Методы повышения эффективности одномодовой генерации мощных гиротронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ЗАПЕВАЛОВ Владимир Евгеньевич

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОДНОМОДОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНЫХ ГИРОТРОНОВ

01 04 04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

иоз168885

Нижний Новгород - 2008

003168885

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г Нижний Новгород

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корреспондент РАН Трубецков Дмитрий Иванович

Защита диссертации состоится 9 июня 2008 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002 069 02 при Институте прикладной физики РАН по адресу 603950 г Нижний Новгород, ул Ульянова, 46

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

Автореферат разослан 30 апреля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

доктор физико-математических наук Стрелков Павел Сергеевич

доктор физико-математических наук Братман Владимир Львович

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники РАН, г Москва

профессор

Ю В Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

Мощные источники когерентного электромагнитного излучения сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе вакуумных электронных приборов в последние годы все шире используются как для исследовательских (физика плазмы, ускорение элементарных частиц, плазмохимия, биология и др), так и для прикладных (радиолокация, связь, технология, медицина и др) целей Поиски путей создания и повышения эффективности таких источников, техническое освоение новых диапазонов частот и новых уровней мощности всегда составляли одну из основных задач исследований [1-17] С одной стороны, эти исследования были стимулированы прикладными потребностями, а с другой, явились закономерным этапом развития теории колебаний распределенных систем Применительно к нелинейной оптике и электронике СВЧ одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля [17-20]

В миллиметровом диапазоне длин волн наибольший уровень средней мощности обеспечивается гиротронами - наиболее развитой разновидностью мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) [1-16, 1а-7а] Принципиальная возможность в указанных системах существенно увеличивать объем рабочего пространства при сохранении заданного частотного диапазона (за счет взаимодействия с незамедленными электромагнитными волнами) ставит проблему селекции и взаимодействия мод как одну из основных и наиболее актуальных [11-13,21-27,1а-7а]

Нахождение конкретных условий, при которых взаимодействие мод для реальных генераторов носит характер конкуренции или кооперации, представляет собой задачу, важную для перспективной разработки коротковолновых гиротронов большой мощности Для корректного анализа взаимодействия мод совершенно очевидна и важность задачи исследования характеристик реальных винтовых электронных пучков (ВЭП) - активной среды гиротронов [7, 11-13, 28, 1а-7а] Результаты исследования приводят к выработке требований к характеристикам систем формирования ВЭП, в том числе к особенностям систем с секционированными электронными пучками Для повышения КПД и селекции мод представляют интерес и системы с секционированным пространством взаимодействия, где области модуляции электронного пучка и энергоотбора пространственно разделены Вплотную к вышеупомянутым задачам исследования электронных потоков и процессов взаимодействия мод примыкает задача использования рекуперации остаточной энергии электронных потоков для повышения КПД мощных гиротронов [7, 13, 31-33]

При разработке мощных гиротронов необходимо решить ряд важных проблем [7, 13, 15, 28-33] формирование интенсивных винтовых электрон-

ных пучков (ВЭП) с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом, обеспечение устойчивой, высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах, эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок, с оптимизацией его пространственного распределения, разработка надежного коллектора электронного пучка, создание выходного окна, способного передать высокочастотное излучение из гиротрона в рабочем режиме Существенным обстоятельством является то, что ни удельные, ни интегральные тепловые нагрузки, ни в одной из подсистем гиротрона не должны превышать некоторых предельных значений, обусловленных обычно возможностями системы охлаждения Существуют и более частные ограничения

В связи с нарастающим использованием источников электромагнитного излучения для ряда исследовательских и прикладных задач [3, 5, 7, 13, 15, 16, 34] весьма актуальной становится проблема обеспечения доступности, удобства и других характеристик, важных для практических целей В гиротронах, работающих на гармониках гирочастоты, снижение магнитного поля значительно упрощает конструкцию магнитной системы, а при имеющихся магнитных полях позволяет получать наиболее коротковолновое излучение Теоретически и экспериментально было показано, что гиротрон на второй гармонике (МЦР-2) может иметь КПД на уровне лучших образцов гиротронов на основном циклотронном резонансе [7, 13, 35-37] Реализация достоинств гиротронов на гармониках наталкивается на существенно меньшую устойчивость генерации, обусловленную конкуренцией типов колебаний, поэтому для них разработка адекватной методики экспериментального изучения взаимодействия мод и поиск эффективных методов обеспечения селекции мод имеют первостепенное значение

Диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы современной физической электроники - изучению закономерностей взаимодействия винтовых электронных пучков с высокочастотными полями много-модовых резонаторов гиротронов Эта проблема представляет значительный фундаментальный интерес, охватывая широкий круг вопросов взаимодействия и селекции мод в сверхразмерной системе с активной средой, и имеет существенное прикладное значение для разработки мощных и эффективных приборов сверхвысокочастотной электроники.

Цели диссертационной работы

1 Развитие теории взаимодействия мод в сверхразмерных резонаторах при магнитотормозном излучении электронов, в том числе и на гармониках циклотронной частоты и, в частности, исследование нестационарных процессов взаимодействия мод в гиротронах и нахождение условий устойчивости одномодовой генерации с высоким КПД

2 Разработка методики экспериментального исследования винтовых электронных пучков - активной среды гирорезонансных мазеров, особенно свойств пучков, существенных для взаимодействия мод Проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиротронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории

3 Развитие методики экспериментального исследования взаимодействия мод Проведение экспериментов с гиротронами на основном гирорезонансе и гармониках циклотронной частоты и сравнение соответствующих результатов с выводами теории

4 Разработка методов электронной и электродинамической селекции мод, в частности, применение связанных резонаторах с трансформацией мод и многолучевых электронных потоков

5 Теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией

Научная новизна

1 Предложена и отработана методика экспериментального исследования межмодового взаимодействия в гиротронач, основанная на изучении структуры зон генерации различных мод

2 Впервые теоретически и экспериментально установлено, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном гирорезонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность циклотронных мазеров, работающих на гармониках циклотронной частоты

3 Предложена и реализована новая модификация методики измерения параметров винтовых электронных пучков, позволяющая оценить влияние электронов, захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом, и с помощью указанной методики исследованы электронно-оптические системы гиротронов в широком диапазоне частот С использованием новой методики проведена оптимизация электронно-оптических систем мощных гиротронов

4 Экспериментально продемонстрирована возможность работы гиротронов с использованием высших пространственных мод резонатора, что позволило реализовать мегаваттный уровень мощности с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима

5 Разработаны и экспериментально исследованы прототипы и опытно-промышленные образцы высокоэффективных мощных квазинепрерывных гиротронов, работающие на высших пространственно-развитых модах, включая гиротроны, в которых радикально повышен выходной КПД и снижена нагрузка на коллектор путем рекуперации остаточной энергии электронного пучка В миллиметровом диапазоне (длины волн 3,6-1,7 мм) достигнута максимальная выходная мощность свыше 1 МВт при КПД до 40% без рекуперации и более 60% с рекуперацией

6 Предложены и исследованы многолучевые гиротроны, в которых радикально усиливается селекция мод по поперечному индексу Предложены варианты двучлучевых электронно-оптических систем МЦР Впервые созданы и экспериментально исследованы двухлучевые гиротроны, работающие на второй гармонике циклотронной частоты (максимальная выходная мощность около 1 МВт при КПД 25% и длине волны 12 мм)

7 Выяснены условия, при которых существенно усиливается селекция мод и в то же время может быть реализован высокий КПД в гиротронах на связанных резонаторах с трансформацией мод

8 Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на 3-5-й гармониках гирочастоты, даже при умеренных ускоряющих напряжениях, при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка

9 Предложена и экспериментально проверена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне Реализация этой схемы существенно улучшает характеристики коаксиального гиротрона (КПД, перестройка частоты, возможность глубокой амплитудной модуляции) без изменения его конструкции

Практическая значимость

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию генераторов миллиметрового диапазона мегаваттно-го уровня мощности с рекордными энергетическими характеристиками Эти результаты могут быть также использованы при проектировании нового поколения высокоэффективных гиротронов мегаваттного и многомегаватткого уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах Перспективным путем для увеличения мощности единичного гарорезонансного мазера представляется использование многолучевых МЦР Разработка приборов, работающих на гармониках гирочастоты представляет интерес для создания гиротронных технологических комплексов, для плазменных экспериментов, а также для освоения наиболее коротковолновых диапазонов

Непосредственным применением диссертационной работы является использование ее результатов при создании гиротронных комплексов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза типа стелларатор (W7-AS) и токамак (TIO, Т15, D-IIID, Asdex-Upgrade, TEXTOR, ИТЭР и др), а также гиротронов для технологических приложений

Личный вклад автора

Работы по теме диссертации выполнены в 1977-2007 гг Основные результаты диссертации отражены в 72 публикациях (см список авторских работ) Из этих публикаций 40 статей в российских рецензируемых журналах, 23 статьи в зарубежных рецензируемых журналах, 1 статья в тематическом

сборнике научных работ, 6 публикаций в материалах конференций, 2 авторских свидетельства

Работы [6а, 15а, 24а-28а, 47а] выполнены соискателем без соавторов При выполнении всех остальных работ соискатель принимал непосредственное участие в постановке и решении теоретических задач, выполнении экспериментальных исследований, обработке экспериментальных результатов и их обсуждении Соискателем разработана линейная и нелинейная теория процессов в связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ) Соискателем предложены многолучевые гиротроны [13а, 14а, 43а, 44а] с дополнительными активными пучками и построена теория взаимодействия этих пучков с ВЧ полем резонатора Автор принял участие в построении теории гиротронов с дополнительными поглощающими пучками, а также в проектировании двух-лучевых электронных пушек Соискателем предложена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне [38а, 63а] Методика исследования винтовых электронных пучков с захваченными в адиабатическую ловушку электронами [55а, 56а] разработана автором совместно с Ш Е Цимрингом Непосредственно соискателем или под его руководством были проведены все расчеты по процессам взаимодействия мод и эксперименты по этому направлению исследований [9а-12а, 15а, 18а, 29а, 36а, 37а, 40а, 46а-53а] В остальных работах [1а-5а, 7а-12а, 18а-24а, 30а-35а, 39а-42а, 45а, 54а-62а, 64а-67а, 70-72а] все соавторы участвовали в равной степени

