Низкочастотные колебания пространственного заряда и их влияние на характеристики винтового электронного потока и параметры гиротронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Самсонов Дмитрий Борисович

Низкочастотные колебания пространственного заряда и их влияние на характеристики винтового электронного потока и параметры гиротронов

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2008

003454025

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель

кандидат физико-магматических наук,

доцент

Лукша Оле1 Игоревич

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Нечаев Владислав Евгеньевич

доктор технических наук, профессор

Григорьев Андрей Дмитриевич

Ведущая организация - Физико-технический институт им А Ф Иоффе РАН

Защита состоится «11» декабря 2008 г в 16 час 00 мин. в ауд 470 на заседании диссертационного совета Д 212 229 01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу 195251, Санкт-Петербург. Политехническая ул , 29, уч корпус II

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный полшехнический университет»

Автореферат разослан «5» ноября 2008 г

Ученый секретарь диссершционного совета Д 212 229 01. док юр технических

наук, профессор

Короткое А С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время перспективными в развитии и применении являются мощные генераторы когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн - электронные мазеры на циклотронном резонансе (МЦР). Данные приборы используются для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, дальней радиолокации, ускорения элементарных частиц, модификации свойств материалов и ряда других применений

Наиболее эффективной и самой распространенной разновидностью МЦР является ги-ротрон (например, [1 -4]). Основные проблемы гиротронов в высокоэнергетичных приложениях связаны с получением большой выходной мощности в длинноимпульсном и квазинепрерывном режимах работы. Высокие уровни мощности заставляют уделять пристальное внимание эффективности всей системы как при преобразовании энергии электронов в ВЧ излучение, так и при транспортировке винтового электронного потока (ВЭП) от катода до резонатора.

Важным фактором, препятствующим достижению высокого качества формируемого ВЭП и, как следствие, повышению эффективности гиротронов, являются развивающиеся в канале транспортировки пучка коллективные процессы в пространственном заряде на частотах, много меньше циклотронной (например, [5 - 15]). В спектре этих процессов можно выделить низкочастотные составляющие (/"—100 МГц), которые связаны с отражением части потока от магнитной пробки и коллективным движением электронов в ловушке между катодом и резонатором гиротрона. Для выявления путей повышения качества ВЭП необходимо детальное изучение влияния низкочастотных колебаний (НЧК) пространственного заряда на основные характеристики электронного потока и выходные параметры гиротрона, а также определение способов подавления данных паразитных колебаний. Подавление колебаний дает возможность реализовать стабильную работу гиротронов в режимах с большим питч-фактором, характеризующим отношение поперечной скорости электронов к продольной, что открывает перспективы повышения КПД таких приборов

Исследования последних лет (например, [8, 16, 17]) показали, что важным фактором, определяющим качество ВЭП, является неоднородность эмиссии с термокатода магнетрон-но-инжекторной пушки (МИП). Неоднородные поля пространственного заряда, обусловленные неоднородностью эмиссии, приводят к возрастанию скоростного разброса электронов, что, в свою очередь, может способствовать возбуждению паразитных НЧК. Кроме того.ле-, ,

з

\

\ "

однородное распределение плотности заряда в ВЭП приводит к возбуждению паразитных мод в резонаторе, неравномерной тепловой нагрузке на коллектор и другим паразитным эффектам, снижающим эффективность и предельные параметры гиротронов.

Недостаток сведений о характеристиках паразитных НЧ колебаний и, в частности, их связи с неоднородностями термоэлектронной эмиссии с катода, о влиянии колебаний на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротронов, а также о возможных способах управления колебаниями препятствует повышению эффективности гиротронов и достижению предельных выходных параметров таких приборов.

Целями настоящей диссертационной работы являлись определение влияния НЧ коллективных процессов в канале транспортировки пучка и особенностей термоэмиссии с катода на характеристики ВЭП и выходные параметры экспериментального импульсного ги-ротрона, а также изучение возможностей повышения эффективности гиротрона на основе разработанных способов подавления паразитных НЧ колебаний при оптимизации распределения электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработка и реализация в экспериментальном 4-мм гиротроне комплекса слабовоз-мущающих диагностик, обладающих высоким пространственным и временным разрешением, которые позволяют определять:

- амплитудно-частотные характеристики динамических процессов в пространственном заряде ВЭП в диапазоне частот до - 350 МГц;

- пространственное распределение эмиссии с катода МИП и пространственную структуру ВЭП в коллекторной области;

- разброс электронов по энергиям в коллекторной области с чувствительностью менее 1 %, необходимой для выявления влияния переменных полей, связанных с НЧ колебаниями, на энергетический разброс электронов в ВЭП

2. Определение влияния паразитных НЧ колебаний на распределение электронов пучка по энергиям в экспериментальном гиротроне.

3. Исследование неоднородностей электронной эмиссии гексаборид-лантановых и ме-таллопористых термокатодов, влияния на степень неоднородности эмиссии режимов тренировки и эксплуатации катодов

4 На основе сравнения данных, полученных при использовании различных катодов, изучение влияния эмиссионной неоднородности на пространственную структуру ВЭП

и скоростной разброс электронов, на характеристики НЧ колебаний и на выходные параметры гиротрона

5. Реализация эффективных способов подавления НЧ колебаний путем оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП

6. С использованием разработанных способов подавления колебаний расширение зоны стабильной работы гиротрона, характеризующейся отсутствием паразитных колебаний, малым разбросом электронов по скоростям и энергиям, в область больших (более 1.5) значений питч-фактора.

7. Исследование возможности повышения КПД экспериментального гиротрона с достаточно однородным катодом за счет реализации режимов стабильной работы с большим питч-фактором.

Проведение подобных исследований непосредственно в сверхмощных гиротронах ме-гаваттного уровня мощности, работающих в непрерывном или длинноимпульсном режимах, как правило, затруднено Имея в виду общность основных физических процессов, происходящих на этапе формирования ВЭП в гиротронах, в качестве экспериментального прибора был выбран 4-мм гиромонотрон среднего (~ 100 кВт) уровня мощности, работающий в режиме разовых импульсов. Описанные в работе исследования проводились в постоянном контакте с разработчиками и изготовителями мощных гиротронов (ИПФ РАН, Исследовательский центр г. Карлсруэ), что позволяло оценить влияние изучаемых процессов на работу таких приборов и определить общность выявленных закономерностей Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые реализован комплекс слабовозмущающих диагностик в экспериментальном гиротроне, позволяющих получать в условиях одного эксперимента данные об основных параметрах, характеризующих качество ВЭП

2. Определена количественная связь между амплитудой паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда и энергетическим разбросом электронов в ВЭП.

3. На основе сравнения данных, полученных для катодов с разным типом эмиссионного покрытия, выявлено влияние пространственной однородности термоэлектронной эмиссии на интенсивность и пороговые условия возбуждения паразитных колебаний, а также на выходные параметры гиротрона.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность эффективного управления низкочастотными колебаниями в гиротроне за счет варьирования распределения элек-

трического поля в прикатодной области МИП и распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП

5. В эксперименте достигнуто повышение КПД экспериментального гиротрона приблизительно в 1.3 раза по сравнению с начальным расчетным режимом при использовании разработанных методов подавления низкочастотных колебаний Практическая ценность настоящей диссертации:

1. Разработанные и опробованные в данной работе методы диагностики могут быть использованы для исследования характеристик ВЭП в гиротронах широкого диапазона параметров, а также в других устройствах с электронными потоками.

2 Полученные данные по влиянию степени неоднородности эмиссии катода на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона могут служить основой для выработки требования к эмиттерам, используемым в устройствах гиротронного типа.

3 Методы подавления паразитных низкочастотных колебаний, опробованные в экспериментальном гиротроне, могут быть использованы для реализации режимов с повышенным питч-фактором и увеличения эффективности современных гиротронов различного назначения

Защищаемые положения:

1. Новые сведения, необходимые для развития представлений о закономерностях формирования ВЭП и характеристиках пространственного заряда в гиротронах, могут быть получены с помощью разработанного и реализованного комплекса слабовозму-щающих экспериментальных методов диагностики позволяющего:

- измерять азимутальные распределения плотности тока эмитированных электронов с катода с помощью анодного анализатора;

исследовать амплитудно-частотные характеристики низкочастотных колебаний пространственного заряда с использованием широкополосного зонда, локально связанного с ВЭП, и внешней антенны,

исследовать распределение электронов ВЭП по энергиям с помощью энергоанализатора с высокой чувствительностью, дающего возможность определять энергетический разброс электронов в пучке, равный ~ 0.3 % и более.

2. Увеличение эмиссионной однородности термокатода МИП, работающего в режиме температурного ограничения эмиссии, приводит к повышению качества формируемого ВЭП за счет снижения скоростного и энергетического разброса электронов в пучке, уменьшения интенсивности паразитных низкочастотных колебаний пространственно-

го заряда, повышения порогового питч-фактора возбуждения колебаний. Влияние данного фактора на качество ВЭП имеет место при величине эмиссионной неоднородности, превышающей некоторое пороговое значение (20 - 25 % для исследованного гиротрона), которое может различаться в разных устройствах гиротронного типа.

