускорителя РАДАН-303 (250-300 кэВ) и для ЛОВ на частотах 35 и 70 ГГц стало возможным повысить эффективность до 15% при выходной мощности -50 МВт (Рис.40) [19]. Релятивистские ЛОВ диапазона 70 ГГц, и, тем более, экспериментальный образец прибора на 140 ГГц {1=2 мм, Рвых~10 МВт) другими исследователями не воспроизводились.
*) Иванов B.C., Ковалев Н.Ф., Кременцов С.И., Райзер М.Д. Релятивистский карси-нотрон миллиметрового диапазона // Письма ЖТФ.-1978.-т.4, вып.14,- С.817-820.
Рис.37. СВЧ-генератор МГ-1 на основе высоковольтного блока аппарата МИРА-2Д (ЛОВ: 35 ГГц; 3 не; ~2 МВт).
Рис.38. СВЧ-генератор МГ-2 на базе аппарата РАДАН-2252 (ЛОВ: 70 ГГц; 2.5 не; 10 МВт; Ю Гц).
Рис.40. СВЧ-генераторы МГ4-МГ6 на основе РАДАН-ЗОЗА(Б) (ЛОВ: 35, 33 и 70 ГГц; 4 не; 10-50 МВт; до 25 Гц).
Рис.41. а- Свечение матричной панели из газоразрядных индикаторов (МГ4: Е01; 35 ГГц; 4 не, 50 МВт; один импульс). б-микроволновый пробой воздуха в сходящемся приемном рупоре с выходной апертурой диаметром 15 мм (15 МВт;
а - г.* ».ч«:»»* • .
' V»«»*«*»•
» • * « г » *,> К » *»вч.»'
• »•< V.: ■?>•» ЩЬШ V-
• #'#«.• « •".•'о '
■ V 0- * ё * * « * * • *■* '* « »."> -
Длительность пучков < 5 не была выбрана нами отчасти потому, что в сантиметровом диапазоне волн на больших временах были обнаружены эффекты ограничения длительности СВЧ импульса из-за пробоев электродинамических систем одномодовых генераторов (сечение ЗС~>.2). В нашем случае удалось значительно (в 2-4 раза) увеличить плотность потока энергии в ЗС, работавшей без пробоев, или, во всяком случае, без их видимого влияния на работу прибора. Таким образом, было достигнуто значение ~ 0.5 ГВт/см2. При этом напряженности электрических полей на стенках ЗС составили ~ 1 МВ/см. Важно отметить, что генераторы работали в условиях технического вакуума (1-5)х10'гТор, сверхчистые материалы и технологии обработки поверхности ЗС не использовались. Высокая мощность позволила получить данные о пробивной прочности воздуха в СВЧ-поле 35 и 70 ГГц на малых временах (Рис.41). При длительностях -4 не для воздуха импульсное пробивное поле как минимум вдвое превышало статическое [21 ].
Для пучка малой длительности снимались проблемы его уширения из-за поперечного разлета катодной плазмы в магнитоизолированном диоде. Ограничения на величину аксиального магнитного поля электронного СВЧ-генератора были, тем не менее, жесткими [6,23]. Требовалось сформировать трубчатые пучки диаметром 2-5 мм, с током ~1 кА, при характерной толщине "стенки" пучка 0.3-0.5 мм. Более того, такие пучки с плотностью тока 104 А/см2 и выше нужно было проводить вдоль ЗС на сравнимом расстоянии от гофры. Транспортировка без потерь тока была возможна лишь в аксиальном магнитном поле напряженностью >20-30 кЭ, однако на рабочий диапазон напряженностей накладывали ограничения условия циклотронного резонанса электронов с встречной основной гармоникой волны (Рис.43). В результате, для достижения предельных мощностей 35-ГГц ЛОВ требовались поля импульсного соленоида ~ 40-50 кЭ [25]. Эти величины достигались для систем с однократным режимом работы. При подходе к "циклотронному резонансу" со стороны малых полей качество транспортировки падало, однако резко снижалась и энергетика импульсного соленоида, который здесь уже мог работать с частотой повторения, определявшейся теплоотводом катушки и мощностью зарядного устройства конденсаторного накопителя [23,25]. При работе в полях 15-20 кЭ обычно требовался подбор диаметра катода с точностью ~0.1 мм и еще более точная юстировка КДМИ и ЗС.
Малая длительность импульса ускоряющего напряжения и, как следствие, миниатюрная геометрия КДМИ позволили реализовать кардинальный путь решения практически-важной для сильноточного релятивистского СВЧ- генератора проблемы "источника' магнитного поля" (Рис.44). С учетом опыта проектирования магнитных систем для 70-ГГц ЛОВ была разработана фокусирующая система с квази-соленоидальным профилем поля на основе высококоэрцитивных
со X/
: »1
2к/й
Рис.42. Дисперсионная характеристика релятивистского генератора обратной волны (ЛОВ) с гофрированной замедляющей системой (период гофры - с1)
0.00
0 10 20 30 40 0 10 . 20 30 40 Рис.43. Типичные зависимости выходной мощности релятивистских ЛОВ миллиметрового диапазона от напряженности ведущего магнитного поля. Резонансное магнитное поле: Н,е5= (2л/с!)(тс2/е)у/Зе
Рис.44. Релятивистская ЛОВ диапазона 70 ГГц на основе ускорителя РАДАН-ЗОЗБ и постоянной магнитной фокусирующей системы из высококоэрцитивных магнитов Ыс1-Ре-В
80 60 40 20 о
Р), мм ___Нг, кЭ
\ . ХЧ-1
24
- 18
12 к
03
5
6 т-
б а • 2 мм
5 не
2, мм
Рис.45. Конфигурация постоянного магнита релятивистской ЛОВ и профиля его поля (1) в сравнении с импульсным соленоидом СВЧ-генератора МГ-бВ (2)
Рис.46, а- Отпечаток пучка на полимерной пленке (на входе ЗС) б- СВЧ-импульс ЛОВ с постоянным магнитом.