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1а-72а] и докладывались на зимних школах-семинарах по теоретической электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1977, 1984, 1996, 1999, 2001, 2006 гг), Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н Новгород, 2005, 2007), Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (С-Петербург 1990, 1996, 2002, 2005), Российско-Германских семинарах по гиротронам и ЭЦРН (1989-2007 гг), Российско-Американских семинарах по гиротронам и линиям передачи (Нижний Новгород 1992 г , 1998 г , 2002 г), Международной университетской конференции по радиофизике и электронике сверхвысоких частот (С -Петербург, 1999), на 14-й международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (2004, Севастополь, Украина), на Международных Харьковских симпозиумах «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (Харьков, Украина, 2001, 2004, 2007), на 16-й Международных конференциях «Мощные микроволны в плазме» (1990, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005, Н Новгород), Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам (Лозанна, Швейцария, 1991, Пасадена, США 1992, Колчестер, Великобритания, 1993, Сендай, Япония, 1994, Орландо, США, 1995, Берлин, Германия, 1996, Винтергрин, США, 1997, Кол-

честер, Великобритания, 1998, Монтрей, США, 1999, Пекин, КНР, 2000, Тулуза, Франция, 2001, Сан-Диего, США, 2002, Отсу, Япония, 2003, Карлсруэ, Германия, 2004, Вильямсбург, США, 2005, Шанхай, КНР, 2006 г), Международных конференциях по Электронно-циклотронному излучению (ЕС6 -Хэфей, КНР, 1989г, ЕСЮ-Амеланд, Нидерланды, 1997 г, ЕС11 - Охараи, Япония, 2000 г, ЕС12 - Экс-эн-Прованс, Франция, 2002 г, ЕС-13 - Нижний Новгород, 2004 г, ЕС14 - Санторин, Греция 2006 г), Международных конференциях по вакуумным электронным приборам (IVEC-2002, Монтерей, США, 2002, IVEC-2004 Сеул, Корея 2004, IVEC-2005 Нордвик, Нидерланды 2005, IVEC-2007, Китакюсю, Япония, 2007), Международных конференциях по вакуумной электронике и дисплеям (Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 1995, 1998 г, 2001 г, 2004 г), а также на научных семинарах кафедры электроники ННГУ, МИЭМ, НИРФИ, ИПФ РАН, ИРЭ РАН, ИЯС РНЦ «Курчатовский институт», университете г Фукуи (Япония), Исследовательском центре Карлсруэ (FZK, Германия), Японском институте атомной энергии (JAERI, Япония)

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 166 работ 26 статей издано в зарубежных журналах, 44 статьи напечатаны в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов, 2 статьи изданы в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК, 7 статей размещены в тематических сборниках, а 31 статья в сборниках трудов конференций, 2 работы являются авторскими свидетельствами, а 55 - тезисами докладов на конференциях

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы (172 названия)) и списка авторских публикаций (166 пунктов) Объем диссертации составляет 267 страниц, включая 160 рисунков

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность темы и постановка задачи Приведены основные положения, выносимые на защиту, а также дано аннотированное изложение диссертации по главам

В первой главе теоретически исследуются процессы установления колебаний, устойчивость одномодовых и двухмодовых стационарных колебательных режимов, нестационарные двухмодовые процессы при циклотронном излучении электронов в сверхразмерных электродинамических системах

В п 1 1 рассмотрены главные проблемы многомодовых гиротронов В п 1 2 дается обзор основных результатов линейной теории гиротронов, определяющих селекцию мод на стадии самовозбуждения Выяснены некоторые особенности зон генерации мод Совокупность зон генерации рабочей моды и соседних мод образуют область генерации гиротрона, часто называемую мо-

довой картой Перекрытие зон генерации отдельных мод приводит к взаимодействию мод и изменению конфигурации зон Искажение границ последних по сравнению с одномодовым режимом позволяет судить о характере взаимодействия мод Соответствующий анализ возможен на основе нелинейной теории, развиваемой далее

В п 1 3 приводится, используемая в дальнейшем, система нелинейных уравнений, описывающих нестационарные процессы в многомодовом гнро-троне Описывается использованная в работе методика численного решения уравнений Условия устойчивости стационарной одномодовой генерации сформулированы для случая парного взаимодействия мод

При исследовании взаимодействия мод, синхронных с одинаковыми и разными гармониками гирочастоты, в п 1 4 определяются области устойчивости одномодовой генерации, что особенно важно для мод на высшей гармонике гирочастоты В п 1 5 для гиротрона на второй гармонике циклотронной частоты рассматриваются особенности конкуренции со стороны мод, синхронных с первой гармоникой и имеющих продольную структуру типа бегущей волны Выяснены возможности расширения области устойчивой генерации рабочей моды для этого случая

В п 1 6 исследуются нестационарные процессы взаимодействия мод в двухмодовоч гиротроне с энергетическим взаимодействием мод Выясняются условия, при которых имеет место конкуренция и кооперация мод В п 1 7 рассматриваются особенности нестационарных процессов взаимодействия мод в двухмодовом гиротроне с амплитудно-фазовым взаимодействием мод Выяснены условия, при которых стационарная генерация рабочей моды может сопровождаться паразитным излучением на другой моде, возбуждающейся в условиях фазовой связи

В резонаторах очень большого сечения спектр мод становится настолько густым, что взаимодействие может осуществляться для трех мод с амплитудно-фазовой связью Обеспечение устойчивости генерации в таком гиротроне рассматривается в п 1 8 Нарушение условий устойчивости в этом случае проявляется в спектре излучения гиротрона появлением сателлитов, характерных для амплитудной модуляции и по этой причине указанный эффект часто называют автомодуляционной неустойчивостью излучения гиротронов Показано, что режим гиротрона оптимальный по КПД является устойчивым (как и для парного взаимодействия мод на одной и той же гармонике в п 1 4)

В п 1 9 рассмотрены перспективные разновидности гиротронов с секционированным пространством взаимодействия, использующих в качестве электродинамической системы связанные резонаторы с трансформацией мод (СРТМ), предложенные в [38] На рис 1 показано продольное сечение системы СРТМ и распределение амплитуд электрического поля рабочей пары мод Система содержит круглые открытые резонаторы 7 и 2 с одинаковыми собственными частотами на модах соответственно Т Е ш р ( ) и ТЕт р 2 ; характеризую-

щихся совпадающими азимутальными и различными радиальными индексами В нерегулярном волноводе 3 имеет место взаимная трансформация мод, обеспечивающая связь между резонаторами Проанализированы пусковые режимы и режимы стационарной генерации гиротронов с СРТМ Выяснены условия устойчивости одномодовой генерации и селекции мод в гиротронах с предварительной модуляцией пучка Результаты теории свидетельствуют о возможности достижения в этих системах существенной селекции мод и высокого КПД

В п 1 10 описываются и исследуются предложенные автором многолучевые гиротроны, где к основному пучку добавляется один или несколько соос-ных с ним полых винтовых электронных пучков (рис 2) В зависимости от параметров (главным образом - величин осцилляторной и дрейфовой скоростей) дополнительные пучки могут быть излучающими или выполнять функцию электронных поглотителей Рассматриваются два варианта многолучевых гиротронов - с дополнительными излучающими и с диссипативными пучками и показывается, что в обоих случаях имеет место существенное усиление селекции мод по поперечному индексу Рассмотрены варианты магнетронно-инжекторных электронно-оптических систем для двухлучевых гиротронов

В п 111 проанализирован ряд факторов, хотя и не приводящих к полному cpi.n,\ генерации рабочей моды, но, тем не менее, оказывающих существенное влияние на процессы в резонаторе и КПД гиротрона (статический пространственный заряд ВЭП (собственное кулоновское поле пучка в резонаторе), не-

фиксированность ВЧ поля, циклотронная реабсорбция, скоростной и энергетический разброс ВЭП и другие) Все эти факторы должны быть учтены при сопоставлении расчетных данных с экспериментом Рассмотрена относительная важность указанных факторов с точки зрения их влияния на КПД гиротрона

Рис. 3

Во второй главе описываются экспериментальные исследования мощных гиротронов миллиметрового диапазона на основном циклотронном резонансе. В п. 2.1 излагаются основные проблемы, решение которых определяет достижимые параметры мощных длинно-импульсных и непрерывных гиротронов. В п. 2.2 представлены методы и результаты экспериментальных исследований характеристик интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) для ряда гиротронов. Типичный вид магнетронно-инжекторной пушки для формирования ВЭП мощного гиротрона представлен на рис. 3 (анод снят). Развивается, предложенная автором, методика экспериментального изучения влияния электронов, отраженных от магнитной пробки и захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом. На основе полученных экспериментальных результатов анализируются возможности оптимизации интенсивных ВЭП для мощных гиротронов в разных частотных диапазонах.

В п. 2.3 описываются эксперименты с высокоэффективными гиротронами с осевым выводом ВЧ энергии на рабочей моде (рис. 4). Рассматриваются несколько вариантов гиротронов с модами ТЕ11.3 (83 ГГц/1 МВт), ТЕ15.4 (100 ГГц/0.5 МВт) и ТЕ22.6 (140 ГГц/0.5 МВт). Здесь и далее используется общепринятое сокращение параметров гиротронов: (частота / мощность /длительность импульса). Приведены результаты измерений зависимости выходной мощности и КПД от магнитного поля, ускоряющего напряжения и тока электронного пучка. Измерения выходной мощности выполнены калориметрическим методом. Продемонстрировано, что при наличии высококачественного винтового электронного пучка, даже при сравнительно простой конфигурации резонатора гиротрона могут быть реализованы высокие значения КПД (до 50% и выше) при уровне выходной мощности 0,5-1 МВт.

Практически во всех современных гиротронах высокого уровня мощности имеется встроенный квазиоптический преобразователь (КОП) рабочей моды в волновой пучок оптимизированной структуры [39-42]. Использование КОП позволяет пространственно разделить отработанный электронный пучок и выходное излучение, и это дает возможность независимо оптимизировать коллектор и систему вывода выходной мощности. Кроме того, снижается влияние отраженного сигнала на работу гиротрона, что особенно важно при работе на модах высоких типов.