3. Возбуждение паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда в ВЭП сопровождается увеличением разброса электронов по энергиям, который может достигать 3 - 4 % в режимах работы с малой амплитудой колебаний вблизи порога их возникновения

4. Использование методов подавления паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда, основанных на оптимизации распределения электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП, позволяет увеличить пороговый питч-фактор возбуждения этих колебаний, что может быть использовано для повышения эффективности преобразования энергии ВЭП в электромагнитное излучение в устройствах гиротронного типа

Личный вклад автора: Автором были выполнены экспериментальные исследования, изложенные в данной диссертации, проведена обработка полученных данных Автор принимал участие в выборе направлений исследования, формулировке и постановке задач, обсуждении и интерпретации полученных результатов, в разработке, конструировании и наладке элементов экспериментальной установки.

Апробация результатов: Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции «High Energy Density and High Power RF» (Греция, 2005), «XIII Зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике» (Саратов, 2006), Международной конференции «Strong Microwaves in Plasmas» (H Новгород, 2006), Международных конференциях «Infrared and Millimeter Waves and Terahertz Electronics» (Китай, 2006, Великобритания, 2007), Международном совещании «Jomt Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons» (H. Новгород - Москва, 2006), Международная конференция «ICOPS 2008, 35th IEEE International Conference on Plasma Science» (Германия, 2008). Исследования, описанные в диссертации, были поддержаны фантами Российского фонда фундаментальных исследований № 08-02-00324а, № 05-02-08024, грантом 1NTAS № 03-51-3861, грантом Правительства Санкт-Петербурга в рамках конкурса грантов для студентов и аспирантов 2008. Результаты исследований были отмечены медалью РАН для молодых ученых и студентов 2005 года

По материалам диссертации опубликовано 15 работ, список которых приведен в конце автореферата

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, в ней имеется 54 рисунка, 3 таблицы, список литературы включает 71 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обозначена актуальность выбранной темы диссертации, обоснована постановка задачи, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов, приведены положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы и описан вклад автора

В главе 1 приведен обзор данных современной научно-технической литературы, касающихся проблем формирования ВЭП высокого качества в системах гиротронного типа. Особое внимание уделяется причинам скоростного и энергетического разброса в ВЭП, как основным факторам ухудшения эффективности энергообмена потока электронов с электромагнитным полем в гиротроне. Рассмотрены различные виды неустойчивостей, развивающихся в ВЭП гиротрона, которые являются причиной возникновения переменных полей пространственного заряда, приводящих к разбросу электронов по энергиям. Подробно рассматриваются способы измерения скоростного и энергетического разброса, а также неоднородности эмиссии с термокатода в устройствах гиротронного типа и полученные при этом результаты. Анализируются способы повышения качества ВЭП, связанные с влиянием на отражение электронов от магнитной пробки и развитие паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда.

В заключительной части данной главы приведены выводы из обзора литературы, на основе которых сформулированы задачи исследований настоящей работы.

В главе 2 описаны конструкция и основные характеристики экспериментальной установки, используемой в проведенных исследованиях, а также методы экспериментальных исследований и расчетов, выполненных в настоящей диссертации.

В п. 2 1 описаны конструкция и параметры экспериментального гиротрона, в качестве которого был выбран 4-мм импульсный гиромонотрон с расчетным значением выходной СВЧ мощности, равным ~ 100 кВт. В данном разделе обсуждаются методики измерения параметров выходного СВЧ излучения, приведены схемы питания экспериментального гиротрона и подключения измерительной аппаратуры. Приводятся траектории и параметры скоростного распределения электронов в расчетном режиме работы прибора, вычисленные с

помощью программы Е01Ж. Основные геометрические параметры и характеристики расчетного рабочего режима прибора указаны в табл. 1.

Таблица 1

Основные геометрические параметры и характеристики расчетного рабочего режима экспериментального гиротрона

Средний радиус катода Дк= 35 мм

Угол эмитирующей поверхности катода к оси = 35 град

Рабочая мода ТЕ|2.З

Рабочая частота /о = 74.7 ГГц

Ускоряющее напряжение (/о = 30 кВ

Коэффициент магнитной компрессии го/Вк=18 02

Питч-фактор а = 1.28

Магнитное поле в области резонатора Во = 2 75 Тл

Ток электронного пучка /„ = 10 А

Длительность импульса х = 5 - 60 мкс

Давление остаточного газа в гиротроне МО"7 - 1 10"6 Торр

В п. 2.2 описываются методики исследования характеристик ВЭП. В п. 2.2.1 изложены методы измерения характеристик динамических процессов в ВЭП с использованием специального зонда, сообщающегося с пространством дрейфа пучка через малое отверстие в канале его транспортировки, и расположенной вне оболочки прибора антенны. Зонд регистрировал наведенные сигналы, связанные с движением сгустков пространственного заряда в ближней к нему зоне пространства транспортировки пучка. Внешняя антенна улавливала излучения из прибора через выводы катода и диэлектрические элементы конструкции. Методика позволяла регистрировать характеристики сигналов в диапазоне частот до 350 МГц В п. 2.2.2 описывается метод изучения неоднородности эмиссии термокатодов МИП. Использовалась разборная катодная система, в которой смена эмиттеров производилась заменой молибденовой детали с эмитирующим пояском. Была предусмотрена возможность вращения катодной ножки по азимуту. Для анализа потока электронов, двигающихся с термоэмиттера по нормали к его поверхности, в аноде имелось отверстие диаметром 1 мм. Прошедшие через анодное отверстие частицы регистрировались с помощью анодного анализатора, выполненного в форме цилиндра Фарадея. Азимутальные распределения плотности тока эмиссии /,(0) были получены при измерении электронного тока, прошедшего через отверстие в аноде, в зависимости от азимутального положения катодного узла в отсутствие магнитного поля.

Степень эмиссионной неоднородности катода характеризовалась величиной относительного среднеквадратичного отклонения плотности тока эмиссии от среднего значения 5/3, которая определялась по измеренной зависимости /,(0). В работе изучались шесть эффективных термокатодов - четыре гексаборид-лантановых (К1, К2, К5 и Кб) и два металлопористых W-Ba (КЗ и К4). В п. 2 2 3 описывается метод исследования распределения электронов по энергиям. Выбор конструкции анализатора энергий электронов был основан на необходимости измерения малого энергетического разброса < 1 %, который может быть вызван воздействием на электронные траектории полей пространственного заряда на участке формирования ВЭП до его поступления в область резонатора. Энергоанализатор экспериментального гиротрона был установлен за узкой продольной щелью в коллекторе. Магнитное поле в области входного отверстия анализатора было в 150 раз меньше, чем в области резонатора гиротрона Энергоанализатор имел сферическую форму и был основан на методе тормозящего электрического поля. В режимах работы гиротрона при сравнительно большом магнитном поле, когда отсутствовали заметные ВЧ поля в пучке, способные изменить полную энергию электронов, разброс по энергиям 5е составлял 0 3-04 %. Эти минимальные значения разброса характеризовали чувствительность разработанного энергоанализатора.

В п. 2.3 описываются методы оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП. Для подавления паразитных НЧ колебаний в дрейфовом пространстве экспериментального гиротрона была использована разработанная в ИПФ РАН методика [18], основная идея которой заключается в оптимизации распределения электрического поля вблизи катода МИП за счет изменения геометрии катодного узла (п. 2.3.1). Исследование влияния распределения неоднородного электрического поля на паразитные НЧК и выходные параметры гиротрона проводилось при сопоставлении данных, полученных в приборе со стандартным и модифицированным катодными узлами. В стандартной катодной системе угол наклона поверхности катода к оси был одинаковым вдоль всей конусной части катода и равнялся 35 град. Особенность модифицированной системы состояла в увеличенном до 50 градусов угле наклона участка над пояском со стороны, удаленной от резонатора. В п 2 3.2 рассматривается методика регулирования распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП. Изменение распределения магнитного поля производилось, аналогично ранее разработанной методике [8], с помощью специальной управляющей катушки, установленной в конце области перемагничивания перед резонатором. В эксперименте использовались две катушки, различающиеся геометрией и количеством витков Степень воздействия на распределение B(z) регулировалось при изменении тока через управляющую катушку /уир по отношению к току основного соленоида /осн и полярности включения этой

катушки (встречное или попутное) Выбор параметров управляющей катушки, в частности, основывался на расчетных данных, полученных при численном моделировании динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона с помощью метода крупных частиц [7]

Главы 3-7 посвящены описанию и обсуждению результатов проведенных экспериментальных исследований

В главе 3 на основе данных, полученных для ЬаВ^ катода К1 с коэффициентом эмиссионной неоднородности 5/, = 23 %, описываются характеристики рабочего режима экспериментального гиротрона и низкочастотных паразитных колебаний пространственного заряда. С ростом величины магнитного поля в гиротроне происходило последовательное возбуждение мод типа ТЕШ,Л с увеличивающимся азимутальным индексом ш. Для расчетных значений ускоряющего напряжения и тока пучка максимальные значения выходной мощности (Ри = 95 кВт) и КПД (г| = 31 %) были достигнуты на рабочей моде ТЕ^.з- Эти измеренные значения мощности и КПД близки к соответствующим расчетным данным, полученным при значении питч-фактора электронов в ВЭП а = 1.28 Для данного катода К1 в области существования рабочей моды не было зафиксировано сигналов, свидетельствующих о возбуждении паразитных НЧ колебаний пространственного заряда. Такие сигналы появлялись при значении магнитного поля Во » 2 7 Тл, соответствующего границе рабочей моды. При уменьшении магнитного поля В() интенсивность паразитных 114 сигналов возрастала. Частота основной спектральной составляющей паразитных НЧ сигналов равнялась ~ 160 МГц. Было введено понятие порогового питч-фактора а„, соответствующего границе области существования паразитных НЧК, который был рассчитан с помощью программы Е01Ж и для катода К1 равнялся 1.31.