Регистратор: осциллограф 07-19
постоянных магнитов Nd-Fe-B (ПМФС) [41]. Входной участок ПМФС охватывал снаружи миниатюрный корпус КДМИ вместе с вакуумным изолятором. В результате, реверс магнитного поля был значительно смещен от катода в сторону изолятора. Катод располагался на нарастающем участке поля (-10 кЭ), а ЗС-в однородном попе ~ 14 кЭ (Рис.45). В экспериментах и численном моделировании было показано, что ослабленное поле в области катододержателя было причиной генерирования шунтирующего паразитного пучка [47], не позволившего достичь оптимального превышения рабочего тока ЛОВ над стартовым (500 А). Тем не менее, выходная мощность релятивистской 70-ГГц ЛОВ с ПМФС при токе пучка 800 А достигала 1 МВт (Рис.46), а частота повторения импульсов (100 Гц) лимитировалась уже только ускорителем РАДАН-ЗОЗБ.
3.2. Релятивистский сильноточный усилитель диапазона 35 ГГц
Первое десятилетие развития экспериментальной релятивистской высокочастотной электроники в СССР (вплоть до середины 80-х) практически целиком было посвящено исследованиям автогенераторов, хотя в теории приоритетов между сильноточными релятивистскими усилителями и генераторами не выделялось. Причина состояла в том, что экспериментальное исследование мощного СВЧ-усилителя представляет более сложную задачу. Она связана с привлечением дополнительного оборудования и решением таких вопросов, как подавление самовозбуждения прибора, обеспечение электрической прочности трактов задающего генератора и его синхронизации. Отдельная проблема -ввод СВЧ-излучения в пространство взаимодействия усилителя. Успешная реализация мощных миллиметровых генераторов с коротким электронным пучком позволила нам поставить эксперименты [7,10] для доказательства принципиальной возможности создания мощного СВЧ-усилителя миллиметрового диапазона с черенковским механизмом взаимодействия. На момент постановки эксперимента (1984 г.) сведений об исследовании аналогичных усилителей с сильноточным электронным пучком не имелось.
Схема ЛБВ-усилителя с синхронной "+1" пространственной гармоникой гибридной моды НЕ,, круглого гофрированного волновода (Рис.47) отличалась простотой реализации. Была разработана эффективная схема ввода СВЧ-сигнала магнетрона в пространство взаимодействия (Рис.48). Основными элементами конструкции являлись волноводный направленный ответвитель с большой связью и плавный переход с прямоугольного волновода на круглый. Импульс магнетрона проходил через ЗС усилителя навстречу электронному пучку. Только после отражения волны от запредельного сужения, расположенного вблизи "катодного" конца ЗС, могло выполняться условие синхронизма электронов с попутной пространственной гармоникой рабочей моды.
Рис.47. Дисперсионная характеристика релятивистского СВЧ-усилителя с синхронной "+1" пространственной гармоникой волны НЕ,, круглого гофрированного волновода
и< 130 кВ
е кВт
61 Н= 40 КЭ
11= 250 кВ 0 Н= 40 кЭ
1 МВт
Рис.48. Конструктивная
схема релятивистского
СВЧ-усилителя миллиметрового диапазона
I - катод
2- замедляющая система
3- волноводный переход
4- вакуумное окно
5- направленный ответвитель
6,7- СВЧ-детекторы
8-10-.СВЧ-аттенюаторы
II - магнетрон
Рис.50. Зависимость коэффициента усиления от величины ускоряющего напряжения на катоде.
Рис.49. а - импульс ускорителя; б - резонансное поглощение входного сигнала; з - режим большого усиления.
10
Ю
10 г
Г Ро«. Вг г
: у . 1 1 , 1 Рщ. Вт ,|1 1 м,|
Рис.51. Зависимость мощности выходного сигнала усилителя от входного сигнала магнетрона для двух значений коэффициента связи пучка с синхронной гармоникой
1000 ■ Рои,.
800 Н2=40 кЭ
600
400 л
200 0 1/1 —1 — i
12
16
20
24
10'
10'
10
10"
Рис.52. Выходная мощность усилителя в зависимости от приведенной длины пространства взаимодействия
Одномодовая замедляющая система исключала самовозбуждение паразитных волн на рабочей частоте < = 35 ГГц [7].
В качестве инжектора пучка с регулируемой энергией электронов до 300 кэВ и током ~1 кА использовался модернизированный малогабаритный ускоритель РАДАН-220, который допускал синхронизацию со 100-нс импульсом маг-нетронного генератора с точностью ±15 не (Раздел 1.3). Длительность пучка была малой (1£3 не), что позволяло в экспериментах существенно снизить опасность самовозбуждения усилителя на рабочей моде посредством "временной изоляции". Данный способ эффективен, если за время импульса тока пучка усиленный СВЧ-сигнал, отраженный от любой неоднородности СВЧ-тракта на выходном участке, вернется на вход ЗС уже после "выключения" катода. В нашем случае выполнялось именно такое условие. Расчеты показывали, что может достигаться линейный инкремент усиления ~2 дБ/см [9].
Экспериментальное исследование ЛБВ - усилителя с синхронной гармоникой заключалось в поиске оптимальных режимов работы прибора при изменениях начальной расстройки синхронизма и коэффициента связи электронов с волной. В диапазоне регулировки транспортирующего поля и ускоряющего напряжения (Рис.49) была определена область с выраженным максимальным усилением (Рис.50). Зависимость выходной мощности усилителя от мощности сигнальной волны была исследована при различных коэффициентах связи (Рис.51). При большом коэффициенте связи и входном сигнале 50 Вт коэффициент усиления составил 30 дБ. Однако с ростом мощности сигнальной волны усиление снижалось до 22 дБ. Такой же коэффициент усиления (22 дБ) был получен при меньшем коэффициенте связи, причем он оставался неизменным во всем диапазоне регулировки мощности входного сигнала. То есть, в последнем случае усилитель работал в линейном режиме без тенденции к насыщению и выходная мощность в 1 МВт не была предельной. Отмечена устойчивая тенденция роста выходной мощности с увеличением длины замедляющей системы (Рис.52). Интересен тот факт, что 2-нс СВЧ-импульс усилителя (1 МВт) выводился по стандартному волноводу 7.2x3.4 мм с воздушным заполнением без пробоев.
В отличие от генератора, усилитель обладает дополнительными возможностями по управлению параметрами выходного излучения: уровнем мощности, фазовыми характеристиками, и, в принципе, допускает перестройку частоты. Очевидно, что мощные усилительные приборы могут иметь более широкое практическое использование, в частности для создания фазированных антенных решеток и других устройств когерентного суммирования мощности. Эти возможности реальны даже при длительности сигналов в единицы наносекунд, поскольку ДФЛ-генераторы ускорителей РДДАН-303 уже могут быть синхронизированы с точностью на порядок более высокой (Раздел 1.3) [39].