Я-----*

Рис. 4

Результаты экспериментов по оптимизации гиротронов со встроенным преобразователем даются в п. 2.4. На рис. 5 показан типичный вид экспериментального макета гиротрона со встроенным преобразователем. Решаются вопросы селекции колебаний, проводится анализ эффективности преобразования выходного излучения в гиротроне с модой ТЕ^.4 с частотой 110 ГГц мощностью 0,5 МВт. Результаты исследований аналогичных коротко-импульсных прототипов мощных квазинепрерывных гиротронов на модах ТЕ,9.5 (ПО ГГц/1 МВт), ТЕ22.6 (140 ГГц/0,5 МВт), ТЕ32.8 (140 ГГц/1 МВт), ТЕ,8.7 (170 ГГц/ 1 МВт), и ТЕ25.ю (170 ГГц/1 МВт) также изложены в этом разделе. В результате проведенных работ удалось существенно снизить долю потерь рассеянного излучения в КОП и повысить эффективность гиротронов.

Рис. 5 о о <

В п. 2.5 исследуются возможности повышения КПД мощных гиротронов при использовании рекуперации. В п. 2.5.1 рассмотрены принципиальные предпосылки к отбору остаточной энергии электронного пучка в гиротронах и обсуждаются варианты схем рекуперации. Экспериментальное исследование функции распределения электронов по энергиям на коллекторе в рабочем режиме генерации коротко-импульсного гиротрона излагается в п. 2.5.2. Методика и результаты экспериментального исследования рекуперации в 110 - 170 ГГц гиротронах миллиметрового -| (-0 8 2 диапазона приведены в ^ (-с

п. 2.5.3. На рис. 6 приведе- * - - -

<60- ,-/ \ | ны измеренные зависимо- с ' 7 — х г

сти выходной мощности 110 ГГц гиротрона с рабочей модой ТЕ19.5 от тормо- 4°-| [_04 * зящего напряжения на коллекторе, пунктиром показана теоретическая оценка.

В п. 2.5.4 обсуждается о м 20 зо

предложенная и реализо- Тормозящее напряжение, кВ

ванная в эксперименте «ее- Рис- 6

тественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне с обращенной магнетронно-инжекторной электронной пушкой. Продемонстрировано, что эта схема, без изменения конструкции гиротрона, существенно повышает его КПД, а также дает возможность реализации электронной перестройки частоты и глубокой амплитудной модуляции.

Использование частотно-перестраиваемых гиротро-нов (ступенчатая перестройка частоты) миллиметрового диапазона мегаваттного уровня мощности для плазменных экспериментов представляет явный интерес [43]. Разработка такого многочастотного гиротрона описана в п. 2.6. В экспериментальном макете реализована генерация на мегаваттном уровне мощности нескольких мод с высоким КПД (свыше 40 % без использования рекупера- р" ции и около 70 % с рекуперацией) в интервале частот 105-168 ГГц. Все рабочие моды эффективно преобразованы в волновой пучок встроенным КОП.

В п. 2.7 изложены результаты разработки мощных опытно-промышленных длинно-импульсных и непрерывных высокоэффективных гиротронов (включая варианты с рекуперацией) с частотами до 170 ГГц (см. рис. 7), разработанных на основе вышеуказанных экспериментов (п. 2.2-2.6). На рис. 8 показана зависимость КПД и выходной мощности 170 ГГц/1 МВт гиротрона от тормозящего напряжения в режиме рекуперации. Проведено сравнение разработанных гиротронов с зарубежными аналогами.

Рис. 7

Рис. 8

""ж -

Л

♦ Рвых ж КПД

24 26 28

Напряжение рекуперации, кВ

В п. 2.8 изложены результаты создания опытно-промышленного гиротрона с рабочей модой ТЕ22.8, обеспечивающего на частоте 300 ГГц. непрерывную генерацию с мощностью 2 кВт. Гиротрон разработан для использования в лабораторном комплексе (см. рис. 9) совместно с «сухим» криомагнитом и предназначен для исследования новых материалов и технологических процессов, а также медико-биологических экспериментов в университете г. Фукуи (Япония).

В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования процессов взаимодействия мод при излучении на гармониках циклотронной частоты. В п. 3.1 рассмотрены особенности гиротронов на второй гармонике гирочастоты. Далее, в п. 3.2.1 описан лабораторный макет гиротрона с рабочей модой ТЕ02, (А,=8,9 мм) и развивается предложенная автором методика экспериментального изучения процессов взаимодействия мод, основанная на анализе областей генерации (модовых карт) (п. 3.2.2). Анализируются основные эффекты, сопровождающие конкуренцию колебаний при излучении на второй гармонике циклотронной частоты. Проводится исследование эффективности электродинамической и электронной селекции мод (п. 3.2.3). На рис. 10 приведены зависимости выходной мощности и КПД гиротрона до (индекс -1) и после (индекс - 2) обеспечения комбинированной селекции. Основные экспериментальные результаты сопоставляются с выводами теории, что приводит к ряду рекомендаций (п. 3.2.3) по обеспечению устойчивой одномодовой генерации на второй гармонике гирочастоты.

В п. 3.3.1 описывается мощный гиротрон на второй гармонике циклотронной частоты, созданный с учетом указанных рекомендаций (мода ТЕ0зь 25 ГГц/0,5 МВт, КПД=40 %). Магнитное поле создавалось соленоидом с водяным охлаждением. Гиротрон имеет осевой вывод энергии и снабжен добавочной катодной катушкой и триодной магнетронно-инжекторной пушкой для подстройки параметров ВЭП. Для тонкой коррекции распределения магнитного поля в резонаторе использованы дополнительные катушки. Эффекты

Рис. 9

Р. кВт

У

у -р а

И \Л / У <гг

иг 1 иа-г Олб 'ЗнВ

¿г 1 */«.= зу«з 13*В

Рис. 10

конкуренции мод, синхронных с пучком на разных гармониках гирочастоты, исследуемые в этом гнротроне, изложены в п.3.3.2. Обнаружено, что, конкуренция паразитных мод, синхронных с первой гармоникой гирочастоты ограничивает выходную мощность гиротрона на уровне 500 кВт.

В п. 1.9 излагалась теория многолучевых гиротронов, предложенных автором. Результаты экспериментов с двухлучевыми гиротронами, работающими на второй гармонике циклотронной частоты, даются в п. 3.4 и п. 3.5. Для экспериментов использовались модификации гиротрона, исследованного в п. 3.3. У гиротрона с дополнительным поглощающим пучком (п. 3.4) в результате подавления паразитных мод на основном гирорезонансе выходная мощность увеличивается с 0,36 МВт до 0,6 МВт (КПД=18%, мода ТЕ03,, частота 25 ГГц) (п. 3.4.3). В двухлучевом гиротроне с двумя активными пучками (п. 3.5) (мода ТЕозь частота 25 ГГц), конструкция электронной пушки (фото на рис. 11) допускала независимое управление токами пучков. На рис. 12 показана зависимость выходной мощности (сплошные линии) и КПД (пунктир) гиротрона от суммарного тока пучков, при токе дополнительного пучка /2) равном 0; 6,2 и 13 Л. В экспериментах достигнута выходная мощность около 1 МВт (КПД=25 %, мода ТЕо31, частота 25 ГГц), являющаяся рекордной для гиротронов на гармониках гирочастоты. Максимальный КПД в указанном гиротроне был близок к 40 %, при несколько меньшей выходной мощности (0,7 МВт).

к

я.

Яшк

Чг \

1 йинкщМ \

п.» Р,МВт

"1 ' Г"

го 40

"I-'-II,А

Рис. 11

Рис. 12

Результаты экспериментов с гиротронами на связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ), работающими на второй гармонике циклотронной частоты, изложены в п. 3.6. В экспериментальном макете гиротрона с двумя вариантами связанных резонаторов (п. 3.5.) достигнута выходная мощность 120-140 кВт (при КПД 20-25 %). Резонаторы имели одинаковую ре-

Р. кВт

100

60

20

О

8

Рис. 13

1.Л

зонансную частоту рабочей моды, но отличались значением добротностей и распределениями ВЧ поля. Зависимости выходной мощности и КПД от тока пучка для обоих вариантов резонаторов (1 и 2) приведены на рис. 13. В указанном гиротроне с оптимизированной электронно-оптической системой и 2-м вариантом резонатора был реализован максимальный КПД более 45 % при выходной мощности 30 кВт. Полученные экспериментальные результаты находятся в хорошем соответствии с расчетными данными. Полученные результаты сопоставлены с данными, приведенными в публикациях других авторов по гиротронам с СРТМ, работающих на 1-3-й гармониках в широком диапазоне частот, мощностей и длительностей импульса. По уровню типичных значений КПД гиротроны с СРТМ, по меньшей мере, не уступают гиротронам с одиночным резонатором. Приведенные данные свидетельствуют о возможности реализации высокоэффективных гиро-тронов с электродинамической системой типа связанных резонаторов с

трансформацией мод. Хорошее соответствие расчетных и экспериментальных характеристик указывает на достаточную точность методов расчета электродинамической системы и выходных параметров.