На основании комплекса полученных экспериментальных данных о спектральных характеристиках НЧ сигналов, зависимостях частоты и амплитуды сигналов от значений основных рабочих параметров, а также исходя из сопоставления этих данных с результатами измерений в других устройствах гиротронного типа и с теоретическими данными, описанными, в частности, в обзоре литературы, был сделан вывод, что фиксируемые НЧ сигналы связаны с колебаниями в электронном пространственном заряде, накопленном в ловушке гиротрона вследствие отражения части ВЭП от магнитной пробки.

В главе 4 изложены экспериментальные данные, описывающие энергетические спектры электронов в гиротроне в присутствии СВЧ генерации, а также влияние паразитных НЧ колебаний на разброс энергий электронов в ВЭП.

Энергетические спектры, измеренные в режиме с генерацией СВЧ энергии, сравнивались со спектрами, которые были рассчитаны в рамках самосогласованной модели [19]. Рас-

четы были выполнены для ВЭП, характеристики которого соответствовали экспериментальным значениям рабочих параметров гиротрона Энергетические спектры, измеренные в ги-ротроне с катодом К2 на основной ТЕп.з моде, с высокой точностью совпадали со спектрами, рассчитанными при значениях разброса поперечных скоростей 8у|П115 - 10 % (в расчетах разброс скоростей задавался как среднеквадратичное отклонение этой величины от среднего значения)

Исследование влияния паразитных НЧ колебаний на энергетические спектры электронов было выполнено в моделирующих режимах при пониженном ускоряющем напряжении, когда резонатор гиротрона был заменен специальным графитовым поглотителем. Данные меры позволили предотвратить возбуждение интенсивного миллиметрового излучения, сопровождающегося сильным уширением энергетического спектра электронов. В результате эксперимента, в частности, было установлено, что, при возбуждении паразитных колебаний, энергетический разброс 5с скачком возрастает с 0 3 - 0.4 % до 3 - 4 %. Данная закономерность, состоящая в одновременности появления НЧК и скачкообразного увеличения разброса электронов по энергиям в ВЭП, наблюдалась при разных значениях рабочих параметров гиротрона в отсутствие СВЧ генерации

Глава 5 посвящена исследованию эмиссионных характеристик термокатодов и влияния неоднородности эмиссии на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона.

В п. 5.1. приведены данные исследования особенностей азимутального распределения эмиссии катодов К1-К6. ЬаВб катоды показали устойчивую и стабильную работу в течение длительного времени Значения коэффициента эмиссионной неоднородности различались для этих катодов и лежали в интервале 20 - 50 %. Металлопористые \V-Ba катоды были в большей степени подвержены влиянию внешних факторов, таких как повышенное остаточное давление или пробои в лампе. Наблюдалось также увеличение эмиссионной неоднородности при длительной работе гиротрона в стандартном режиме с генерацией СВЧ мощности. Частично сгладить неоднородность эмиссии \V-Ba катодов удавалось, используя специальный режим тренировки при повышенной температуре с отбором тока на анод при низком напряжении

Путем сравнения азимутальных распределений плотности тока, измеренных в катодной и коллекторной областях, было установлено, что при транспортировке ВЭП в магнитном поле происходит частичное сглаживание мелкомасштабных неоднородностей эмиссии, обусловленное, видимо, перемешиванием электронных траекторий, при сохранении крупномасштабных особенностей пространственной структуры электронного потока. Было определено, что в расчетном рабочем режиме экспериментального гиротрона электронный поток в

процессе дрейфа от катода к коллектору поворачивается по азимуту на угол, равный ~ 15 град.

В п. 5.2 описывается влияние степени неоднородности эмиссии с катода на характеристики пучка и выходные параметры гиротрона. Было выявлено, что при переходе к более неоднородному катоду возрастает амплитуда паразитных НЧ колебаний при данном магнитном поле и уменьшается значение порогового питч-фактора, соответствующего возникновению этих колебаний. Было также обнаружено, что при этом падает максимальная выходная мощность на рабочей моде и КПД гиротрона. Полученные в этих экспериментах данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Коэффициент эмиссионной неоднородности йу „ максимальный КПД г|„акс (£Л) = 30 кВ, /„ = 10 А, а я 13), пороговый питч-фактор возбуждения НЧК а„ и суммарный разброс поперечной скорости электронов Зух^ для катодов К1 - К4, Кб Данные получены в стандартной конфигурации МИП при начальном расчетном распределении магнитного поля.

Катод 8/з Лм^КС а„ Зухпш

К4 13% 32% 1.31 8.8 %

К4 20% 32% 1.31 8.8 %

К1 23% 31 % 1.31 8 8%

Кб 30% 30% 1.26 9.2 %

К4 40% 28% 1.25 96%

К2 50% 26% 1.22 10%

КЗ 74% 20% 1.11 11 8 %

Наиболее вероятно, что изменение порогового питч-фактора возбуждения НЧК при переходе от катода к катоду обусловлено изменением скоростного разброса электронов в ВЭП из-за разного вклада фактора разброса, связанного с неоднородностью эмиссии. Снижение КПД и выходной мощности при увеличении степени неоднородности катода возможно по нескольким причинам: (1) из-за увеличения разброса по скоростям в ВЭП; (2) из-за возбуждения паразитных мод в резонаторе, (3) вследствие возрастания энергетического разброса, обусловленного действием переменных полей пространственного заряда при возбуждении паразитных НЧ колебаний.

Оценка влияния фактора скоростного разброса, связанного с эмиссионной неоднородностью катода, была проведена на основе рассчитанных при разных значениях разброса 8У1ти зависимостях коэффициента отражения электронов от магнитной пробки Я от величины питч-фактора а Проведенное ранее сравнение измеренных и рассчитанных энергетиче-

ских спектров электронов дало основание предположить, что в потоке, формируемом с помощью катода К2, в отсутствие НЧ паразитных колебаний разброс по скоростям 8у1ГП,ч = 10 %. Используя данные о скоростном разбросе и пороговом питч-факторе возбуждения НЧК для этого катода, по рассчитанным зависимостям К(а) было определено значение порогового коэффициента отражения от магнитной пробки Л„= 1.7-10"3, соответствующего появлению НЧ колебаний В предположении, что в данном экспериментальном гиротроне найденный пороговый коэффициент отражения одинаков для всех катодов, для каждого из них было определено значение разброса по скоростям в ВЭП на основании данных о пороговом питч-факторе. Полученные значения приведены в последнем столбце табл. 2

В случае, когда разброс плотностей тока эмиссии был менее 20 - 25 %, не было обнаружено заметного влияния степени эмиссионной неоднородности на интенсивность колебаний пространственного заряда, КПД и выходную СВЧ мощность гиротрона. Можно предположить, что в этом случае фактор, связанный с неоднородностью эмиссии, становится несущественным по сравнению с другими факторами, определяющими качество ВЭП в данном приборе.

В главе 6 описываются результаты экспериментов по управлению характеристиками НЧК с помощью регулируемых неоднородных электрических и магнитных полей.

В п. 6.1 приводятся результаты исследований по подавлению НЧК при варьировании распределения электрического поля в области МИП гиротрона. Из полученных данных следует, что произведенная замена стандартной катодной системы на модифицированную приводит к заметному падению амплитуды НЧК и увеличению (приблизительно до 1 4 для эмиттеров с о/,» 30 %) порогового значения питч-фактора, при превышении которого развиваются НЧК. В соответствии с результатами выполненных Лыгиным В К. (ИПФ РАН, Нижний Новгород) численных расчетов произведенное изменение геометрии катодной системы позволяет уменьшить поток электронов, отраженных от магнитной пробки, за счет изменения вида функции распределения электронов по поперечным скоростям. Увеличение утла наклона катода над эмитирующим пояском снижает поперечную к магнитному полю составляющую электрического поля в этой области и, как следствие, уменьшается доля электронов с большими поперечными скоростями, эмитированных с левого края термопояска, которые способны отразиться от магнитной пробки.

В присутствии НЧК добавляется также эффект, связанный со снижением влияния вторичных электронов с катода на накопление пространственного заряда в ловушке. Результатом этого является уменьшение скорости нарастания амплитуды колебаний при снижении

магнитного поля, которое наблюдалось при внесении описанных изменений в геометрию МИП.

В п. 6 2 приводятся данные по влиянию профиля распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП на характеристики НЧК.