3.3. Примеры исследований мощных источников с различными
механизмами индуцированного излучения релятивистских
электронных пучков в СВЧ-диапазоне
Малогабаритные наносекундные и субнаносекундные ускорители стали не только основой для создания мощных СВЧ-приборов миллиметрового диапазона длин волн, но и оказались "продуктивными" инструментами в исследованиях ряда тонких механизмов индуцированного излучения плотных электронных пучков. .Это было впервые наглядно продемонстрировано при детальном исследовании спектра излучения релятивистской ЛОВ [4], когда на фоне основного излучения (>»~8.5-мм, Р-б-10 МВт) была зарегистрирована коротковолновая компонента с интегральной по спектру мощностью я 200 кВт.
Волна Е01, нулевая гармоника которой распространялась навстречу электронам в ЗС ЛОВ, могла рассеиваться в более короткие волны, попутные пучку. Длины рассеянных волн находятся из условия синхронизма пучка с комбинационной волной [5], и для энергии пучка ускорителя РДДАН-220 (200 кэВ) и параметров замедляющей системы ЛОВ лежат в диапазоне значительно короче 8 мм. Среди спектра собственных колебаний резонатора, в качестве которого выступала сама электродинамическая замедляющая система ЛОВ, выделенными (рабочими) с точки зрения механизма вынужденного рассеяния оказываются те колебания, которые при выполнении условий синхронизма с комбинационной волной имеют вблизи высших полос запирания гофрированного волновода добротность, обеспечивающую выполнение стартовых условий скаттрона-генератора. Для исследованной ЛОВ запаса по току в выполнении пусковых условий скаттрона практически не имелось [5,8], поэтому более вероятным было совместное действие наряду с механизмом рассеяния других механизмов, определяющих существование коротковолнового излучения. На рис.53 приведена диаграмма Бриллюэна, по оси "со" которой выделены области частот и указаны соответствующие им диапазоны длин волн, на которых наблюдалось излучение. Участок спектра с 6-8 мм мог определяться рассеянием в волны Н31 и Е^ на частотах, близких к нижним критическим. Нельзя не учесть роль черенковского механизма взаимодействия в возбуждении этих волн, по крайней мере вблизи циклотронного резонанса ЛОВ (Н^-25 кЭ), где мощность накачки резко падала (как и на Рис.43) и интерпретация экспериментальных результатов с помощью механизма вынужденного рассеяния оказывалась неприменима (Рис.54).
В данных экспериментах было показано, что принципиальные эффекты, относящиеся к физике мощных микроволновых приборов и электродинамике СВЧ, могут быть проанализированны при умеренном релятивизме пучков и при их мощностях на порядок меньших, чем для "рекордных" экспериментальных установок.
О я/с! 2л/с1
200 150 100 50 0
" Р„ кВт
/ I \< 8 мм
ч!^- Х< 5 мм
Х< 3 мм
в а 1 , 1
П
10
20 30 40 Нг, кЭ
Рис.53. Дисперсионная диаграмма к интерпретации механизмов появления высокочастотного излучения в спектре 35-ГГц ЛОВ.
Рис.54. Зависимость мощности компонент высокочастотного спектра ЛОВ от величины транспортирующего поля.
катод соленоид
кикер
пучок
Рис.55. Схема СВЧ-блока установки для исследования циклотронного сверхизлучения электронного сгустка
га с.
е
3
о о 2 5
£
и
(0 а о
I-
® ч
5
О
у 03 /
\ С03
\ СО,
К*
сон
/У 11
Рис.56. Дисперсионная диаграмма к экспериментальному наблюдению циклотронного СИ сильноточного электронного сгустка.
12.1 кЭ
38.4 ГГц
Рис.57. Трансформация формы импульса циклотронного сверхизлучения при смещении "рабочей точки" с помощью изменения величины продольного магнитного поля соленоида. Регистратор: Тек-7250.
Рис.58. Спектральные измерения импульса циклотронного сверхизлучения с помощью волноводных фильтров. Нг~12кЭ Регистратор: 1ек-7250.
Субнаносекундный сильноточный электронный ускоритель на базе генератора РАДАН-303 ислайсера (Раздел 2.3) предоставил уникальную возможность впервые экспериментально исследовать индуцированное излучение единичного плотного электронного сгустка в СВЧ-диапазоне: классический аналог известного в квантовой электронике эффекта сверхизлучения Дике. В теоретических исследованиях* было показано, что в микроволновом диапазоне сверхизлучение может иметь место в сгустке электронов, осциллирующих в ондуляторе; вращающихся в однородном магнитном поле (циклотронное СИ). Аналогичные эффекты должны быть при черенковском механизме взаимодействия короткого электронного сгустка с медленными волнами гофрированных металлических резонаторов и диэлектрических замедляющих систем.
Для экспериментальной проверки эффекта СИ фактически требовалось в реальном масштабе времени наблюдать "предисторию" и начальные стадии переходных процессов хорошо-известных релятивистских СВЧ-приборов: МЦР, ЛОВ, черенковских мазеров. Наблюдения выполнялись в условиях, когда обратная связь отсутствовала: пространственная длина электронного сгустка на входе приборов (5-7.см) не превышала, или была значительно меньше длины пространства взаимодействия (10-30 см) [43]. Необходимое временное разрешение при наблюдении СИ обеспечивалось специально разработанным для этих целей СВЧ-датчиком с переходной характеристикой < 200 пс [42].