В п. 3.6 изложены результаты разработки и исследований гиро-тронов на высоких гармониках (от 3-й до 5-й) с приосевым электронным пучком, также часто называемых «гиротронами с большими орбитами» (ГБО или в англоязычной литературе - LOG [44]). Исследования проводились совместно с университетом г. Фукуи (Япония) и Институтом электроники Болгарской академии наук. Особенностью гиротронов с приосевым ВЭП является повышенный уровень электронной селекции, что способству-

коллектор

зонатор

постоянный магнит

ет реализации гиротронов на высоких гармониках, но в них существует ряд специфических проблем, требующих своего решения Отличительной чертой данного исследования было использование магнитной системы с максимальным полем около 1 Т на основе постоянных магнитов (изготовлен фирмой Шин-Етсу, Япония) и неадиабатической системы формирования ВЭП (см рис 14) В экспериментах с ГБО при использовании нескольких резонаторов на частоте 85 ГГц была достигнута выходная мощность 2,5 кВт на третьей гармонике гирочастоты, около 0,5 кВт (112,7 ГГц) на четвертой и порядка 10 Вт (~140 ГГц) на пятой гармонике

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы

Основные результаты диссертации

1 Предложен метод анализа взаимодействия мод в гироприборах, основанный на изучении модовых карт (областей генерации по магнитному полю) Показано, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном цикло/ронном резонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность излучения на второй гармонике гирочастоты Подавление указанных паразитных мод существенно увеличивает стабильность колебаний и способствует повышению мощности гиротронов на второй гармонике

2 Разработана методика экспериментального исследования винтовых электронных пучков с использованием добавочной диафрагмы, помещенной в нарастающее магнитное поле Методика позволяет сравнивать характеристики пучков при наличии и отсутствии электронов, отраженных от магнитного зеркала и захваченных в адиабатическую ловушку Продемонстрировано, что отраженные электроны оказывают существенное влияние на характеристики формируемых пучков Разработанная методика использована при оптимизации электронно-оптических систем мощных гиротронов

3 Предложены и исследованы гиротроны с дополнительными поглощающими или излучающими электронными пучками, в которых реализуется высокая степень электронной селекции мод При использовании дополнительного излучающего пучка получена выходная мощность генерации около 1 МВт на второй циклотронной гармонике

4 Экспериментально и теоретически показано, что использование гиротронов на связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ) не только обеспечивает высокую степень селекции мод, но и способствует повышению КПД и снижению уровня омических потерь в резонаторе

5 Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на третьей-пятой гармониках гирочастоты при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка даже при умеренных энергиях частиц.

6 Продемонстрирована эффективная и стабильная работа гиротронов на очень высоких объемных модах резонаторов (например, ТЕ25 ю) Использование таких высоких мод позволило обеспечить мегаваттный уровень мощности непрерывной генерации

7 Продемонстрирована эффективность использования рекуперации остаточной энергии электронов в мощных гиротронах Рекуперация значительно повышает КПД и одновременно упрощает решение проблемы охлаждения коллекторов и источников питания Для коаксиального гиро-трона предложена «естественная» схема рекуперации, не требующая изменения конструкции и перспективная для повышения КПД и управления параметрами выходного излучения

8 Предложены и разработаны прототипы высокоэффективных длинноим-пульсных и непрерывных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, нашедшие широкое применение в плазменных исследованиях и разработке перспективных технологических процессов

Положения, выносимые на защиту

1 Основным фактором, ограничивающим мощность излучения гиротронов, работающих на гармониках гирочастоты, является конкуренция со стороны паразитных мод, взаимодействующих с пучком на более низких гармониках

2 Оптимизация характеристик винтовых электронных пучков на основе комбинации экспериментов и численного анализа позволяет реализовать высокий КПД гиротронов (около 50%) даже при сравнительно простой форме резонатора

3 Применение в гиротронах эффективных методов селекции (связанных резонаторов с трансформацией мод (СРТМ), дополнительных электронных пучков, приосевых ВЭП) делает гиротроны на гармониках гирочастоты перспективными источниками мощного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах

4 Использование высоких мод резонатора позволяет реализовать мегаваттный уровень мощности гиротронов с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима

5 Рекуперация остаточной энергии электронов на коллекторах мощных гиротронов, не нарушая устойчивость генерации, дает возможность повышения КПД и принципиальных упрощений систем охлаждения коллекторов и источников питания

6 Разработанные прототипы высокоэффективных, непрерывных гиротронов мегаваттного уровня мощности, в том числе многочастотный гиротрон и варианты гиротронов с рекуперацией, являются перспективными источниками мощного излучения в миллиметровом диапазоне

Список цитируемой литературы

1 Гапонов-Грехов А В , Петелин М И Мазеры на циклотронном резонансе //Наука и человечество М Знание, 1980 С 283-298

2 Релятивистская высокочастотная электроника /Под ред А В Гапонова Горький ИПФ АН СССР, 1979

3 Вакуумная СВЧ электроника / Под ред М И Петелина) Н Новгород ИПФ РАН, 2002

4 Братман В Л Общий метод генерации электромагнитных волн от СВЧ до гамма-диапазона//Соросовский образовательный журнал 1999 №9 С 75-80

5 Gaponov-Grekhov А V and Granatstein VL (1994) Applications of HighPower Microwaves, Artech House, Norwood, MA

6 Трубецков Д И , Храмов A E Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков М Физматлит, 2003

7 Tsimrmg ShE Electron Beams and Microwave Vacuum Electronics, Published by John Wiley & Sons Inc , Hoboken, New Jersey, 2007

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

9 Петелин М И , Юлпатов В К Мазеры на циклотронном резонансе // Лекции по электронике СВЧ 3-я зимн школа-семинар инженеров Кн 4 Саратов СГУ, 1974 С 95-178

10 Гапонов А В , Гольденберг А Л , Петелин М И, Юлпатов В К Прибор для генерации электромагнитных колебаний в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн А С 223931 (СССР) Заявл 24 03 67, опубл 25 03 76

11 Gaponov А V , Flyagin V А , Goldenberg A L , et al Powerful millimeter -wave gyrotrons // Int J Electronics, V 51 No 4 P 277-302, 1981

12 Andronov A A, Flyagin V A, Goldenberg A L, et al, The gyrotron highpower source of millimeter and submillimeter waves // Infrared Phys 1978 V 18, No 5-6 P 385-395

13 Nusinovich G S Introduction to the Physics of Gyrotrons The Johns Hopkins University Press, Baltimore-London, 2004

14 Thumm M State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers FZK Karlsruhe, 2006

15 Thumm M High power gyro-devices for plasma heating and other applications // Int J Infrared Millim Waves, 26, 2005 P 483-503

16 Edgcombe С J (Editor), Gyrotron Oscillators - Their Principles and Practice, Taylor & Francis, London, 1993

17 Kartikeyan M V, Bone E , Thumm M К A Gyrotrons - High Power Microwave and Millimeter Wave Technology, Springer Berlin, 2004

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

Вайнштейн Л А Общая теория резонансных электронных автогенераторов // Электроника больших мощностей М Наука, 1968, вып б С 84-129 Лэмб У Теория оптических мазеров // Квантовая оптика и квантовая радиофизика М Мир, 1966 С 281 Бломберген Н Нелинейная оптика М Мир, 1966 Ханин Я И Квантовая радиофизика М Сов радио, 1975 Быков Ю В , Власов С Н , Гольденберг АЛ и др Селекция мод в мощных гиротронах//Гиротрон Горький ИПФ АН СССР, 1981 С 185-191 Моисеев М А , Нусинович Г С К теории многомодовой генерации в ги-ромонотроне//Изв вузов Радиофизика 1974, т 17, №11 С 1709-1717 Лучинин А Г , Нусинович Г С , Усов В Г , и др Электронная селекция мод в гиротронах, работающих на модах шепчущей галереи // Гиротро-ны Горький ИПФ АН СССР, 1980 С 139-146

Завольский Н А , Нусинович Г С , Павельев А Б , Устойчивость одномо-довых колебаний и нестационарные процессы в гиротронах со сверхразмерными низкодобротными резонаторами // Гиротрон Горький ИПФ АН СССР, 1981 С 84-112

Петелин М И Электронная селекция мод в гиротроне // Гиротрон Горький, ИПФ АН СССР, 1981 С 77-85

Petelin М I Mode selection in High Power Microwave Sources // IEEE Trans On Electron Devices, V 48, No 1, 2001 P 129-133

Власов С H , Жислин Г М , Орлова И М , и др Открытые резонаторы в виде волноводов переменного сечения // Изв вузов Радиофизика, 1969, т 12, №8, С 1236-1244

Нусинович Г С , Флягин В А , Проблемы разработки гиротронов // Гиро-троны Горький ИПФ АН СССР, 1989 С 7-11

Петелин М И, Флягин В А , Проблемы создания систем электронно-циклотронного нагрева плазмы // Гиротроны Горький ИПФ АН СССР, 1989 С 195-201

Лукша О И , Пиосчик Б , Соминский Г Г , и др Мощные гиротроны для систем управляемого термоядерного синтеза и технологии // Изв РАН Энергетика 2006 №5 С 131-146

Sakamoto К , Tsuneoka М , Kasugai A et al Major improvement of gyrotron efficiency with beam energy recovery//Phys Rev Letters 1994, 73, No 26 P 352-353

Kasugai A , Sakamoto К ,Takahashi К , et al, 1 MW and long pulse operation of Gaussian beam output gyrotron with CVD diamond window for fusion devices//Fusion Eng and Design, V 53, No 1,2001 P 399-406 Dammertz G , Alberti S , Arnold A , et al Recent Results of the 1-MW 140GHz TE22,6-Mode Gyrotron // IEEE Transacton on plasma science, vol 27, No2, 1999 P 330-339

35 Ogawa I, Idehara T, et al Application of Submilhmeter Wave Gyrotron to plasma diagnostics // 28lh Int Conf Infrared and Millimeter Waves, Otsu, Japan, September 29-October 26, 2003 P.403-404

36 Нусинович ГС, Эрм РЭ КПД МЦР-монотрона с гауссовым продольным распределением высокочастотного поля // Электронная техника Сер 1 Электроника СВЧ 1972 №8 С 55-60

37 Кураев А А , Ковалев И С , Колосов С В Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ Минск Наука и техника, 1975

38 Кисель Д В , Кораблев Г С , Павельев В Г, и др Экспериментальное исследование гиротрона на второй гармонике циклотронной частоты с оптимизированным распределением высокочастотного поля // Радиотехника и электроника 1974 Т 19, №4 С 782-788

39 Павельев В Г, Цимринг Ш Е Открытый резонатор (авторское свидетельство № 661664 с приоритетом от 15 авг 1977г), Офиц Бюлл КДИО СМ СССР, №17, С 234

40 Глазман В Н , Богданов С Д, Власов С Н и др Мазер на циклотронном резонансе (авторское свидетельство № 952033 с приоритетом от 15 янв 1981г) от 14епр 1982 г