Рассматриваются два основных механизма влияния распределения магнитного поля на процессы в захваченном в ловушку пространственном заряде Во-первых, варьирование B(z) может оказывать влияние на инкремент развития неустойчивости пространственного заряда в ловушке, если исходить из предположения, что эта неустойчивость обусловлена неизохронностью электронов, осциллирующих между МИП и магнитной пробкой. В случае, когда развитие неустойчивости затруднено, можно ожидать снижения интенсивности связанных с ней НЧК. Во-вторых, изменение распределения В(:) может вести к изменению скорости ухода частиц из ловушки вследствие изменения расстояния между пучком и трубой дрейфа в области магнитной компрессии При тонкой настройке данного распределения можно обеспечить режим, когда электроны основного пучка проходят область неоднородности и попадают в резонатор, а запертые в ловушке электроны, находящиеся, как показывают расчеты [5, 13, 20], в ореоле ВЭП на более высоких радиусах, перехватываются трубой дрейфа.

Первый механизм, по-видимому, был реализован при попутном включении управляющей катушки и пропускании через нее тока, при котором в эксперименте создавалось распределение магнитного поля, приблизительно совпадающее с оптимизированным распределением B(z), полученным при численном моделировании с помощью метода крупных частиц для подавления развития неустойчивости пространственного заряда в ловушке. В этом случае в эксперименте достигалось уменьшение амплитуды колебаний в 2 - 3 раза во всем исследуемом диапазоне магнитных полей по сравнению с начальным расчетным распределением B(z) Изменения выходной мощности при этом не происходило.

Возможный механизм, связанный с перехватом части пучка трубой дрейфа, был реализован при встречном включении управляющей катушки В этом случае путем подбора тока /у,|р создавалось такое распределение магнитного поля, при котором электроны наружных слоев пучка оседают на трубе дрейфа и не участвуют в процессах группировки заряда в ловушке. Следствием этого было уменьшение в 7 - 10 раз амплитуды НЧК во всей области их существования. Перехват части основного пучка трубой дрейфа в этом режиме, обусловленный, по-видимому, неидеальностью юстировки системы формирования ВЭП, приводил к снижению выходной мощности ~ на 20 % по сравнению с начальным распределением B(z).

В заключение данного раздела обсуждаются возможности реализации способа управления электронными процессами в ловушке при варьировании распределения магнитного поля применительно к мощным коротковолновым гиротронам.

В п. 6.3 приведены экспериментальные данные по совместному использованию методов оптимизации распределений электрического и магнитного поля в гиротроне для подавления паразитных НЧ колебаний. В гиротроне, оснащенном модифицированной катодной системой, подобно экспериментам со стандартными катодами, при попутном включении управляющей катушки заметного снижения амплитуды паразитных колебаний удалось достичь при реализации распределения В(г), близкого к оптимизированному расчетному распределению В частности, для катода К5 с коэффициентом эмиссионной неоднородности = 29 % наблюдалось увеличение порогового питч фактора возбуждения НЧК с 1.38 для режима с выключенной управляющей катушкой до 1.6 при использовании управляющей катушки.

Полученные данные показали возможность расширения зоны стабильной работы экспериментального гиротрона, характеризующейся отсутствием паразитных НЧК, в область повышенных значений питч-фактора а > 1.5 за счет регулировки распределения неоднородных электрического и магнитного полей при использовании эмиттеров с коэффициентом эмиссионной неоднородности 8у , < 30 %.

В главе 7 описываются характеристики работы гиротрона в режимах с повышенным питч-фактором и подавленными паразитными колебаниями

Подавление паразитных колебаний было достигнуто при помощи:

- оптимизации распределения электрического поля в области пушки за счет использования модифицированного катодного узла,

- реализации оптимизированного распределения магнитного поля в области компрессии пучка с помощью включенной попутно управляющей катушки;

- установки гексаборид-лантанового эмитирующего пояска с достаточно высокой степенью эмиссионной однородности (5/, = 25 %)

В этих экспериментах исследовались зависимости параметров выходного излучения прибора и амплитуды паразитных НЧК от ускоряющего напряжения С/о и коэффициента магнитной компрессии Во/Вк, изменяющегося при варьировании магнитного поля у катода Достигнутое максимальное значение КПД экспериментального гиротрона составило ~ 42 % в режимах, когда расчетное значение питч-фактора равнялось ~ 1.55. Полученный максимальный КПД примерно в 1.3 раза больше, чем КПД гиротрона в расчетном рабочем режиме с

питч-фактором а= 1.28. Достигнутый рост эффективности гиротрона вызван увеличением энергии поперечной составляющей движения электронов пучка, связанным с возрастанием питч-фактора а. Полученные экспериментальные значения КПД удовлетворительно согласуются с данными расчетов эффективности экспериментального гиротрона в режимах с большим питч-фактором. Дальнейшее увеличение питч-фактора не приводило к увеличению эффективности экспериментального гиротрона, что связано с возникновением и развитием паразитных НЧК в области значений магнитного поля, соответствующих рабочей моде. В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

В соответствии с поставленными задачами в настоящей диссертационной работе было проведено комплексное экспериментальное исследование физических процессов, связанных с возбуждением в ВЭП гиротрона паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда и с неоднородностью эмиссии с катода, а также влияния этих процессов на характеристики ВЭП и выходные параметры 4-мм экспериментального гиротрона. В работе были получены следующие основные результаты:

1. Разработан и реализован комплекс слабовозмущающих диагностик в экспериментальном импульсном гиротроне, обладающих высоким пространственным и временным разрешением, которые позволяют проводить исследования

- азимутальных распределений плотности эмиссионного тока с катода магнетрон-но-инжекторной пушки и плотности тока пучка в коллекторной области;

- амплитудно-частотных характеристик колебаний пространственного заряда ВЭП и паразитного излучения в диапазоне частот до 350 МГц,

- распределения электронов по энергиям в коллекторной области гиротрона, в том числе, в режимах с предельно малым энергетическим разбросом, превышающим 0 3-04%.

2. Определено влияние паразитных НЧ колебаний, связанных с отражением электронов ВЭП от магнитной пробки и накоплением пространственного заряда в ловушке между катодом и полкой магнитного поля, на распределение электронов пучка по энергиям. Показано, что одновременно с возникновением паразитных колебаний разброс электронов ВЭП по энергиям увеличивается до 3 - 4 %

3 Исследована неоднородность термоэлектронной эмиссии гексаборид-лантановых и металлопористых катодов, а также изменение эмиссионных характеристик катодов в процессе их эксплуатации в гиротроне. Определено влияние степени неоднородности

эмиссии катода на амплитуду паразитных НЧ колебаний и пороговый питч-фактор, соответствующий возникновению колебаний, а также на выходную СВЧ мощность и КПД гиротрона. Выполнены оценки влияния степени неоднородности эмиссии на разброс поперечных скоростей в ВЭП.

4. Реализованы эффективные методы управления паразитными НЧ колебаниями в экспериментальном гиротроне при варьировании распределения электрического поля в области МИП и магнитного поля в области магнитной компрессии ВЭП. Оптимизация распределений электрического и магнитного полей позволила существенно снизить интенсивность паразитных колебаний и расширить зону стабильной работы экспериментального гиротрона, характеризующуюся отсутствием колебаний и малым разбросом электронов по скорости и энергии, в область значений питч-фактора, превышающих 1.5.

5. Исследована возможность повышения эффективности экспериментального гиротрона за счет увеличения питч-фактора в режимах с подавленными НЧ колебаниями. При использовании термокатода с коэффициентом эмиссионной однородности, равным 25 %, достигнуто повышение КПД гиротрона примерно в 1.3 раза - с ~ 32 %, что соответствует расчетному режиму с питч-фактором а = 1 28, до - 42 % при питч-факторе а » 1.55.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Flyagin, V.A. The gyrotron / VA. Flyagin, A.V. Gaponov, M I Petelin, V.K. Yulpatov // IEEE Trans. Microwave Theory Tech - 1977. - Vol. MTT 25, no. 6. - P. 514-521.

[2] Гиротрон. Сб науч тр - Горький: ИПФ АН СССР, 1981. - 255 с.

[3] Gaponov-Grekhov, А V Applications of High Power Microwaves / A.V. Gaponov-Grekhov, V.L. Granatstein - Boston, M.A.: Artech, 1994. - p. 364.

[4] Nusinovich, G.S. Introduction to the Physics of Gyrotrons / GS. Nusinovich - Baltimore, MD: Johns Hopkins Univ. Press, 2004. - p. 352.

[5] Tsimring, Sh. E. Gyrotron electron beams, velocity and energy spread and beam instabilities / Sh. E. Tsimring // Int. J. Infrared Millimeter Waves. - 2001. - Vol 22, no. 10. - P. 14331468.

[6] Glyavin, M. Yu Experimental studies of gyrotron electron beam systems / M. Yu. Glyavin, A. L. Goldenberg, A. N. Kuftin, V. K. Lygin, A. S. Postmkova, V. E. Zapevalov // IEEE Trans. Plasma Sei. - 1999. Vol. 27. - P. 474 - 483.

[7] Борзенков, Д.В. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ло-

вушке гиротрона / Д В Борзенков, О.И. Лукша // ЖТФ. - 1997. - Т. 67, № 9. - С. 98102.