Для исследования циклотронного СИ электронам на влете в дрейфовую камеру с помощью встречно-включенных катушек с импульсным питанием ("кикера", Рис.55), сообщалась поперечная осцилляторная скорость, которая могла регулироваться вплоть до получения питч-факторов (д =Ц/Ц)>1 [48]. При таких значениях д для низкоэнергетичной фракции электронов (в хвосте пучка) суммарное поле в зоне кикера представляло магнитную пробку, от которой они отражалась. Простота изменения параметров ускоряющего импульса на катоде, полей кикера (требовались д~ 1) и импульсного соленоида позволили осуществлять тонкую перестройку режимов вблизи "рабочей точки" (Рис,56). В режиме касания дисперсионных кривых СВЧ-излучение представляло моноимпульс. При пересечении форма менялась: импульс раздваивался (Рис.57). При этом, частота на фронте импульса превышала частоту в хвостовой части (Рис.58). Характер частотной модуляции импульса (Рис.58) согласуется с представлениями, согласно которым в сопровождающей системе вращающийся в магнитном поле электрон излучает изотропно в положительном (+2) и отрицательном (-г) направлениях вдоль оси волновода. В лабораторной же системе частоты смещены: вследствие эффекта Доплера частота излучения
*) Ginzburg N.S., Novozhilova Yu.V., Sergeev A.S. Superradiance of ensembles of classical electron-oscillators as method for generation of ultrashort electromagnetic pulses // Nuclear Instr. & Methods in Phys. Research, A.- V.341.-1994.- P.230-233.
1.0 0.8 0.6 0.4
0.2 0.0
12
16
20
24 28
Рис.59. Зависимость пиковой мощности импульса циклотронного сверхизлучения электронного сгустка при изменении длины (времени) высвечивания для двух значений тока. Ведущее магнитное поле 12 кЭ, питч-фактор электронов д~1.
катод соленоид сгусток диэлектрик
Рис.60-6. Схема СВЧ-блока установки, использованной для исследования широкополосного излучения субнаносе-кундного электронного сгустка при взаимодействии с синхронными полями черенковской (диэлектрической) замедляющей системы.
Рис.бО-а. Дисперсионная диаграмма для диэлектрической замедляющей системы, использованной при получении широкополосных субнаносекун-дных импульсов СВЧ-излучения миллиметрового диапазона.
Рис.61. Оценка ширины спектра импульса излучения электронного сгустка (диэлектрическая замедляющая система).
Отсечка: Л < 2 мм Я < 5 мм X < 10 мм
передней части импульса, воспринимаемого детектором, превышала частоту хвостовой части. По этой же причине мощность излучения в начале импульса выше.
Доказательством индуцированной природы регистрировавшегося излучения являлся характер зависимости пиковой мощности от длины взаимодействия (Рис.59). Указанная мощность росла по экспоненциальному закону [42,46]. Соответствующий инкремент был примерно вдвое меньше расчетного. Подобное падение инкремента может быть объяснено наличием разброса электронов по питч-углам, что естественно для изначально немоноэнергетичного субнаносе-кундного пучка [43]. Если, предположить, что наблюдаемое излучение обусловлено не процессом автофазировки (особенность СИ*), а наличием достаточно сильной начальной модуляции электронов по фазам циклотронного вращения -спонтанным излучением, то зависимость (Рис.59) должна расти не быстрее, чем корень из длины.
Поперечная структура излучения в режиме циклотронного СИ была близка к расчетной моде ТЕ2, . Оценка снизу пиковой мощности излучения составила ~ 200 кВт, что соответствовало эффективности трансформации энергии ~1%. Ширина спектра была ~10%.
Короткие импульсы (~500 пс) с интегральной по спектру мощностью более 1МВт были получены при взаимодействии электронного сгустка (пиковый ток 100-150 А) с синхронными полями диэлектрической ЗС. Она представляв-ляла втулку из пленки ЛАВСАН, установленную в круглый волновод (дрейфовую камеру) диаметром 10 мм. При синхронизме типа "ЛЕВ" (Рис.60) здесь "работали" электроны с широким спектром энергий. Соответственно, набор длин волн регистрируемого излучения лежал в широком диапазоне: от 2 до 10 мм (Рис.61), а влияние разброса параметров пучка была незначительным. Эффективность подобного источника широкополосного СВЧ-излучения была уже ~3-5% [45]. Близкие эффективности достигались в случае возбуждения гофрированной ЗС при синхронизме типа ЛОВ (Рис.42). Подобный прибор был более узкополосным, 38-42 ГГц, однако отличался повышенной стабильностью выходной мощности: полный амплитудный разброс не превышал 10%.
4. ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ
СУБНАНОСЕКУНДНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ 4.1. Импульсно-периодические модуляторы
Генераторы сверхмощных электромагнитных импульсов СВЧ-диапазона могут строиться не только по цепочке преобразования энергии "импульсный генератор-ТЕМ волна-вакуумный диод-пучок-излучение". Волна напряжения высоковольтного генератора может быть эффективно преобразована в
электромагнитную при прямом излучении специальной антенной. Характеристики такого импульса существенно отличаются от СВЧ-излучения электронного генератора: он не имеет высокочастотного заполнения, а его относительная ширина спектра велика ( & f~ f~ 1 /tp). Данное обстоятельство определяет особенности и преимущества сверхширокополосных (СШП) импульсов как тестовых и зондирующих сигналов*. К недостаткам применения СШП-импульсов относятся трудности создания узконаправленных излучателей, поэтому использование мощного импульсного модулятора может существенно повысить энергетический потенциал системы. Вот почему представляет интерес генерация СШП-импульсов электромагнитного излучения с большим уровнем мощности 0.1-1 ГВт) и высокой частотой повторения.
Единичный мощный излучатель представляет альтернативу устройствам, основанным на синхронизированных маломощных источниках. Кроме того, сама идея создания секционированной системы синхронных СШП-излучателей (уже на основе сверхмощных единичных элементов) в данный момент не представляется абсурдной. Методы формирования высоковольтных импульсов допускают параллельное секционирование наносекундных драйверов [39J, являющихся основой субнаносекундных формирователей [29]. Наши исследования [39] также показали, что достижимы субнаносекундные точности управляемого запуска мощных модуляторов.
Выбор формы импульсов возбуждения антенн и диапазона их длительностей определен необходимостью эффективного преобразования энергии "модулятор-антенна", требованиями к спектру СШП-излучения с точки зрения информативности при обработке отраженных сигналов. Высокое напряжение мощных модуляторов накладывает дополнительные ограничения.