41 Власов СН, Орлова ИМ, Петелин МИ Квазиоптические преобразователи собственных волн волноводов кругового сечения // Изв вузов Радиофизика, 1972, т 16, №10, С 1913-1918

42 Demsov, G G, Petelm, М I, and Vinogradov, D V, 1990, Converter of high-mode of a circular waveguide into the main mode of a mirror line W090/0780 HOIPI/16, PCT Gazette, 16, P 47-49

43 Thumm M , Arnold A, Bone E , et al Frequency step-tunable megawatt gyro-trons for plasma physics applications // Fusion Eng and Design, 53 (2001) P 407-421

44 Братман В JI, Калынов Ю К, Федотов А Э , К теории гироприборов с тонкими электронными пучками (гиротрон с большими орбитами) // ЖТФ 1998 Т 68, № 10 С 91-96

Список основных публикаций автора по теме диссертации

1а Гольденберг АЛ, Денисов ГГ, Запевалов BE, Литвак А Г, Флягин В А Мазеры на циклотронном резонансе состояние и проблемы // Изв вузов Радиофизика 1996 Т 39, №6 С 635-670

2а Denisov G G , Litvak A G , Zapevalov V Е, et al Megawatt-power gyrotrons for fusion // Proceedings of the Int Workshop "Strong Microwave in Plasmas" N Novgorod, 2006 P 62-75

3a Zapevalov V E , Denisov G G , Flyagin V A , et ai Development of 1MW Output Power Level Gyrotron for ITER // Plasma Devises and Operations, 1998 Vol 6 P 111-117

4a Zapevalov V Е, Denisov G G, Flyagin V A, et al Development of 170GHz/lMW Russian Gyrotron for ITER // Fusion Engineering and Design Dec 2000, Volume/ issue 53/1-4, P 377-385 5a Мясников В E , Литвак А Г, Запевалов В E , и др Развитие сверхмощных длинноимпульсных и непрерывных гиротронов в диапазоне 110-170 ГГц //Радиотехника №2 2000 С 67-71 6а Запевалов В Е Гиротрон пределы роста выходной мощности и КПД //

Изв вузов Радиофизика 2006 Т49,№10 С 864-871 7а Запевалов В Е , Кораблев Г С , Цимринг Ш Е Экспериментальное исследование гиротронов на второй гармонике циклотронной частоты с оптимизированным распределением высокочастотного поля // Радиотехника и электроника, 1977, т 22, №8, С 1661-1669 8а Fix A Sh, Flyagin V А, Zapevalov VE, et al The problem of increase m power, efficiency and frequency of gyrotrons for plasma investigations // Int J Electronics, 57 (1984) №6, P 821-826 9a Запевалов В E , Зарницына И Г , Нусинович Г С О возбуждении паразитных мод, резонансных с первой гармоникой циклотронной частоты, в гиротроне, работающем на моде, резонансной со второй гармоникой // Изв вузов Радиофизика, 1979, т 22, №3 С 366-372 10а Запевалов В Е , Нусинович Г С Установление колебаний в двухмодовом

гиротроне//Изв вузов Радиофизика, 1984, т 27, №1 С 117-120 11а Запевалов В Е , Нусинович Г С К теории амплитудно-фазового взаимодействия мод в электронных мазерах // Изв вузов, Радиофизика, 1989, т 32, №3 С 347-355 12а Нусинович Г С , Запевалов В Е, Автомодуляционная неустойчивость излучения гиротронов // Радиотехника и электроника, 1987, т 19, №8 С 563-570 13а Запевалов В Е , Цимринг Ш Е Многолучевые гиротроны // Изв вузов,

Радиофизика, 1990 , т 33, №11 С 1288-1295 14а Запевалов В Е , Мануйлов В Н , Цимринг Ш Е Электронно-оптические системы двухлучевых гиротронов // Изв вузов, Радиофизика, 1991, т34, №2 С 205-211

15а Запевалов В Е Взаимодействие мод в гиротронах, работающих на гармониках гирочастоты//Изв вузов Радиофизика, 1983, т 26, №12 С 1593-1598 16а Запевалов В Е , Малыгин С А , Павельев В Г , Цимринг Ш Е Гиротроны на связанных резонаторах с трансформацией мод // Изв вузов, Радиофизика, 1985, т 27, №4 17а Pavelyev V G , Tsimring Sh Е , Zapevalov V Е Coupled cavities with mode

conversion in gyrotrons//Int J Electronics, 1987, v 63, №3, P 379-391 18a Запевалов В E , Моисеев M А Влияние провисания потенциала пучка в

гиротронах//Изв ВУЗов, Радиофизика, 1997, т 40, №8 С 1042-1049 19а Завольский Н А, Запевалов В Е, Моисеев МАО повышении КПД релятивистского гиротрона// Изв вузов Радиофизика, 2001, т 44, №4, С 345-352

20a Moiseev М А, Zapevalov V Е , Zavolsky N А , Efficiency enhancement of relativistic gyrotrons // International Journal of Infrared and Millimeter Waves, June 2001, V 22, N06 P 813-834 21a Zaitsev NI, Ginzburg N S , Zapevalov V E et al "X-Band High-Efficiency Relativistic Gyrotron" // IEEE transactions on Plasma Science 30 (2002) No 3 P 840-846

22a Зайцев H И , Гинзбург H С , Запевалов В Е , и др Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ импульса // Письма в ЖТФ, т 27, вып 7 С 8-16, 2001

23а Зайцев Н И , Запевалов В Е , Петелин МИ, и др , Десятимегаваттный импульсный гиротрон с длиной волны 1 м и КПД 50% // Изв вузов Радиофизика, 2003, т 46, №10 С 914-918 24а Zapevalov V Е Problems and Advances of High Power Gyrotrons // Proc of 4t International Kharkov Symposium "Physics and engineering of millimeter and sub millimeter waves", June 4-9, 2001, Kharkov, Ukraine, P 117-122 25a Zapevalov V E Problems and Advances of High Power Gyrotrons // ITG-Fachbencht 165, Displays and Vacuum Electronic, Contributions to the ITG-Conference, May 2-3, 2001, Garmish-Partenkirchen, P 137-142 26a Zapevalov VE Gyrotron limits of growth // Proceedings of the 14th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emissiom and Electron Cyclotron Resonance Heating -EC-14, Santonni, Greece, 9-12 May 2006, Editor Avrilios Lazaros, Heliotopos Conferences Ltd, P 526-530 27a Zapevalov V E Advances and Problems of High Power Gyrotrons // Proc Int Conf "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies", 1999, St Petersburg, Russia, St Petersburg S T U, P 150-153 28a Zapevalov V E Increasing Power and Efficiency of gyrotrons // Fusion Science and Technology, 2007, Vol 52, No2, P 340-344 29a Завольский H A , Запевалов В E , Моисеев M А Влияние разброса скоростей и энергий в электронном пучке на стартовые условия и КПД гиро-трона // Изв Вузов Радиофизика, 2006, т 49, №2, С 121-133 30а Запевалов В Е , Куфтин А Н, Лыгин В К, Постникова А С Численное моделирование и экспериментальное исследование винтовых электронных пучков сверхмощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн // Прикладная физика, 2000, №3, С 14-24 31а Lygm V К , Tsimring Sh Е , Kufhn A N, Zapevalov V Е // Numerical simulation and experimental study of magnetron-injection guns for short-wave gyrotrons // Int J Electronics, 1992, vol 72, No 5-6, P 1145-1152 32a Запевалов В E , Куфтин A H , Лыгин В К , Цимринг Ш Е Численное моделирование и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек мощных гиротронов // Изв ВУЗов Радиофизика, 1992, т 35, №11-12, С 999-1007

33a Kuftm А N, Lygin V К , Zapevalov V Е , et al Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams // Int J of Infrared and Millimeter Waves, 20 (1999) No 3, P 361-382 34a Венедиктов H П , Глявин M Ю , Запевалов В E , и др Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ, 2000, том 70, вып 4, С 95-98

35а Glyavin М Yu, Goldenberg A L, Zapevalov V Е , et al Eperimental Studies of Gyrotron Electron Beam Systems // IEEE transactions on Plasma Science, 27 (1999) No2,P 474-483 36a Завольский H A , Запевалов В E , Моисеев M А Численное исследование процессов в резонаторе непрерывного 170 ГГц/ 1 МВт гиротрона для ITER с рабочей модой ТЕ25 10 // Изв ВУЗов, Радиофизика, 1999, т42, №3, С 225-234

37а Moiseev М А , Zavolsky N А , Zapevalov V Е Numerical study of processes in the cavity of the 170 GHz gyrotron for ITER operating at the ТЕ 25 10 mode //Int Journal of Infrared and Millimeter Waves, Sep 2000, V 21, No9, P 210-232

38a Flyagin VA, Khizhnyak VI, Zapevalov VE, et al Investigation of advanced coaxial gyrotrons at IAP RAS // Int Journal of Infrared and Millimeter Waves, 24, No 1, (2003), P 2-17 39a Bogdashov A A, Chirkov A V , Denisov G G , Zapevalov V E , et al High-Efficient Mode Converter for ITER Gyrotron // Int Journal of Infrared and Millimeter Waves 26, (2005) No 6 P 771-785 40a Запевалов В E, Моисеев M А Влияние послерезонаторного взаимодействия на КПД гиротрона // Изв вузов Радиофизика, 2004, т 47, №7, С 584 592 41а Запевалов В Е, Малыгин О В Дифракционная добротность слабоконических резонаторов гиротронов // Изв Вузов Радиофизика, 1983, т26, №7, С 903-905

42а Запевалов В Е , Куфтин А Н , Малыгин С А , Тай Е М Низкодобротные резонаторы для мощных гиротронов // Изв ВУЗов, Радиофизика, 1994, т 37, №3, С 381-387 43а Запевалов В Е , Курбатов В И , Малыгин О В , Мануйлов В Н , Нусино-вич Г С , Цимринг Ш Е Мазер на циклотронном резонансе Авторское свидетельство №786677, 1980 44а Запевалов В Е , Курбатов В И , Малыгин О В , Мануйлов В Н , Нусино-вич Г С , Цимринг Ш Е Двухлучевая электронная пушка мазера на циклотронном резонансе (варианты) - Авторское свидетельство №897039 1981