[8] Louksha, О I. Experimental study and numerical modeling of the electron beam formed in the electron-optical system of a gyrotron / О. I. Louksha, G. G. Sommsku, D V. Kas'yanenko // J. Comm. Tech. Electron -2000.-Vol 45, no. 1 -P S71-S75.

[9] Лукша, О.И. Исследование колебаний пространственного заряда в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа / О И. Лукша, Г.Г. Соминский // ЖТФ. - 1994. -Т. 64, вып. 11.-С. 160-168.

[10] Лукша, О.И. Пространственно-временные характеристики коллективных процессов в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа / О И. Лукша, Г.Г. Соминский // ЖТФ. - 1995. - Т. 65, вып. 2. - С. 198-202.

[11] Мануйлов, ВН. Численное моделирование низкочастотных колебаний пространственного заряда и потенциала в электронно-оптической системе гиротрона / ВН. Мануйлов // Известия ВУЗов Радиофизика. - 2006. - Т. 49, № 10. - С. 872-879

[12] Kas'yanenko, D. V. Low-frequency parasitic oscillations in the 74.2 GHz moderate-power pulse gyrotron / D. V. Kas'yanenko, О. I. Louksha, B. Piosczyk, G G Sominskii, M. Thumm. // Proceedings of the Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas - Nizhny Novgorod: Institute of Applied Physics 2003 -Vol. l.-P. 162-167.

[13] Кривошеее, П.В. Учет вторичных электронов при численном моделировании интенсивных винтовых электронных пучков гиротронов / П В Кривошеее, В.И. Мануйлов // Прикладная физика. - 2002. - № 3 - С. 80-87.

[14] Лукша, О.И. Пространственно-временные характеристики винтового электронного потока в электронно-оптической системе гиротронного типа: Дис. ... канд. ф.-м. наук: 01.04.04 / Лукша Олег Игоревич. - СПб., ЛГТУ, 1992. - 178 с.

[15] Цимринг Ш Е Формирование винтовых электронных пучков // Лекции по электронике СВЧ. Сб науч. тр. - Саратов СГУ, 1974 - Т. 4. - С. 3-94.

[16] Anderson, J.P. Design and emission uniformity studies of a 1.5-MW gyrotron electron gun / J.P Anderson, S E. Korbly, R J Temkin, M A Shapiro, К L. Felch, S. Cauffman // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2002. - Vol. 30 - P. 2117-2123.

[17] Nusinovich, G.S. Effect of the azimuthal inhomogeneity of electron emission on gyrotron operation / G.S Nusinovich, A.N. Vlasov, M. Botton, T.M. Antonsen, S. Cauffman, K. Felch // Phys. Plasmas -2001 - Vol. 8, no 7 - P 3473-3479.

[18] Электронная пушка мазера на циклотронном резонансе: А с. 1034536 СССР / Малыгин С.А , Мануйлов В.Н., Цимринг Ш.Е. (СССР).

[19] Kern, S. Numerical codes for interaction calculations in gyrotron cavities / S. Kern // Proc. 21st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. - Berlin, Germany, 1996 - P. AF2

[20] Krivosheev, P.V. Numerical simulation models of forming systems of intense gyrotron helical electron beams / P.V. Krivosheev, V.K. Lygin, V.N Manuilov, Sh E Tsimnng // Int. J. Infrared Millimeter Waves. - 2001. - Vol. 22, no 8. - P. 1119-1145

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1*] Самсонов, Д.Б. Исследование распределения электронов по энергиям в экспериментальном гиротроне /ДБ Самсонов, О И. Лукша // XXXII неделя науки СПбГПУ. материалы НТК - СПб , 2004. - Ч. VI. - С. 65-66.

[2*] Самсонов, Д.Б. Экспериментальное исследование влияния эмиссионной неоднородности катода на характеристики 74.2ГГц/100кВт гиротрона / ДБ Самсонов, О.И. Лукша // XXXIII неделя науки СПбГПУ: материалы НТК. - СПб., 2005. - Ч. VI - С 93-95.

[3*] Самсонов, Д.Б. Перспективы повышения эффективности мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн / Д.Б. Самсонов, О.И. Лукша // XXXV неделя науки СПбГПУ: материалы НТК. - СПб., 2007. - Ч. VI. - С. 63-65.

[4*] Лукша, О.И. Мощные гиротроны для систем управляемого термоядерного синтеза и технологии- поиск путей повышения эффективности / О.И. Лукша, Б. Пиосчик, Г.Г. Соминский, М. Тумм, Д.Б. Самсонов // Известия РАН, серия «ЭНЕРГЕТИКА». - 2006. -№5 -С. 131-146.

[5*] Louksha, О I. On Potentials of Gyrotron Efficiency Enhancement. Measurements and Simulations on a 4 mm Gyrotron / О. I. Louksha, B. Piosczyk, G.G. Sominski, M. Thumm, D.B. Samsonov // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2006. - Vol. 34, no. 3. - P. 502-511.

[6*] Лукша, О. И. Подавление паразитных колебаний пространственного заряда в гиротроне / О. И. Лукша, Б. Пиосчик, Г.Г. Соминский, М. Тумм, Д.Б. Самсонов // Известия ВУЗов. Радиофизика. - 2006. - Т. 49, №10 - С. 880-886.

[7*] Louksha, О. Electron emission inhomogeneity and low-frequency parasitic oscillations in a gyrotron / O. Louksha, B. Piosczyk, G. Sominski, M. Thumm, D. Samsonov // HIGH ENERGY DENSITY AND HIGH POWER RF: 7th Workshop on High Energy Density and High Power RF, AIP Conference Proceedings. - Kalamata, Greece, 2005 - P. 219-220

[8*] Лукша, О И. Улучшение качества винтового электронного пучка - путь к повышению эффективности гиротронов / О. И Лукша, Б. Пиосчик, Г.Г. Соминский, М. Тумм, Д Б Самсонов // Материалы XIII Зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике. - Саратов, 2006. - С 44-45.

[9*] Louksha, O.I Effect of electron emission inhomogeneity on electron beam characteristics and output parameters of a 4-mm gyrotron / О. I Louksha, B. Piosczyk, G.G. Sommski, M Thumm, D.B Samsonov // Proceedings of the Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas - Nizhny Novgorod: Institute of Applied Physics 2006. - Vol l.-P. 135-140.

[10*] Louksha, О Improvement of gyrotron beam quality by suppression of parasitic low-frequency oscillations / O. Louksha, B. Piosczyk, D. Samsonov, G Sominski, M Thumm // Digest of the Joint 31st Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 14th Int. Conf on Terahertz Electronics, September 18-22, 2006. - Shanghai, China, 2006. - P. 85.

[И*] Лукша, О.И. Исследование катодов для мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн / О.И. Лукша, В Л. Паутов, Б Пиосчик, К.А. Подушникова, Г.Г Со-минский, Д Б Самсонов, М. Тумм // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2007. - № 1. - С 260-264

[12*] Louksha, О Improvement of gyrotron efficiency by enhancement of beam pitch factor/ O. Louksha, B. Piosczyk, D. Samsonov, G. Sominski, M. Thumm // Proceedings 18th Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons, CD-ROM. - Nizhny Novgorod/Moscow. - 2006.

[13*] Louksha, О. I Experimental Study of Gyrotron Efficiency Enhancement by Improvement of Electron Beam Quality / О. I. Louksha, B. Piosczyk, D.B Samsonov, G G Sominski, M Thumm // IRMMW-THz2007, Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves, and 15th International Conference on Terahertz Electronics 3rd-7th September 2007. - Cardiff, UK, 2007. - P. 880-881.

[14*] Лукша, О. И. Исследование возможностей использования ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов / О. И. Лукша, Г.Г. Соминский, Д Б Самсонов, G. Dammertz, В. Piosczyk, М К. Thumm // Известия ВУЗов. ПНД. - 2008. - Т. 16, ЖЗ.-С. 129-139.

[15*] Louksha, О I Effect of ion bombardment on emission characteristics of gyrotron cathodes / О. I. Louksha, G G. Sominski, D.B. Samsonov, G. Dammertz, B. Piosczyk, M. Thumm // 35th IEEE International Conference on Plasma Science June 15 - 19,. 2008. - Karlsruhe, Germany, 2008 - P. 226.

Лицензия ЛР № 020593 от 07 08.97

Подписано в печать 27.10.2008. Формат 60x84/16 Печать цифровая Уел печ л 1,0. Уч-изд л 1,0. Тираж 100. Заказ 3621Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел/факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Формирование ВЭП для систем гиротронного типа.

1.2. Факторы скоростного и энергетического разбросов.

1.2.1. Разброс начальных скоростей электронов.

1.2.2. Шероховатость эмитирующей поверхности.

1.2.3. Нарушение аксиальной симметрии.

1.2.4. Неоднородность эмиссии с катода.

1.2.5. Поле пространственного заряда ВЭП.

1.2.5.1. Статические поля пространственного заряда.

1.2.5.2. Динамические поля пространственного заряда.

1.3. Способы управления электронными процессами, связанными с накоплением пространственного заряда в ловушке гиротрона.

1.4. Экспериментальные методы исследования скоростного и энергетического распределения электронов в ВЭП гиротронов.

1.5. Экспериментальные методы исследования неоднородности эмиссии термокатодов в гиротронах и влияние данного фактора на характеристики ВЭП и параметры гиротронов.