Длительности от сотен пикосекунд до 1 наносекунды соответствуют коротковолновой части диапазона дециметровых волн. Именно в данном диапазоне имеет место резонансное рассеяние зондирующих импульсов небольшими объектами или деталями рельефа более крупных. В простейшем варианте СШП антенна может быть запитана длинным импульсом с фронтом необходимой крутизны. Однако, такой вариант требует высокой электрической прочности устройства сопряжения модулятора и антенны (обычно это коаксиал или полос-ковый фидер), изоляция которого должна работать без пробоя на временах, значительно превышающих длительность "полезного" фронта. Поэтому наиболее компактны системы, основанные на модуляторах, формирующих короткие импульсы: "фронт-спад". Стабильность параметров СШП-генератора с пассивным излучателем (в частности, повторяемость спектральных характеристик его излучения от импульса к импульсу) полностью определяется характеристиками
*) Астанин Л.Ю., Костылев A.A. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений.- М.:- Радио и связь, 1989.- 192 с.
импульсов модулятора. С этих точек зрения, описанный в Разделе 1.2 малогабаритный субнаносекундный генератор на основе слайсера со стабильными, перестраиваемыми параметрами (Рис.10) оказался вполне подходящим для за-питки антенн импульсами 200-400 МВт и проведения ряда тестов при высоком уровне мощности СШП излучения [34,36].
Имея в виду проблемы согласования модулятора и антенны в широком частотном диапазоне, следует отметить, что энергетически-выгодны не униполярные, а биполярные импульсы, спектральная функция которых обращается в ноль в пределе низких частот. Субнаносекундный униполярный импульс слайсера мог быть преобразован в биполярный устройством на основе перестраиваемого короткозамкнутого шлейфа (Рис.62). Стабильность параметров такого "пассивного" преобразователя полностью определяется стабильностью входного импульса (Рис.63). Разумеется, размах амплитуды биполярного импульса не может превысить амплитуду исходного униполярного. Максимальная энергетическая эффективность пассивного преобразователя, равная 0.5, достигается при равенстве волнового сопротивления выхода слайсера и "нагрузочной" передающей линии, между которыми и устанавливался КЗ шлейф с вдвое меньшим волновым сопротивлением. В наших условиях устройство формировало на выходе импульс до ± 75 кВ [36].
Были проведены эксперименты по генерированию биполярных импульсов длительностью (2x500 пс) в "активном" формирователе (Рис.64). В таком устройстве срезающий разрядник расположен со стороны наносекундного драйвера, а между ним и обострителем имеется участок передающей линии, электрическая длина которой задает длительность лепестков биполярного импульса. При одновременном пробое разрядников на выходе получается двухполярный импульс с размахом амплитуды, равным удвоенному напряжению пробоя обостритепя. Взаимная подсветка разрядников "запаздывает" и стабильность длительности лепестков определяется относительным джиттером моментов самопробоя разрядников. Эта величина была близка к 100 пс. В принципе, "топология" устройства допускает объединение двух разрядников (тогда джиттера нет), что конструктивно реализуется при длительности лепестков 1-2 не, но проблематично для миниатюрной "субнаносекундной геометрии".
4.2. Высоковольтные широкополосные антенно-фидерные устройства
Антенны субнаносекундных СШП-излучателей представляли ТЕМ-рупоры, выполненные в виде неоднородных полосковых линий с выходной апертурой -10 дм2 [34] (Рис.65). Типичная частотная характеристика такой антенны представлена на рис.66. 50-омный выход модулятора соединялся с антенной плавным коаксиально-полосковым переходом, так что отражения запитывающего импульса были на уровне -(15-20) дБ (Рис.67-а). Переход и ТЕМ антенна
входной импульс
ш
1
г
выходной импульс
г. "5. .Л..-:,-
Рис.62. Преобразователь униполярного импульса в двухполя-рный на основе короткозамкнутого высоковольтного шлейфа.
срезающии разрядник"
обостряющий разрядник
Рис.63. Униполярный импульс слайсера и биполярный импульс на выходе пассивного преобразователя, подключенного к слайсеру. Регистратор: Тек-Т05820.
входной импульс
выходной импульс
'¡ы 1
211
Рис.64. Генератор биполярных импульсов с формирующим элементом и двумя газовыми разрядниками,
Рис.65. Излучающий СШП ТЕМ-рупор
а 1 НС
Ь
А/и А /**
V т 1 УлГ
I 1 НС
55 320 590 860 1130 Рис.66. Типичная АЧХ ТЕМ-рупора
Рис.67. Осциллограмма импульса напряжения с выходного емкостного делителя слайсера, нагруженного на ТЕМ-рупор (а). Сигнал с приемной диско-конусной антенны (11 конуса 1 см), принятый на расстоянии 30 метров (б). Частота повторения модулятора - 100 Гц. Регистратор: Тек. Т0в820.
находились в воздухе при атмосферном давлении, поэтому электрическая прочность коаксиального фидера (наружный диаметр 36 мм) на выходе модулятора ограничивала амплитуду и длительность передаваемого импульса. Для униполярных отрицательных сигналов (<0.3 не, 100 кВ) пробоев по поверхности вы-ходого конического изолятора не отмечалось. С увеличением амплитуды или (и) длительности импульса возникал пробой воздушной изоляции коаксиального фидера. Это имело место при напряженности электрического поля на центральном электроде фидера более 150 кВ/см. То есть, при указанном диапазоне времен электрическая прочность воздуха была в 5 раз выше статической. Приведенные параметры соответствовали повторно-кратковременному рабочему режиму модулятора с частотой повторения импульсов 100 Гц (включения до 30 с), когда на антенну подавался сигнал с пиковой мощностью 200 МВт.
Для демонстрации высокого пространственного разрешения субнаносе-кундного СШП зондирующего сигнала были проведены эксперименты [34] по регистрации отражений от системы проводящих экранов (1 мг и 0.1 м2), расположенных под углом 45° к падающему импульсу в 10-30 см друг от друга. Приемная антенна (ТЕМ-рупор с апертурой ~ 2 дм2) располагалась под углом 90° к оси излучателя. Структура принятого сигнала (Рис.68) позволяла однозначно идентифицировать наличие малого экрана перед большим. Мощность излучения была достаточно высока. Об этом свидетельствовали амплитуды принимаемых сигналов даже в условиях ограниченной полосы регистрации низкочувствительного осциллографа И2-7, который в данных экспериментах собственно и задавал доступную "дальность приема" ~ 10 м.