45а Аликаев В В , Денисов Г Г , Запевалов В Е , Литвак А Г, и др Гиротро-ны для УТС // Высокочастотная вакуумная электроника Сборник обзоров, Нижний Новгород, ИПФ РАН 2002 С 71-76

46а Н А Завольский, В Е Запевалов, М А Моисеев Численное моделирование динамических процессов в гиротронах с низкодобротными резонаторами // Изв Вузов, Радиофизика, 2006, т 49, №4, С 307-320 47а Запевалов В Е Селекция мод в гиротронах высокой мощности // Материалы международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ», Саратов, СГУ 2001, С 64-66 48а Завольский Н А , В Е Запевалов, Моисеев М А , Немировская J1 JI Численное исследование процессов в резонаторе непрерывного гиротрона с частотой 170 ГГц и выходной мощностью 1 МВт для ITER // Изв вузов, Радиофизика, 1997, т 40, №6, С 788-796 49а Moiseev М А , Nemirovskaya L L, Zapevalov V Е , Zavolsky N A Numerical simulation of mode interaction m 170 GHz/ 1 MW gyrotrons for ITER // Int Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1997, V 18, No 11, P 2117-2128 50a Глявин M Ю , Запевалов В E , Куфтин A H Конкуренция мод в нестационарных режимах мои^ных гиротронов//Изв Вузов Радиофизика, 41, №6, 1998 С 803-812 51а Глявин М Ю, Запевалов В Е Влияние отражений на устойчивость автоколебаний в гиротронах//Изв вузов Радиофизика, 41, №10,1998, С 1348-1357 52а Гинзбург Н С , Глявин М Ю , Запевалов В Е , и др Использование отражения с запаздыванием для получения автомодуляционных и стохастических режимов генерации в гиротронах миллиметрового диапазона // Письма в ЖТФ, т 24, №11, 1998, С 53-59 53а Glyavin М Yu , Zapevalov V Е Reflection Influence on the Gyrotron Oscillations Regimes // Int J of Infrared and Millimeter Waves, 1998, V 19, Noll, P 1499-1512

54a Денисов Г Г , Запевалов В Е , Литвак А Г, Мясников В Е Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС // Изв Вузов, Радиофизика, 2003, т 46, №10, С 845-859 55а Запевалов В Е , Цимринг Ш Е Экспериментальные исследования интенсивных винтовых пучков с захваченными электронами // Изв Вузов Радиофизика, 1994, т 38, №8, С 860-869 56а Tsimring Sh Е , Zapevalov V Е Experimental study of intense helical electron

beams with trapped electrons // Int J electronics, 1996, vol 81, №2, P 199-205 57a Венедиктов H П , Глявин M Ю , Запевалов В E , и др Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне., ЖТФ, 2000, т 70, вып 12, С 63-66 58а Denisov GG, Venediktov NP., VE Zapevalov, et al 110 GHz gyrotron with a built-in high-efficiency converter // Int J Electronics, 1992, v 72, No 5-6, P 1079-1091 59a Венедиктов H П , Глявин M IO , Запевалов В E , Куфтин А H Экспериментальное исследование 110 ГГц/1 МВт гиротрона с одноступенчатой

рекуперацией энергии // Изв Вузов, Радиофизика, т41, №5, 1998 С 670680

60а Glyavin М Yu, Kuftin А N, Venediktov N Р , Zapevalov V Е Experimental Investigation of 110 GHz/ 1 MW Gyrotron with the One-Step Depressed Collector // Int Journal of Infrared and Millimeter Waves, Nov 1997, V 18, Noll.P 2129-2136

61a Thumm M, Flyagin VA, Zapevalov VE, et al A 15 MW, 140 GHz TE28,16 Coaxial Cavity Gyrotron // IEEE trans on Plasma SCIENCE, 1997, V 25, No3, P 460-459 62a Piosczyk В , Thumm M , Zapevalov V E , et al Coaxial Cavity Gyrotron with Dual RF-Beam Output // IEEE trans on Plasma Science, 1998, V 26, No3, P 393-401

63a Запевалов В E , Павельев А Б , Хижняк В И Экспериментальная проверка естественной схемы рекуперации энергии электронного пучка в коаксиальном гиротроне//Изв вузов Радиофизика, 2000, т 43, №8, С 747-751 64а Запевалов В Е , Денисов Г Г , Куфтин АН, и др Разработка прототипа многочастотного мегаваттного гиротрона в диапазоне 105-156 ГГц// Изв вузов Радиофизика, 2004, т 47, №5-6, С 443-452 65а Чирков А А , Денисов Г Г , Запевалов В Е , и др Многочастотный гиро-трон с высокоэффективным синтезированным волноводным преобразователем // Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып 8 С 71-75 66а Запевалов В Е , Калынов Ю К , Тай Е М , и др Низкочастотные гиротро-ны для термоядерных исследований // Изв вузов Радиофизика, 2006, т 49, №3, С 207-218

67а Запевалов В Е , Тай Е М , Идехара Т, и др Мощный генератор непрерывного электромагнитного излучения частотой 300 ГГц // Изв вузов Радиофизика, 2007, т 50, №6, С 461-470 68а Запевалов В Е , Малыгин С А , Цимринг Ш Е Мощные гиротроны на второй гармонике циклотронной частоты // Изв вузов Радиофизика, 1993, т 36, №6, С 543-552 69а Запевалов В Е, Мануйлов В Н , Малыгин О В , Цимринг Ш Е Мощный двухлучевой гиротрон на второй гармонике циклотронной частоты // Изв вузов Радиофизика, 1994, т 37, №3, С 387 70а Idehara Т, Ogawa I, Zapevalov V, et al A High Harmonic Gyrotron and with an Axis-Encircling Electron Beam and a Permanent Magnet // IEEE Transaction on Plasma Science June 2004, v 32, No 3 P 903-910 71a Idehara T , Ogawa I, Zapevalov V, et al Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet // Elsevier Vacuum 77 (2005) P 539-546 72a Leuterer F , Litvak A , Zapevalov V, et al Status of the new ECRH system for ASDEX Upgrade // Fusion Eng and Design, 74, (2005) P 199-203

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Обозначения и сокращения 4

Введение б Глава 1 Методы и результаты теории селекции и взаимодействия мод в гиротронах

со сверхразмерными резонаторами 24 1 1 Проблема взаимодействия мод в гиротронах с резонаторами большого поперечного

сечения 24 1 2 Стартовые токи мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами и селекция мод

на стадии самовозбуждения 27 1 3 Уравнения нестационарных процессов в многомодовых гиротронах и устойчивость

стационарной одномодовой генерации 30 1 4 Получение устойчивой стационарной одномодовой генерации при взаимодействии

мод, синхронных с пучком на первой и второй гармониках циклотронной частоты 36

1 5 Особенности конкуренции мод с продольной структурой бегущей вотны 42 1 6 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с энергетическим взаимодействием

мод 50 1 7 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с амплитудно-фазовым взаимодействием мод 60 1 8 Обеспечение устойчивости генерации в трехмодовом гиротроне с фазовой связью мод 66 1 9 Использование связанных резонаторов с трансформацией мод в гиротронах 73 1 ] 0 Селекция мод в многолучевых гиротронах 84

1 11 Влияние статического пространственного заряда в электронных пучках, циклотронной

реабсорбции и ряда других факторов на характеристики гиротрона 96

Выводы 101 Глава 2.Экспериментальные исследования и разработка мощных гиротронов

на основном циклотронном резонансе 102

2 1 Основные проблемы мощных квазинепрерывных гиротронов миллиметрового диапазона 102 2 2 Иссчедование и оптимизация параметров электронного пучка в мощных гиротронах

миллиметрового диапазона 108

2 3 Исследование высокоэффективных гиротронов с выводом энергии на рабочей моде 127

2 4 Оптимизация гиротрона со встроенным преобразователем 136

2 5 Рекуперация в мощных гиротронах 155

2 6 Разработка мощного многочастотного гиротрона 171 2 7 Опытно-промышленные квазинепрерывные гиротроны мегаватгного уровня мощности

дляУТС 180

2 8 Создание непрерывного гиротрона с частотой 300 ГГц 186

Выводы 191

Глава 3. Экспериментальное исследование гиротронов на гармониках гирочастоты 192

3 1 Особенности гиротронов на гармониках гирочастоты 192 3 2 Эффекты конкуренции мод и селекция колебаний в гиротроне на второй гармонике

с рабочей модой ТЕог 194

3 3 Мощный гиротрон на второй гармонике гирочастоты 208

3 4 Гиротрон на второй гармонике с дополнительным поглощающим пучком 217

3 5 Мощный гиротрон с двумя излучающими пучками 221

3 6 Гиротроны со связанными резонаторами с трансформацией мод 225

3 7 Гиротроны на высоких гармониках с приосевым пучком 229

Выводы 236

Заключение 237

Цитированная литература 239

Список авторских работ 252

ЗАПЕВАЛОВ Владимир Евгеньевич

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОДНОМОДОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНЫХ ГИРОТРОНОВ

Автореферат

Подписано к печати 14 04 08 Формат 60 * 90 '/¡6 Бумага офсетная № 1 Печать офсетная Уел печ л 1,75 Тираж 100 экз Заказ № 38(2008)

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

Оглавление

Обозначения и сокращения

Введение.

Глава 1. Методы и результаты теории селекции и взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами.

1.1 Проблема взаимодействия мод в гиротронах с резонаторами большого 24 поперечного сечения

1.2 Стартовые токи мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами и 27 селекция мод на стадии самовозбуждения.

1.3 Уравнения нестационарных процессов в многомодовых гиротронах и ус- 30 тойчивость стационарной одномодовой генерации.

1.4 Получение устойчивой стационарной одномодовой генерации при взаи- 36 модействии мод, синхронных с пучком на первой и второй гармониках циклотронной частоты.

1.5 Особенности конкуренции мод с продольной структурой бегущей волны.

1.6 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с энергетическим 50 взаимодействием мод.

1.7 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с амплитудно- 60 фазовым взаимодействием мод

1.8 Обеспечение устойчивости генерации в трехмодовом гиротроне с фазо- 66 вой связью мод.