1.6. Выводы из обзора литературы и постановка задач исследования.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Конструкция и параметры экспериментального гиротрона.

2.2. Методики исследования характеристик ВЭП.

2.2.1. Метод исследования характеристик динамических процессов в

2.2.2. Метод изучения неоднородости эмиссии термокатода МИП.

2.2.3. Метод исследования распределения электронов по энергиям.

2.3. Методы оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП.

2.3.1. Регулирование распределения электрического поля в области

2.3.2. Регулирование распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ГИРОТРОНА И НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПАРАЗИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ ЭЛЕКТРОНОВ В ГИРОТРОНЕ.

4.1. Распределение электронов по энергиям в ВЭП в присутствии СВЧ генерации.

4.2. Влияние паразитных НЧ колебаний на разброс энергий электронов в ВЭП.

5. НЕОДНОРОДНОСТЬ ЭМИССИИ ТЕРМОКАТОДОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЭП И ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИРОТРОНА.

5.1. Экспериментальное исследование неоднородности эмиссии гексаборид-лантановых и металлопористых катодов.

5.2. Влияние неоднородности эмиссии с катода ВЭП на характеристики пучка и выходные параметры гиротрона.

6. УПРАВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ С ПОМОЩЬЮ НЕОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

6.1. Подавление НЧК в гиротроне с модифицированной катодной системой.

6.2. Влияние профиля распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП на характеристики НЧК.

6.3. Совместное использование методов оптимизации распределений электрического и магнитного поля в гиротроне для подавления паразитных НЧ колебаний.

7. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТЫ ГИРОТРОНА В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОГО ПИТЧ-ФАКТОРА И ПОДАВЛЕННЫХ

ПАРАЗИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ.

В настоящее время перспективными в развитии и применении являются мощные генераторы когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн - электронные мазеры на циклотронном резонансе (МЦР). Данные приборы используются для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, дальней радиолокации, ускорения элементарных частиц, модификации свойств материалов и ряда других применений.

Наиболее эффективной и самой распространенной разновидностью МЦР является гиротрон (например, [1-4]). Основные проблемы гиротронов в высо-коэнергетичных приложениях связаны с получением большой выходной мощности в длинноимпульсном и квазинепрерывном режимах работы. Высокие уровни мощности заставляют уделять пристальное внимание эффективности всей системы как при преобразовании энергии электронов в ВЧ излучение, так и при транспортировке винтового электронного потока (ВЭП) от катода до резонатора [5].

Одной из причин, препятствующих улучшению качества ВЭП и, как следствие, повышению эффективности гиротронов, является наличие скоростного и энергетического разброса электронов в пучке. В частности, этот разброс обусловлен существованием паразитных колебаний пространственного заряда на частотах, много меньших циклотронной. Спектр этих колебаний включает низкочастотные составляющие (f ~ 100 МГц), которые связаны с отражением части потока от магнитной пробки и коллективным движением электронов в ловушке между катодом и пробкой. Для выявления путей повышения эффективности работы гиротронов необходимо детальное изучение влияния низкочастотных колебаний (НЧК) пространственного заряда на основные характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона, а также определение способов подавления данных паразитных колебаний.

Важным фактором, определяющим качество ВЭП, является неоднородность эмиссии с термокатода магнетронно-инжекторной пушки (МИП). Неоднородные поля пространственного заряда, обусловленные неоднородностью эмиссии, приводят к возрастанию скоростного разброса электронов, что, в свою очередь, может способствовать возбуждению паразитных НЧК. Кроме того, неоднородное распределение плотности заряда в ВЭП приводит к возбуждению паразитных мод в резонаторе, неравномерной тепловой нагрузке на коллектор и другим паразитным эффектам, снижающим эффективность и предельные параметры гиротронов.

Недостаток сведений о характеристиках паразитных НЧ колебаний и, в частности, их связи с неоднородностями термоэлектронной эмиссии с катода, о влиянии колебаний на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротронов, а также о возможных способах управления колебаниями препятствует повышению эффективности гиротронов и достижению предельных выходных параметров таких приборов.

Целями настоящей диссертационной работы являлись определение влияния НЧ коллективных процессов в канале транспортировки пучка и особенностей термоэмиссии с катода на характеристики ВЭП и выходные параметры экспериментального импульсного гиротрона, а также изучение возможностей повышения эффективности гиротрона на основе разработанных способов подавления паразитных НЧ колебаний при оптимизации распределения электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП.

Проведение подобных исследований непосредственно в сверхмощных гиротронах мегаваттного уровня мощности, работающих в непрерывном или длинноимпульсном режимах, как правило, затруднено. Имея в виду общность основных физических процессов, происходящих на этапе формирования ВЭП в гиротронах, в качестве экспериментального прибора был выбран 4-мм гиромо-нотрон среднего 100 кВт) уровня мощности, работающий в режиме разовых импульсов. Описанные в работе исследования проводились в постоянном контакте с разработчиками и изготовителями мощных гиротронов (ИПФ РАН, Исследовательский центр г. Карлсруе), что позволяло оценить влияние изучаемых процессов на работу таких приборов и определить общность выявленных закономерностей.

Работа выполнена на кафедре физической электроники Санкт

Петербургского государственного политехнического университета. Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые реализован комплекс слабовозмущающих диагностик в экспериментальном гиротроне, позволяющих получать в условиях одного эксперимента данные об основных параметрах, характеризующих качество ВЭП.

2. Определена количественная связь между амплитудой паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда и энергетическим разбросом электронов в ВЭП.

3. На основе сравнения данных, полученных для катодов с разным типом эмиссионного покрытия, выявлено влияние пространственной однородности термоэлектронной эмиссии на интенсивность и пороговые условия возбуждения паразитных колебаний, а также на выходные параметры ги-ротрона.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность эффективного управления низкочастотными колебаниями в гиротроне за счет варьирования распределения электрического поля в прикатодной области МИП и распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП.

5. В эксперименте достигнуто повышение КПД экспериментального гиро-трона приблизительно в 1.3 раза по сравнению с начальным расчетным режимом при использовании разработанных методов подавления низкочастотных колебаний.

Практическая ценность настоящей диссертации:

1. Разработанные и опробованные в данной работе методы диагностики могут быть использованы для исследования характеристик ВЭП в гиротронах широкого диапазона параметров, а также в других устройствах с электронными потоками.

Полученные данные по влиянию степени неоднородности эмиссии катода на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона могут служить основой для выработки требования к эмиттерам, используемым в устройствах гиротронного типа.

Методы подавления паразитных низкочастотных колебаний, опробованные в экспериментальном гиротроне, могут быть использованы для реализации режимов с повышенным питч-фактором и увеличения эффективности современных гиротронов различного назначения. Защищаемые положения:

Новые сведения, необходимые для развития представлений о закономерностях формирования ВЭП и характеристиках пространственного заряда в гиротронах, могут быть получены с помощью разработанного и реализованного комплекса слабовозмущающих экспериментальных методов диагностики позволяющего: измерять азимутальные распределения плотности тока эмитированных электронов с катода с помощью анодного анализатора; исследовать амплитудно-частотные характеристики низкочастотных колебаний пространственного заряда с использованием широкополосного зонда, локально связанного с ВЭП, и внешней антенны; исследовать распределение электронов ВЭП по энергиям с помощью энергоанализатора с высокой чувствительностью, дающего возможность определять энергетический разброс электронов в пучке, равный ~ 0.3 % и более.

Увеличение эмиссионной однородности термокатода МИП, работающего в режиме температурного ограничения эмиссии, приводит к повышению качества формируемого ВЭП за счет снижения скоростного и энергетического разброса электронов в пучке, уменьшения интенсивности паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда, повышения порогового питч-фактора возбуждения колебаний. Влияние данного фактора на качество ВЭП имеет место при величине эмиссионной неоднородности, превышающей некоторое пороговое значение (20 — 25 % для исследованного гиротрона), которое может различаться в разных устройствах гиротронного типа.

3. Возбуждение паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда в ВЭП сопровождается увеличением разброса электронов по энергиям, который может достигать 3 - 4 % в режимах работы с малой амплитудой колебаний вблизи порога их возникновения.

4. Использование методов подавления паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда, основанных на оптимизации распределения электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП, позволяет увеличить пороговый питч-фактор возбуждения этих колебаний, что может быть использовано для повышения эффективности преобразования энергии ВЭП в электромагнитное излучение в устройствах гиротронного типа.

Апробация результатов:

Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции «High Energy Density and High Power RF» (Греция, 2005), «XIII Зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике» (Саратов, 2006), Международной конференции «Strong Microwaves in Plasmas» (H. Новгород, 2006), Международных конференциях «Infrared and Millimeter Waves and Terahertz Electronics» (Китай, 2006, Великобритания, 2007), Международном совещании «Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons» (H. Новгород -Москва, 2006).

По материалам диссертации опубликовано 15 работ. В списке литературы данные работы перечисляются под номерами [57 — 71].

Структура диссертации:

Во введении кратко изложено обоснование выбора темы диссертации и ее актуальность. Указаны цели исследования, новизна, основные научные результаты, практическая ценность и защищаемые положения данной диссертации.