При использовании более чувствительного и широкополосного цифрового стробоскопического осциллографа Tektronix TDS820 регистрация приосевого сигнала излучателя осуществлялась на расстояниях ~ 25-30 м, ограниченных уже экспериментальным помещением. Сигналы (Рис.67-6), принимавшиеся в данном случае диско-конусной антенной с высотой конуса всего 1 см, требовали ослабления 30 дБ, причем при установке минимальной чувствительности осциллографа. Напряженность электрического поля в точке приема, измеренная таким образом, составила десятки В/см. Разумеется, это показывает возможность существенного увеличения дальности приема сигнала. Напомним, что рис.63,67 представляют осциллограммы, каждая из которых "накоплена" за 500 импульсов и свидетельствуют о достаточной стабильности модулятора.
Приведенные выше экспериментальные результаты получены в условиях слабой направленности излучения от одиночной ТЕМ-антенны. Измерения показали, что границы приосевых Н- и Е- секторов, соответствующие ослаблению амплитуды сигналов до уровня -6 dB, были приблизительно равны: ± 45° и ± 30° (Рис.69). Различие углов в Н- и Е- плоскостях кореллировало с несимметричностью раскрыва ТЕМ рупора (фактор 1.5). Для повышения направленности
■130 в
-85 В
-50 В
^ 1 И лД"
-л'А/1 1П ~ Г, 0 |(\д г,
1 Ш А ^
и V И
Биполярный импульс
-ЗСС с1Ь 0
-20--10', 10*20"
-10' 0° 10'
Н-плоскость
Е-плоскость
Рис.69. Диаграмма направленности одиночного ТЕМ-рупора
Рис.68. Отраженные сигналы от системы экранов (й=0.25 м): а-5=1 м2; 6-5=0.1 м2 +• Э=1 мг ; в-3=0.1 мГ
-10° о' 10°
Униполярный импульс
20° ЬЬ О
»-10° 0" 10'
база 1.35 м
база 0.5 м
Рис.70. Двойная синфазная антенная система и ее ДН в Н-плоскости
-20°Т Т . Г 20°
-10° О" 1П° -20° , , , 20° <И> \ \ № И / / аь о )М\ггШ. О
униполярный импульс
биполярный импульс
Рис.71. Двойная антенная система с базой 1.35 м (противофазное включение) и ее диаграмма направленности в Н-плоскости
10° 0° ю°
Рис.72. Четырехантенная система 1.35x0.5 м и ее диаграмма направленности (биполярный импульс)
-10° 10
Н-плоскость
Е-плоскость
-4
8
СШП-излучателей применялись интерференционные методы формирования диаграмм. В том случае, когда расстояние между излучателями невелико (сравнимо с характеристической длиной волны), пространственно- временная структура сигнала сохранялась в достаточно широком угловом диапазоне [37]. В обратном случае она соответствовала структуре излучения единичной антенны [34] в приосевой области. Причем этот угловой диапазон зависел от расстояния до точки приема.
Для подключения секционированных антенн был разработан согласованный переход "коаксиал-несимметричная полосковая линия- полосковый тракт" [36]. Конструкция имела необходимую электрическую прочность и допускала разводку импульса модулятора к двум (Рис.70) или четырем антеннам (Рис.72). Было возможным противофазное включение антенн (Рис.71), что позволяло сформировать "двухлепестковую диаграмму" излучения. В последнем случае полярности сигналов в лепестках различны, что, в принципе, дает возможность селектировать отражения от объектов, фиксируемых одновременно по обоим направлениям. По сравнению с единичным излучателем (Рис.69) угловой диапазон двойной синфазной антенны по уровню амплитуд -6 ЙВ был сужен до ±5-6° (Рис.70). Отметим, что для построения диаграмм направленности амплитудный уровень сигнала отсчитывался по временным лепесткам импульса, соответствовавшим сигналу отдельного излучателя.
Эксперименты со сверхширокополосными секционированными излучателями повышенной направленности показали, что создание синхронных СШЛ-антенных решеток со сверхмощными "ячейками" имеет реальную перспективу. По-видимому, это одно из наиболее наглядных направлений, в котором могут быть сведены воедино возможности импульсно-периодических наносекундных драйверов, систем формирования стабильных высоковольтных импульсов короче 1 не, управляемых газовых коммутаторов со сверхточным включением, электрически-прочных согласующих трактов и антенных систем.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты диссертационной работы:
Разработаны многофункциональные сильноточные наносекундные генераторы РДЦАН с частотой повторения импульсов до 100 Гц. С их применением выполнен широкий круг экспериментальных исследований, позволивших создать новые компактные электрофизические приборы: сильноточные электронные ускорители и переносные автономные рентгенаппараты, релятивистские СВЧ-генераторы и усилители, источники мощных сверхширокополосных радиоимпульсов и т.п.
Принципиальным результатом цикла экспериментов по изучению режимов работы субнаносекундных газовых разрядников высокого давления явилась реализация субнаносекундных высоковольтных импульсно-периодических модуляторов со стабильными перестраиваемыми параметрами и достижение субна-носекундной точности запуска электрически управляемых газовых коммутаторов наносекундных высоковольтных генераторов при малой энергии управляющего импульса.
Изучение режимов согласования нано- и субнаносекундндных генераторов с нагрузками различного характера сделало возможными разработки электронных ускорителей с параллельными вакуумными диодами, широкоапер-турных ускорителей, высоковольтных волноводных трактов и т.д.
Новые экспериментальные данные по электрической прочности изоляции различного типа при воздействии импульсного электрического и СВЧ-полей, полученные в процессе испытаний и эксплуатации элементов нано- и субнаносекундных высоковольтных приборов, позволили создать миниатюрные сильноточные магнитоизолированные коаксиальные диоды с постоянной магнитной фокусирующей системой для релятивистской ЛОВ миллиметрового диапазона, СВЧ-генераторы с рекордной плотностью потока энергии излучения, высоковольтные сверхширокополосные генераторы электромагнитных импульсов с компактными субнаносекундными модуляторами.
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Ельчанинов А.С., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Шпак В.Г.,Яландин М.И. Генератор мощных наносекундных импульсов СВЧ-излучения миллиметрового диапазона// Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии: Сб.статей Под ред. Г.А.Месяца.- Новосибирск: Наука, 1983,- С.152-155.
2. Ельчанинов А.С., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Шпак В.Г., Яландин М.И. Генерация мощного СВЧ-излучения с использованием сильноточных электронных мини-ускорителей//Доклады АН СССР.- 1984.- Т.279, №3,- С.624-626.