1.9 Использование связанных резонаторов с трансформацией мод в гиротро- 73 нах.

1.10 Селекция мод в многолучевых гиротронах.

1.11 Влияние статического пространственного заряда в электронных пучках, 96 циклотронной реабсорбции и ряда других факторов на характеристики гиротрона

Выводы.

Глава 2 Экспериментальные исследования и разработка мощных гиротронов на основном циклотронном резонансе. 2.1 Основные проблемы мощных квазинепрерывных гиротронов миллиметрового диапазона

2.2 Исследование и оптимизация параметров электронного пучка в мощных 108 гиротронах миллиметрового диапазона

2.3 Исследование высокоэффективных гиротронов с выводом энергии на ра- 127 бочей моде.

2.4 Оптимизация гиротрона со встроенным преобразователем.

2.5 Рекуперация в мощных гиротронах.

2.6 Разработка мощного многочастотного гиротрона.

2.7 Опытно-промышленные квазинепрерывные гиротроны мегаваттного 180 уровня мощности для У ТС.

2.8 Создание непрерывного гиротрона с частотой 300 ГГц

Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование гиротронов на гармониках 192 гирочастоты.

3.1 Особенности гиротронов на гармониках гирочастоты.

3.2 Эффекты конкуренции мод и селекция колебаний в гиротроне на второй 194 гармонике с рабочей модой ТЕ02.

3.3 Мощный гиротрон на второй гармонике гирочастоты.

3.4 Гиротрон на второй гармонике с дополнительным поглощающим пучком

3.5 Мощный гиротрон с двумя излучающими пучками

3.6 Гиротроны со связанными резонаторами с трансформацией мод.

3.7 Гиротроны на высоких гармониках с приосевым пучком. 229 Выводы

Актуальность работы.

Поиски путей создания высокоэффективных источников когерентного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, техническое освоение новых диапазонов частот и новых уровней мощности всегда составляли одну из основных задач исследований. С одной стороны, эти исследования были стимулированы потребностями нелинейной оптики, физики плазмы и электроники СВЧ, а с другой - явились закономерным этапом развития теории колебаний распределенных систем. Применительно к нелинейной оптике и электронике СВЧ одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля. В сущности, этим определяются предельные энергетические параметры соответствующих систем. Указанная задача в той или иной форме ставилась уже на первых этапах развития электроники СВЧ, в которой характерные размеры рабочего пространства были сравнимы с длиной волны. Пространственная структура электромагнитного поля в этих случаях соответствовала собственным колебаниям (модам) электродинамических структур.

В классической слаборелятивистской электронике СВЧ, базирующейся на черенков-ском и переходном излучениях электронов, в качестве электродинамических структур, как правило, использовались резонаторы, работающие на основном виде колебаний, и замедляющие системы. Анализ модового взаимодействия здесь практически не имел отношения к таким "грубым" характеристикам системы, как предельная мощность и КПД. Ситуация радикально изменилась после открытия новых принципов автофазировки заряженных частиц и основанных на них электронных приборов СВЧ, в которых используется индуцированное излучение классических электронных осцилляторов [1-8], а также релятивистских электронных систем [8-12].

Принципиальная возможность в указанных системах существенно увеличивать объем рабочего пространства при сохранении заданного частотного диапазона (за счет взаимодействия с незамедленными электромагнитными волнами) ставит проблему селекции и взаимодействия мод как одну из основных и наиболее актуальных.

Особый интерес представляет исследование магнитотормозного индуцированного излучения электронов в однородном магнитном поле (мазеры на циклотронном резонансе [1, 13, 14]). К настоящему времени МЦР и созданные в нашей стране гиротроны (А.В.Гапонов-Грехов, А.Л. Гольденберг, М.И. Петелин, В.А.Флягин, В.К. Юлпатов и др.) [13 - 16], значительно превзошли по уровню средней мощности [1, 16-19, 1а-7а] другие источники СВЧ излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Выходные характеристики этих приборов, способных работать в длинно-импульсном или непрерывном режиме генерации, позволяют успешно использовать их в качестве источников СВЧ-энергии в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу (УТС), а также в области технологии обработки материалов и для многих других приложений [17-19]. Гиротрон - относится к классу мазеров на циклотронном резонансе (или гирорезонансных мазеров), приборов основанных на индуцированном магнитотормозном излучении электронов, вращающихся в магнитном поле и являющихся неизохронными осцилляторами вследствие релятивистского эффекта.

Гиротроны состоят из адиабатической пушки магнетронного типа, открытого резонатора с дифракционным выводом СВЧ-энергии и выходного узла, включающего в себя коллектор электронов и, обычно, преобразователь рабочей моды в волновой пучок с линейной поляризацией. Варианты общей схемы гиротрона без преобразователя мод и с преобразователем приведены на рисунках В. 1а и В. 16, соответственно. Сильные магнитные поля, необходимые для работы гиротронов миллиметрового диапазона, обычно создаются сверхпроводящими соленоидами.

Главные проблемы, которые необходимо решить при разработке мощных гиротронов таковы [1а-7а]:

• формирование интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП), с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом частиц;

• обеспечение устойчивой, высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах;

• эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок с оптимизацией его пространственного распределения;

• разработка надежного коллектора электронного пучка;

• создание выходного окна, способного передать высокочастотное излучение из гиротрона в рабочем режиме.

Все эти проблемы только в некоторой степени являются независимыми, а по мере развития мощных и высокоэффективных гиротронов все их приходиться решать в той или иной связи. Существенным обстоятельством является то, что ни удельные, ни интегральные тепловые нагрузки ни в одной из подсистем гиротрона не должны превышать некоторых предельных значений, обычно обусловленных возможностями системы охлаждения. Максимальные величины статических и высокочастотных полей не должны превышать пробойных значений. Существуют и другие ограничения, носящие более частный характер.

Как известно, и в электронике СВЧ и в нелинейной оптике одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля. Явно выраженная тенденция к увеличению

ООАШЩ а)

ЗЕРКАЛО б

Рис. В.1. мощности излучения ведет к созданию систем с развитым пространством взаимодействия. В циклотронных мазерах, а особенно в тех разновидностях МЦР, которые используют винтовые электронные пучки и однородное магнитное поле, возможности увеличения активной среды и рабочего пространства весьма значительны. Поэтому в указанных системах наиболее целесообразно использовать пространственно развитые электродинамические структуры. Следует иметь в виду, что развитие пространства взаимодействия существенно увеличивает вероятность резонансного взаимодействия активной среды одновременно с несколькими модами [20-22]. Многомодовость в МЦР приводит к нестабильности и полному срыву генерации на рабочей моде, перескокам частоты и многочастотной генерации с примесью паразитных мод или излучению только паразитных видов. Эти эффекты подобны явлениям конкуренции и кооперации мод в генераторах и усилителях СВЧ и оптического диапазонов [2328]. В таких системах растет число возможных типов колебаний и проблема возбуждения только одного рабочего колебания все более усложняется.

Для обеспечения одномодовой генерации в МЦР применяются методы электродинамической и электронной селекции. Первые состоят в снижении добротности паразитных мод или изменении плотности спектра вблизи рабочей моды (С.Н.Власов, А.Л.Гольденберг, И.М.Орлова, М.И.Петелин и др.) [16, 29-34]. Примерами электродинамической селекции является применение коаксиальных [16, 29], связанных, двухзеркальных [16, 29-30] и гофрированных [34] резонаторов. Электронная селекция использует то обстоятельство, что электронный поток по-разному взаимодействует с модами, отличающимися друг от друга эффективным объемом, продольным распределением и поперечной структурой поля [16, 30-32].

До проведения настоящего исследования изучение взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами в основном ограничивались рамками теоретического анализа. Несмотря на то, что основные уравнения, описывающие процессы в гиротроне, были уже получены, расчет конкретных систем находился на уровне аналитических оценок и первоначального численного моделирования, в рамках возможностей ЭВМ того времени. Методика экспериментального исследования таких гиротронов и их подсистем также была в начальной стадии разработки. Эксперименты сводились, главным образом, к регистрации зависимостей выходной мощности и КПД от тока пучка, ускоряющего напряжения и. т.д. Получаемые при этом величины максимальной выходной мощности и порогового тока, соответствующего срыву генерации, содержали мало информации и были недостаточны для сопоставления с теорией. Таким образом, и теория и эксперимент в то время не были доведены до уровня, допускающего их непосредственное количественное сопоставление.

Первоначально конкуренция мод в гиротроне и эффективность различных методов селекции оценивались лишь на основании линейной теории (из сравнения стартовых токов конкурирующих мод). Впоследствии была развита более полная теория, позволяющая анализировать многомодовый гиротрон с учетом нелинейных эффектов. В [20, 21, 35-38] сформулированы уравнения, описывающие многомодовые процессы в гиротроне и рассмотрен двух-модовый гиромонотрон, в котором ширина резонансных кривых и разнос собственных частот мод малы по сравнению с шириной полосы циклотронного резонанса. В [35] на основе общих уравнений двухмодового гиротрона [20] получены условия устойчивой стационарной одномодовой генерации гиротрона. В [36] уравнения многомодового гиротрона обобщены на случай нефиксированной структуры полей мод в низкодобротных резонаторах (самосогласованная задача).

Анализ условий одновременного возбуждения многих мод и их взаимодействия в ги-ротронах со сверхразмерными резонаторами требует нестационарного рассмотрения. Только в этом случае можно выяснить характер установившегося режима генерации (если он реализуется). Как следует из рассмотрения простейших моделей [21, 37, 38], нелинейные колебательные процессы в МЦР могут носить черты не только конкуренции, но и кооперации мод. Определение соответствующих условий для реальных генераторов и в том числе нахождение конкретных условий, при которых взаимодействие мод носит характер конкуренции или кооперации, представляет собой задачу, важную для разработки коротковолновых гиротро-нов большой мощности. По существу, это связано с вопросом определения предельной эффективности нелинейной электронной селекции.