В главе 1 приведен обзор научно-технической литературы, посвященной проблемам создания сильноточных ВЭП высокого качества для гиротронов, а также методам исследования характеристик ВЭП. В заключительном разделе главы 1 изложены выводы из обзора литературы, выделены нерешенные проблемы и определены задачи исследования.

В главе 2 описаны конструкция и основные характеристики экспериментальной установки, включающей импульсный 4-мм гиротрон, методы экспериментальных исследований и расчетов, выполненных в настоящей диссертации.

Главы 3-7 посвящены описанию и обсуждению результатов проведенных экспериментальных исследований. Глава 3 содержит описание характеристик рабочего режима экспериментального гиротрона и низкочастотных паразитных колебаний пространственного заряда в экспериментальном гиротроне. В главе 4 изложены экспериментальные данные, описывающие энергетические спектры электронов в гиротроне, распределение электронов по энергиям в ВЭП в присутствии СВЧ генерации, а также влияние паразитных НЧ колебаний на разброс энергий электронов в ВЭП. Глава 5 посвящена исследованию неоднородности эмиссии термокатодов и влиянию неоднородности эмиссии на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона. В главе 6 описываются результаты экспериментов по управлению характеристиками НЧК с помощью неоднородных электрических и магнитных полей. В главе 7 описываются характеристики работы гиротрона в условиях повышенного питч-фактора и подавленных паразитных колебаний.

В заключении обобщены основные результаты работы.

Объем диссертации составляет 127 листов.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В данной главе приводится обзор данных современной научно-технической литературы, касающихся проблем формирования ВЭП высокого качества в системах гиротронного типа. Особое внимание уделяется причинам скоростного и энергетического разброса в ВЭП как основным факторам ухудшения эффективности энергообмена потока электронов с электромагнитным полем в гиротроне. Подробно рассматриваются способы измерения скоростного и энергетического разброса, а также способы измерения неоднородности эмиссии с термокатода в гиротроне и полученные при этом результаты. Анализируются также способы повышения качества ВЭП, связанные с влиянием на отражение электронов от магнитной пробки и развитие паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда.

1.6. Выводы из обзора литературы и постановка задач исследования

Анализ научно-технической литературы позволяет обосновать следующие выводы:

1. В винтовом электронном потоке гирорезонансных устройств могут развиваться неустойчивости, которые являются причиной возникновения переменных полей пространственного заряда, снижающих качество ВЭП и эффективность работы прибора. Важное место принадлежит низкочастотной неустойчивости, которая развивается в облаке электронов, захваченных в ловушку между катодом и пробкой магнитного поля. Получены данные о влиянии связанных с ней паразитных НЧ колебаний объемного заряда на скоростной разброс электронов в ВЭП и пространственную структуру пучка. Однако недостаточно изучено влияние НЧ колебаний на энергетический спектр электронов, в значительной степени определяющих эффективность гиротронов.

2. Определены основные факторы, влияющие на скоростной разброс электронов в пучке, который, в свою очередь, определяет пороговые условия возбуждения паразитных НЧ колебаний. Одним из важных факторов является неоднородность эмиссии с термокатода МИП. При этом в литературе отсутствует комплексное исследование влияния данного фактора на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона, которое было бы основано на сравнении достаточного количества эмиттеров, отличающихся эмиссионной неоднородностью.

3. Предложены и изучены эффективные способы управления процессами накопления электронов в ловушке ЭОС гиротронного типа и развития паразитных НЧ колебаний. Актуальным остается вопрос реализации этих способов непосредственно в работающем гиротроне, что позволило бы расширить область стабильной работы прибора в область с большим значением питч-фактора и, как следствие, добиться повышения эффективности гиротрона.

4. Недостаток информации о процессах в ВЭП гиро-приборов в определенной степени обусловлен отсутствием диагностического комплекса, основанного на слабовозмущающих диагностиках, который позволил бы в работающем гиротроне исследовать основной набор характеристик, определяющих качество пучка и параметры выходного излучения прибора.

В настоящей работе были поставлены следующие основные задачи исследований:

1. Разработка и реализация в экспериментальном 4-мм гиротроне комплекса слабовозмущающих диагностик, обладающих высоким пространственным и временным разрешением, которые позволяют определять:

- амплитудно-частотные характеристики динамических процессов в пространственном заряде ВЭП в диапазоне частот до ~ 350 МГц;

- пространственное распределение эмиссии с катода МИП и пространственную структуру ВЭП в коллекторной области;

- разброс электронов по энергиям в коллекторной области с чувствительностью менее 1 %, необходимой для выявления влияния переменных полей, связанных с НЧ колебаниями, на энергетический разброс электронов в ВЭП.

2. Определение влияния паразитных НЧ колебаний на распределение электронов пучка по энергиям в экспериментальном гиротроне.

3. Исследование неоднородностей электронной эмиссии гексаборид-лантановых и металлопористых термокатодов, влияния на степень неоднородности эмиссии режимов тренировки и эксплуатации катодов.

4. На основе сравнения данных, полученных при использовании различных катодов, изучение влияния эмиссионной неоднородности на пространственную структуру ВЭП и скоростной разброс электронов, на характеристики НЧ колебаний и на выходные параметры гиротрона.

5. Реализация эффективных способов подавления НЧ колебаний путем оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП.

6. С использованием разработанных способов подавления колебаний расширение зоны стабильной работы гиротрона, характеризующейся отсутствием паразитных колебаний, малым разбросом электронов по скоростям и энергиям, в область больших (более 1.5) значений питч-фактора.

7. Исследование возможности повышения эффективности экспериментального гиротрона с достаточно однородным катодом за счет реализации режимов стабильной работы с большим питч-фактором.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для решения поставленных в данной работе задач был разработан и изготовлен экспериментальный гиротрон, который был оснащен диагностиками и сопутствующей аппаратурой, необходимыми для комплексного исследования физических процессов в ВЭП и изучения влияния этих процессов на выходные параметры прибора.

2.1. Конструкция и параметры экспериментального гиротрона

Исходя из возможностей имеющихся к моменту создания прибора источников питания и элементов электронно-оптической системы, в качестве экспериментального гиротрона был выбран 4-мм импульсный гиромонотрон с расчетным значением выходной СВЧ мощности, равным -100 кВт. Основные геометрические параметры и характеристики расчетного рабочего режима прибора указаны в табл. 2.1. Схематическое изображение сечения экспериментального гиротрона показано на рис. 2.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленными задачами в настоящей диссертационной работе было проведено комплексное экспериментальное исследование физических процессов, связанных с возбуждением в ВЭП гиротрона паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда, и их влияния на характеристики ВЭП и выходные параметры 4-мм экспериментального гиротрона. В работе были получены следующие основные результаты:

1. Разработан и реализован комплекс слабовозмущающих диагностик в экспериментальном импульсном гиротроне, обладающих высоким пространственным и временным разрешением, которые позволяют проводить исследования азимутальных распределений плотности эмиссионного тока с катода магнетронно-инжекторной пушки и плотности тока пучка в коллекторной области; амплитудно-частотных характеристик колебаний пространственного заряда ВЭП и паразитного излучения в диапазоне частот до 350 МГц; распределения электронов по энергиям в коллекторной области гиротрона, в том числе, в режимах с предельно малым энергетическим разбросом, превышающим 0.3 - 0.4 %.

2. Определено влияние паразитных НЧ колебаний, связанных с отражением электронов ВЭП от магнитной пробки и накоплением пространственного заряда в ловушке между катодом и полкой магнитного поля, на распределение электронов пучка по энергиям. Показано, что одновременно с возникновением паразитных колебаний разброс электронов ВЭП по энергиям увеличивается до 3 - 4 %.

3. Исследована неоднородность термоэлектронной эмиссии гексаборид-лантановых и металлопористых катодов, а также изменение эмиссионных характеристик катодов в процессе их эксплуатации в гиротроне. Определено влияние степени неоднородности эмиссии катода на амплитуду паразитных НЧ колебаний и пороговый питч-фактор, соответствующий возникновению колебаний, а также на выходную СВЧ мощность и КПД гиротрона. Выполнены оценки влияния степени неоднородности эмиссии на разброс поперечных скоростей в ВЭП.

4. Реализованы эффективные методы управления паразитными НЧ колебаниями в экспериментальном гиротроне при варьировании распределения электрического поля в области МИП и магнитного поля в области магнитной компрессии ВЭП. Оптимизация распределений электрического и магнитного полей позволила существенно снизить интенсивность паразитных колебаний и расширить зону стабильной работы экспериментального гиротрона, характеризующуюся отсутствием колебаний и малым разбросом электронов по скорости и энергии, в область значений питч-фактора, превышающих 1.5.

5. Исследована возможность повышения эффективности экспериментального гиротрона за счет увеличения питч-фактора в режимах с подавленными НЧ колебаниями. При использовании термокатода с коэффициентом эмиссионной однородности, равным 25 %, достигнуто повышение КПД гиротрона примерно в 1.3 раза - с ~ 32 %, что соответствует расчетному режиму с питч-фактором а « 1.28, до ~ 42 % при питч-факторе а ~ 1.55.