3. Ельчанинов А.С., Юрике Я.Я., Шпак В.Г., Яландин М.И. Малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты РАДАН-150 и РАДАН-220// Дефектоскопия,-1984,- №12,- С.68-70.
4. Губанов В.П., Денисов Г.Г., Коровин С.Д., Ростов В.В.,Сморгонский А.В., Яландин М.И. Экспериментальное исследование индуцированного рассеяния волн на электронных пучках в релятивистских СВЧ-генераторах// Релятивистская высокочастотная электроника: Сб. статей,- Горький: ИПФ АН СССР, 1984,- Вып.4.- С.178-192.
5. Denisov G.G., Smorgonsky A.V., Gubanov V.P., Korovin S.D., Rostov V.V., Yalandin M.I. Powerful electromagnetic millimeter-wave oscillations produced by stimulated scattering of microwave radiation by relativistic electron beams// Intern. J. on Infrared and Millimeter Waves.- 1984,- Vol.5, №10.- P. 1389-1405.
6. Быков H.M., Коровин С.Д., Месяц Г.А., Шпак В,Г., Яландин М.И. Экспериментальное исследование мощного СВЧ-излучения в релятивистских кар-синотронах миллиметрового диапазона// Письма в ЖТФ,- 1985.- Т.11, Вып.9.- С.541-545.
7. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов В.В., Шпак В.Г., Яландин М.И. Релятивистский СВЧ-усилитель миллиметрового диапазона на сильноточном электронном мини-ускорителе// Письма в ЖТФ.- 1985.- Т.11, Вып.17,-С. 1072-1076.
8. Bratman V.L., Denisov G.G., Ginzburg N.S., Smorgonsky A.V., Korovin S.D., Polevin S.D., Rostov V.V., Yalandin M.I. Stimulated scattering of waves in microwave generators with high-current relativistic electron beams: simulation of two-stage free-electron lasers// Int. J. Electronics.- 1985.- Vol.59, N°3.-P. 247-289.
9. Яландин М.И. Экспериментальное исследование генерации и усиления СВЧ-излучения миллиметрового диапазона с использованием сильноточных мини-ускорителей// Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: Томск-1985,- 150 с.
10. Elchaninov A.S., Korovin S.D., Mesyats G.A., Rostov V.V ., Shpak V.G. Yalandin M.I. Generation and amplification of microwave radiation with the use ot high-current small-size accelerators//Proc. VI Int. Conf. High-Power Part. Beams: BEAMS-86.- Kobe, Japan, 1986.- P.552-555.
11. Быков H.M., Губанов В.П., Гунин A.B. , Коровин С.Д., Ростов В.В., Яландин М.И. Диагностика мощных наносекундных импульсов сверхвысокочастотного излучения// ПТЭ.- 1987,- №6.- С.107-110.
12. Ельчанинов А.С., Котов А.С., Шпак В.Г., Юрике Я.Я., Яландин М.И. Малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты и ускорители РАДАН// Электронная техника.- Сер.4.- 1987,- Вып.2,- С.33-37.
13. Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. О режиме согласования взрыво-эмиссионного диода с формирующей линией генератора высоковольтных наносекундных импульсов// VII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докл., Т.З.- Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1988.- С.87-89.
14. А.с. 1583877 СССР МКИ G 01 R 29/08. Способ визуализации импульсных СВЧ-полей// Коровин С.Д., Ростов В.В., Сморгонский А.В., Шпак В.Г., Яландин М.И..- 4374504/24-09.- 04.01.88.
15. А.с. 1530053 СССР МКИ Н 03 К 3/53, Н 05 Н 7/00. Высоковольтный импульсный источник питания// Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И.,-4390621/24-21,- 09.03.88.
16. Губанов В.П., Коровин С.Д., Ростов В.В., Шпак В.Г., Яландин М.И. Импульсно-периодический релятивистский сверхвысокочастотный генератор миллиметрового диапазона МГ-2 // ПТЭ.- 1988.- № 6.- С.203-204.
17. Загулов Ф.Я., Котов А.С., Шпак В.Г., Юрике Я.Я., Яландин М.И. РАДАН -малогабаритные сильноточные ускорители электронов импульсно- периодического действия // ПТЭ.- 1989.- №2.- С.146-149.
18. Свидетельство на пром. образец № 37499. Ускоритель сильноточный малогабаритный// Шпак В.Г., Яландин М.И., Шунайлов С.А.,- Заявка № 59812.- 29.04.1991.
19. Mesyats G.A., Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Compact high-current repetitive pulse accelerators // Proc. 8th IEEE International Pulsed Power Conference.- San-Diego, CA, USA, 1991,- P.73-77.
20. Mesyats G.A., Shpak V.G, Yalandin M.I. Compact millimeter-range microwave oscillators with high-current relativistic electron beams // Program abstracts of 9th Int. Conf. on High Power Particle Beams: BEAMS'92.- Washington DC, USA, 1992,- P. 292.
21. Смирнов Г.Т., Шпак В.Г., Яландин М.И. Микроволновый пробой воздуха на-носекундным СВЧ-импульсом// IX Симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докл.- Россия, 1992.- С.134-135.
22. Месяц Г.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Импульсно- периодический генератор высоковольтных субнаносекундных импульсов // IX Симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докл.- Россия, 1992,-С.236-237.
23. Yalandin M.I., Mesyats G.A., Shpak V.G., Smirnov G.T., Shunailov S.A. Repetitive 4-mm-range back-wave oscillator // Proc. of SPIE International Symposium: Intense Microwave Pulses.- Vol.1872.- Los Angeles, CA, USA, 1993.-P.333-342.
24. Шпак В.Г., Шунайлов C.A., Яландин М.И., Дядьков А.Н. Малогабаритный сильноточный импульсный источник РАДАН СЭФ-ЗОЗА // ПТЭ.- 1993,-№1,- С. 149-155.
25. Yalandin M.I., Smirnov G.T., Shpak V.G., Shunailov S.A. High-power repetitive millimeter range back-wave oscillators with nanosecond relativistic electron beam // Proc. 9th IEEE International Pulsed Power Conference.- Albuquerque,
• NM, USA, 1993,-P.388-391.