Особое место в изучении межмодового взаимодействия при индуцированном циклотронном излучении занимает проблема устойчивости одномодовой генерации на гармониках циклотронной частоты. Теоретически и экспериментально было показано, что гиротрон на второй гармонике (МЦР-2) может иметь КПД на уровне лучших образцов гиротронов на основном циклотронном резонансе (А.В.Гапонов, А.Л.Гольденберг, В.К.Юлпатов, М.И.Петелин, Г.Г.Нусинович, А.А.Кураев, Ш.Е.Цимринг и др. [14, 39-46, 8а, 9а]). В прикладном плане гиротроны на второй гармонике с непрерывной мощностью порядка 10 кВт особенно привлекательны для технологических приложений [17-19, 1а, 9а-14а]. Снижение магнитного поля в гиротронах на гармониках (МЦР-n) существенно упрощает конструкцию магнитной системы, а при имеющихся магнитных полях позволяет получать наиболее коротковолновое излучение. Можно указать и другие особенности гиротронов на гармониках, благоприятствующие их применению [48]. Однако реализация всех этих достоинств наталкивается на существенно меньшую устойчивость генерации МЦР-2, обусловленную конкуренцией типов колебаний [22, 48, 8а, 9а-17а]. Для гиротронов на гармониках, где эффекты неустойчивой генерации очень сложны, разработка адекватной методики экспериментального изучения взаимодействия мод имеет первостепенное значение. В то время как в гиротронах на основном циклотронном резонансе были разработаны и широко используются различные методы селекции мод, в гиротронах на гармониках гирочастоты опыт подавления паразитных мод практически отсутствовал.

Совершенно очевидна важность задачи формирования активной среды гирорезонанс-ных мазеров - интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) - с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом [22, 47-51, 1а, 7а, 15а, 18а]. Исследования характеристик реальных винтовых электронных пучков необходимы как для оптимизации систем формирования, так и для корректного анализа взаимодействия мод. Соответственно, требуется разработка методики определения параметров ВЭП, проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиротронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории. С другой стороны, результаты теоретического и экспериментального исследования должны привести к выработке требований к характеристикам активной среды и соответствующих систем формирования ВЭП. Взаимосвязь модо-вого взаимодействия и структуры электронных пучков также не была изучена в достаточной мере и требовала специальных исследований, в том числе особенностей систем с секционированной активной средой.

Для продвижения в более высокие уровни рабочих частот и мощностей могут оказаться благоприятными особенности селекции мод в гирорезонансных мазерах с секционированным пространством взаимодействия, где области модуляции электронного пучка и энергоотбора пространственно разделены [1, 18, 22, 43, 44, 47, 49]. Наиболее перспективные варианты таких систем должны быть детально рассмотрены как теоретически, так и экспериментально.

Вплотную к вышеупомянутым задачам исследования электронных потоков и процессов взаимодействия мод примыкает задача использования рекуперации остаточной энергии электронных потоков для повышения КПД высокомощных гиротронов [18, 49, 51, 52, 1а, 7а, 15а]. Отметим, что повышение КПД в непрерывных гиротронах большой мощности зачастую является фактически необходимым условием реализации надежного коллектора электронного пучка. Кроме того, использование рекуперации способствует повышению эффективности и надежности гиротронных комплексов [52, 7а]. Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией являются составными частями этой задачи.

Целью диссертационной работы является:

1. Развитие теории взаимодействия мод в сверхразмерных резонаторах при магнитотор-мозном излучении электронов, в том числе и на гармониках циклотронной частоты и, в частности, исследование нестационарных процессов взаимодействия мод в гиротронах и нахождение условий устойчивости одномодовой генерации с высоким КПД.

2. Разработка методики экспериментального исследования винтовых электронных пучков - активной среды гирорезонансных мазеров, особенно свойств пучков существенных для взаимодействия мод. Проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиро-тронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.

3. Развитие методики экспериментального исследования взаимодействия мод. Проведение экспериментов с гиротронами на основном гирорезонансе и гармониках циклотронной частоты и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.

4. Разработка методов электронной и электродинамической селекции мод, в частности, применение связанных резонаторах с трансформацией мод и многолучевых электронных потоков.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией энергии.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами:

1. Предложена и отработана методика экспериментального исследования межмодового взаимодействия в гиротронах, основанная на изучении структуры зон генерации различных мод.

2. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном гирорезонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность циклотронных мазеров, работающих на гармониках циклотронной частоты.

3. Предложена и реализована новая модификация методики измерения параметров винтовых электронных пучков, позволяющая оценить влияние электронов, захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом, и с помощью указанной методики исследованы электронно-оптические системы гиротронов в широком диапазоне частот. С использованием новой методики проведена оптимизация электронно-оптических систем мощных гиротронов.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность работы гиротронов с использованием высших пространственных мод резонатора, что позволило реализовать мегаваттный уровень мощности с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.

5. Разработаны и экспериментально исследованы прототипы и опытно-промышленные образцы высокоэффективных мощных квазинепрерывных гиротронов, работающие на высших пространственно-развитых модах, включая гиротроны, в которых радикально повышен выходной КПД и снижена нагрузка на коллектор путем рекуперации остаточной энергии электронного пучка. В миллиметровом диапазоне (длины волн 3,6-1,7 мм) достигнута максимальная выходная мощность свыше 1 МВт при КПД до 40% без рекуперации и более 60% с рекуперацией,

6. Предложены и исследованы многолучевые гиротроны, в которых радикально усиливается селекция мод по поперечному индексу. Предложены варианты двухлучевых электронно-оптических систем МЦР. Впервые созданы и экспериментально исследованы двух-лучевые гиротроны, работающие на второй гармонике циклотронной частоты (максимальная выходная мощность около 1 МВт при КПД 25% и длине волны 12 мм).

7. Выяснены условия, при которых существенно усиливается селекция мод и в то же время может быть реализован высокий КПД в гиротронах на связанных резонаторах с трансформацией мод.

8. Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на 3-5-й гармониках гирочастоты, даже при умеренных ускоряющих напряжениях, при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка.

9. Предложена и экспериментально проверена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне. Реализация этой схемы существенно улучшает характеристики коаксиального гиротрона (КПД, перестройка частоты, возможность глубокой амплитудной модуляции) без изменения его конструкции.

Практическая значимость.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию генераторов миллиметрового диапазона мегаваттного уровня мощности с рекордными энергетическими характеристиками. Эти результаты могут быть также использованы при проектировании нового поколения высокоэффективных гиротронов мегаваттного и многомегаваттного уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Перспективным путем для увеличения мощности единичного гирорезонансного мазера представляется использование многолучевых МЦР. Разработка гироприборов, работающих на гармониках гирочастоты, представляет интерес для создания гиротронных технологических комплексов, для плазменных экспериментов, а также для освоения наиболее коротковолновых диапазонов.

Непосредственным применением диссертационной работы является использование ее результатов при создании гиротронных комплексов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза типа стелларатор (W7-AS) и то-камак: Т10, Т15, D-IIID, Asdex-Upgrade, TEXTOR, ИТЭР и др., а также гиротронов для технологических приложений.

К диссертации прилагается соответствующая справка НПП «ГИКОМ» об использовании).

Апробация результатов

Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по электронике сверхвысоких частот, на зимних школах-семинарах по теоретической электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1977,1984, 1996,1999, 2001, 2006гг.), Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н. Новгород, 2005, 2007), Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ст. Петербург 1990, 1996, 2002, 2005), Российско-Германских семинарах по гиротронам и ЭЦРН (1989-2007 гг.), Российско-Американских семинарах по гиротронам и линиям передачи (Нижний Новгород 1992г., 1998г., 2002г.), Международной университетской конференции по радиофизике и электронике сверхвысоких частот (Ст. Петербург, 1999), на 14-ой международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (2004, Севастополь, Украина), на Международных Харьковских симпозиумах «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (Харьков, Украина, 2001, 2004, 2007), на 1- 6-й Международных конференциях «Мощные микроволны в плазме» (1990, 1993; 1996, 1999; 2002; 2005; Н.Новгород), Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам (Лозанна, Швейцария, 1991; Пасадена, США 1992; Колчестер, Великобритания, 1993; Сендай, Япония, 1994; Орландо, США, 1995; Берлин, Германия, 1996; Винтер-грин, США, 1997; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтрей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Отсу, Япония, 2003; Карлсруэ, Германия, 2004; Вильямсбург, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006гг), Международных конференциях по Электронно-циклотронному излучению (ЕС6 -Хэфей, КНР, 1989г.; ЕСЮ-Амеланд, Нидерланды, 1997г; ЕС 11 - Охараи, Япония, 2000г; ЕС 12 - Экс-эн-Прованс, Франция, 2002г, ЕС-13 - Нижний Новгород, 2004г, ТС 14 - Санторин, Греция 2006г.), Международных конференциях по вакуумным электронным приборам (IVEC-2002, Монтерей, США; 2002; IVEC

2004 Сеул, Корея 2004; IVEC-2005 Нордвик, Нидерланды 2005; IVEC-2007, Китаюосю, Япония, 2007), Международных конференциях по вакуумной электронике и дисплеям (Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 1995, 1998г, 2001г, 2004г.), а также на научных семинарах кафедры электроники ННГУ, МИЭМ, НИРФИ и ИПФ РАН.

Публикации.

По теме диссертации автором сделано 166 публикаций. Среди публикаций:

26 статей издано в зарубежных журналах: ШЕЕ Transactions on Plasma Science - 5, Int. Journal of Electronics -6, Int. Journal Infrared and Millimeter Waves - 12, Int. Journal Vacuum - 1, Plasma device and operation -1, Fusion Engineering and design-2, Fusion Science and Technology -1.

44 статьи напечатано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов: Изв. ВУЗов. Радиофизика - 36, Электронная техника, серия Электроника СВЧ - 1, Письма в ЖТФ - 3, ЖТФ - 2, Радиотехника и электроника - 2, Прикладная физика -1.

2 статьи размещены в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК: Электронная промышленность -1, Радиотехника -1.

7 - статей в тематических сборниках

31 - статья в сборниках трудов конференций 55 - тезисов докладов на конференциях, 2 работы являются авторскими свидетельствами.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы (172 названия)) и списка авторских публикаций (166 пунктов). Объем диссертации составляет 267 страниц, включая 160 рисунков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