26. Mesyats G.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I. Compact high-current accelerators based on the RADAN SEF-303 pulsed power source // Proc. 9th IEEE International Pulsed Power Conference.- Albuquerque, NM, USA, 1993.-P.835-838.
27. Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I., Dyad'kov A.N. The RADAN SEF-303A, a small high-current pulsed power supply // IET.- 1993.-V.36, №1,-P.106-111.
28. Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Compact high-current ribbon e-beam diode// Proc. 10th International Conference on High Power Particle Beams: BEAMS'94.-Vol.1.- San Diego, CA, USA, 1994.-P.483-486.
29. Mesyats G.A., Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I. Desk-top subnanose-cond pulser research, development and applications // Proc. of SPIE International Symposium: Intense Microwave Pulses.- Vol.2154.- Los Angeles, CA, USA, 1994,- P.262-268.
30. Mesyats G.A., Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Desktor high-current accelerators for surface sterilization // Proc. of SPIE international Symposium: Medical Lasers and Systems.- Vol.2131.- Los Angeles, CA, USA, 1994.-P.286-290.
31. Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Compact high-current ribbon e-beam diode// Proc. XVI th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.-VoI.2259.- Moscow- St. Petersburg, RUSSIA, 1994,-P,427-430.
32. Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Desktor repetitive sources of powerful electron beams, x-ray and microwaves for LAB investigations on radiation
chemistry, physics and biology// Book of Abstracts 8th "Tihany" Sym- posium on Radiation Chemistry. - Balatonszepiak, Hungary, 1994.-Report 53.
33. Mesyats G.A., Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Compact electron accelerators RADAN for testing new radiation technologies and sterilization // Book of Abstracts 9th International Meeting on Radiation Processing.- Istanbul, Turkey, 1994.- P. 179
34. Губанов В.П., Коровин С.Д. , Пегель И.В., Ростов В.В. , Степченко А.С., Ульмаскулов М.Р., Шпак В.Г. , Шунайлов С. А ., Яландин М.И. Генерация мощных наносекундных импульсов электромагнитного излучения // Письма в ЖГФ.-1994.- Т.20, Вып. 14,- С.89-93..
35. Mesyats G.A., Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Compact RADAN electron accelerators for testing new radiation technologies and sterilization // Radiation Physics and Chemistry. - 1995. - Vol,46, No.4-6. - P.489-492
36. Yalandin M.I., .Shpak V.G, Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R, Compact repetitive generator of high-power broadband electromagnetic pulses // Proc. of SPIE International Symposium: Intense Microwave Pulses III.- Vol. 2557.- San Diego, CA, USA, 1995.- p.289-297.
37. Shpak V.G., Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R., Yalandin M.I. Generation of highpower broadband electromagnetic pulses with PRF of 100 pps // Abstracts of 10th IEEE International Pulsed Power Conference. - Albuquerque, NM, USA, 1995.- [Р1-2].
38. Mesyats G.A., Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. RADAN-EXPERT portable high-current accelerator // Abstracts of 10th IEEE International Pulsed Power Conference. - Albuquerque, NM, USA, 1995.- [15-7].
39. Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalandin M.I. Investigations of compact high-current accelerators RADAN 303 synchronization with nanosecond accuracy // Abstracts of 10th IEEE International Pulsed Power Conference. - Albuquerque, NM.USA, 1995.- [15-8].
40. Shpak V.G., Yalandin M.I., Shunailov S.A. Desktor repetitive sources of powerful electron beams, x-ray and microwaves for LAB investigations on radiation chemistry, physics and biology// Radiation Physics and Chemistry. - 1996. -Vol.47, No.3. - P.491-495.
41. Шпак В.Г., Шунайлов C.A., Ульмаскулов M.P., Яландин М.И., Ермаков А.Е., Жаков С.В., Гасс В.Г., Коробейников А.Ю. Экспериментальное исследование формирования и транспортировки релятивистского сильноточного электронного пучка в фокусирующей системе карсинотрона на основе постоянных магнитов // Письма в ЖТФ.- 1996.- Т.22, Вып.1.- С.64-67.
42. Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Коноплев И.В., Сергеев А.С., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М. Р. .Яландин М.И. Экспериментальное
наблюдение эффекта циклотронного сверхизлучения// Письма в ЖЭТФ. -1996. - Т.63, Вып.5. - С.322-326.
43. Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И., Пегель И.В. Экспериментальное исследование динамики сильноточного электронного сгустка субнаносекундной длительности// Письма в ЖТФ.- 1996.- Т.22, Вып.7.- С. 65-69.
44. Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Коноплев И.В., Сергеев А.С., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Ульмаскулов М.Р., Яландин М.И. Создание сверхширокополосных СВЧ-источников с большой частотой следования на базе малогабаритных сильноточных ускорителей// Сборник докладов всероссийского научного семинара по физике микроволн.- Т.1.- Нижний Новгород, 1996. -С.84-89.
45. Ginzburg N.S., Zotova I.V., Sergeev A.S., Novozhilova Y.V., Peskov N.Yu., Konoplev I.V., Phelps A.D.R., Cross A.W., Cooke S., Aitken P., Shpak V.G.,
■ Yaiandin M.I., Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R. Experimental Observation of Superradiance from Sub-nanosecond Electron Bunches// Abstracts of the 23rd Plasma Physics Conference.- Perthshire, Scotland, UK.- 1996.-p.3.5
46. Ginzburg N.S., Konoplev I.V., Zotova I.V., Sergeev A.S., Shpak V.G., Yaiandin M.I., Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R. First Experimental Observation of Cyclotron Superradiance// Abstracts of 11th Int. Conference on High Power Particle Beams.- Prague, Czech Republic.- 1996.-[0-6-8]
47. Yaiandin M.I., Shpak V.G., Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R. Investigation into the Formation and Transportation of a Relativistic High-Current Electron beam in a Permanent-Magnet-Based Focusing System// Proc. XVII th Internationa) Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.-Vol.2.- Berkeley, CA, USA.- 1996.- P.630-634.
48. Yaiandin M.I., Shpak V.G., Shunailov S.A., Ulmaskulov M.R. An Experimental Study of the Formation and the Dynamics of Transportation of a Magnetically Insulated High-Current Subnanosecond Tubular Electron Beam// Proc. XVII th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.-Vol.2,- Berkeley, CA, USA.- 1996.- P.635-639.