В заключение можно отметить, что настоящая работа представляет собой законченное экспериментальное исследование закономерностей возникновения и характеристик низкочастотных колебаний пространственного заряда, их влияния на параметры, характеризующие качество ВЭП и эффективность преобразования энергии в устройствах гиротронного типа. Полученные результаты могут быть использованы в процессе конструирования и изготовления гиро-резонансных приборов различного назначения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату физико-математических наук доценту О.И. Лукше за необходимые расчетные данные, помощь в проведении экспериментов, критическое рассмотрение рукописи диссертационной работы, руководителю лаборатории сильноточной и СВЧ электроники СПбГПУ доктору физико-математических наук профессору Г.Г. Соминскому за обсуждение полученных экспериментальных результатов и полезные замечания, а также сотрудникам кафедры физической электроники и радиофизического факультета СПбГПУ за доброжелательное отношение.

Автор признателен сотрудникам Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) В.Е. Запевалову, А.Н. Куфтину, В.К. Лыгину и М.А. Моисееву за помощь в конструировании и создании деталей экспериментального гиротрона и проведенные расчеты, а также сотрудникам ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН К.А. Подушниковой и С.А. Фефелову за изготовление и наладку элементов экспериментальной установки.

1. Гиротрон: Сб. науч. тр. - Горький: ИПФ АН СССР, 1981. - 255 с.

2. Nusinovich G.S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. Baltimore, MD: Johns Hopkins Univ. Press, 2004. - P. 352.

3. Gaponov-Grekhov A.V., Granatstein V.L. Applications of High Power Microwaves. Boston, M.A.: Artech, 1994. - P. 364.

4. Flyagin V.A., Gaponov A.V., Petelin M.I., Yulpatov V.K. The gyrotron // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1977. - Vol. MTT - 25, no. 6. - P. 514-521.

5. Запевалов B.E. Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2006. - Т. 49, №10. - С. 864 - 871.

6. Tsimring Sh. Е. Gyrotron electron beams: velocity and energy spread and beam instabilities // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2001. - Vol. 22, no. 10. - P. 1433-1468.

7. Tsimring Sh. E., Zapevalov V. E. Experimental study of intense helical electron beams with trapped electrons // Int. J. Electron. 1996. - Vol. 81, no. 2. -P. 199-205.

8. Kuftin A. N., Lygin V. K., Manuilov V. N. et al. Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 1999. - Vol. 20, no. 3. - P. 361-382.

9. Cai S. Y., Antonsen Т. M., Saraph G., Levush B. Multifrequency theory of high power gyrotron oscillators // Int. J. Electron. — 1992. Vol. 72, no. 5/6. - P. 759-777.

10. Dumbrajs O., Koponen J. P. T. Generalized gyrotron theory with inclusion of electron velocity and energy spreads // Phys. Plasmas. 1999. - Vol. 6, no. 6. -P. 2618-2621.

11. Флягин B.A., Цимринг Ш.Е. Гиротроны: физические основы // Проблемы физической электроники: Сб. науч. тр. Л.: ФТИ, 1987. - С. 122-154.

12. Цимринг Ш.Е. Формирование винтовых электронных пучков // Лекции по электронике СВЧ: Сб. науч. тр. Саратов: СГУ, 1974. - Т. 4. - С. 3-94.

13. Цимринг Ш.Е. О разбросе скоростей в винтовых электронных пучках // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1972. - Т. 15, №8. - С. 1247-1259.

14. Авдошин Е. Г., Николаев JI. В., Платонов И. Н., Цимринг Ш. Е. Экспериментальное исследование скоростного разброса в винтовых электронных пучках // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1973. - Т. 16, №3. — С. 605612.

15. Авдошин Е.Г., Мельников А. В., Цимринг Ш. Е. Влияние нарушения аксиальной симметрии в системах формирования ВЭП на разброс скоростей электронов // Электронная техника Сер. 1. Электроника СВЧ. — 1975. — №8. С. 67-77.

16. Glyavin М. Yu., Goldenberg A. L., Kuftin А. N. et al. Experimental studies of gyrotron electron beam systems // IEEE Trans. Plasma Sci. -1999. Vol. 27. P. 474-483.

17. Гольденберг A.JI., Мануйлов B.H., Глявин М.Ю. Электроно-оптическая система мощного гиротрона с неадиабатической электронной пушкой // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2005. - Т. 48, №6. - С. 517-522.

18. Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Лыгин В.К., Цимринг Ш.Е. Численное моделирование и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек мощных коротковолновых гиротронов // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1992. - Т. 35, № 11-12. - С. 998-1007.

19. Запевалов В.Е., Мануйлов В.Н., Цимринг Ш.Е. К теории винтовых пучков с захваченными электронами // Известия ВУЗов. Радиофизика. — 1990. — Т. 33, № 12.-С. 1406-1411.

20. Manuilov V.N., Tsimring Sh. Е. Synthesis of axial-symmetric system forming helical electron beams // Radio Eng. Electron. Phys. 1978. -Vol. 23, no.7. -P. 1486- 1495.

21. Raisky B.V., Tsimring Sh.E. Numerical simulation of nonstationary processes in intense helical electron beams of gyrotrons // IEEE Trans. Plasma Sci. — 1996. — Vol. 24. P. 992- 998.

22. Лукша О.И. Пространственно-временные характеристики винтового электронного потока в электронно-оптической системе гиротронного типа: Дис. . канд. ф.-м. наук: 01.04.04. ЛГТУ. СПб., 1992. - 178 с.

23. Dumbrajs О., Nikkola P., Piosczyk В. On the negative-mass instability in gyro-trons // Int. J. Electrons. 2001. - Vol. 88, no 2. - P. 215 - 224.

24. Гиротроны. Сб. науч. тр. / Под ред. В.А.Флягина. Горький: ИПФ АН СССР, 1989.-216 с.

25. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Гольденберг A.JI., Запевалов В.Е. и др. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне // ЖТФ. 2000. - Т. 70, вып. 12. - С. 6366.

26. Li Н., Antonsen Т.М. Space charge instabilities in gyrotron beams // Phys. Plasmas. 1994. -Vol.1. - P. 714-729.

27. Братман В.Л., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Савилов А.В. Разброс начальной энергии электронов в гиротроне, обусловленный развитием неустойчивости отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке // ЖТФ. 2000. - Т. 70, вып. 4. - С. 90-94.

28. Венедиктов Н. П., Глявин М. Ю., Гольденберг А. Л. и др. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ. 2000. — Т. 70, вып. 4. - С. 95-98.

29. Kyhl R.L., Webster H.F. Instability of hollow beams // IRE Trans. Electron Devices. 1958. - ED-3. - P. 172.

30. Лыгин B.K., Цимринг Ш.Е., Шевцов Б.И. О диокотронной неустойчивости винтовых электронных пучков // Известия ВУЗов. Радиофизика. — 1991. — Т. 34, №4.-С. 419-425.

31. Shuldt R., Bone E. Diocotron instability of the electron beam in the drift tube of a gyrotron // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 1995. - Vol. 16, no. 10. -P. 1675- 1700.

32. Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона // ЖТФ. — 1997. Т. 67, №9. — С. 98-102.

33. Louksha О. I., Sominskii G. G., Kas'yanenko D. V. Experimental study and numerical modeling of the electron beam formed in the electron-optical system of a gyrotron // J. Comm. Tech. Electron. 2000. - Vol. 45, no. 1. - P. S71-S75.

34. Лукша О.И., Соминский Г.Г. Исследование колебаний пространственного заряда в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа // ЖТФ. -1994.-Т. 64, вып. 11.-С. 160-168.

35. Лукша О.И., Соминский Г.Г. Пространственно-временные характеристики коллективных процессов в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа // ЖТФ. 1995. - Т. 65, вып. 2. - С. 198-202.

36. Мануйлов В.Н. Численное моделирование низкочастотных колебаний пространственного заряда и потенциала в электронно-оптической системе гиротрона // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2006. - Т. 49, №10. - С. 872879.

37. Запевалов В.Е., Малыгин С.А., Мануйлов В.Н., Цимринг Ш.Е. Катодная неустойчивость в мощных гиротронах // Известия ВУЗов. Радиофизика. -1990.-Т. 33, №10. -С. 1193-1196.

38. Piosczyk В. A coaxial magnetron injection GUN (CMIG) for a 2 MW, 170 GHz coaxial cavity gyrotron // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2006. - Vol. 27, no. 8.-P. 1041- 1061.

39. Piosczyk В., Arnold A., Dammertz G. et al. Coaxial Cavity Gyrotron Recent Experimental Results // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2002. - Vol. 30, №3. - P. 819-827.

40. Kas'yanenko D. V., Louksha О. I., Piosczyk B. et al. Low-frequency parasitic oscillations in the 74.2 GHz moderate-power pulse gyrotron // Proceedings ofthe Int. Workshop Strong microwaves in plasmas. 2003. - Vol.1. — P. 162 -167.

41. Зайцев Н.И., Ильяков E.B., Кулагин И.С., Шевченко А.С. Исследование магнитного анализатора релятивистских винтовых электронных пучков // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2006. -Т. 49, №2. - С. 134-140.

42. Архипов А.В., Ковалёв В .Г., Мишин М.В. и др. Исследование интенсивных импульсных электронных пучков большого сечения // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2004. -Т. 47, №5-6. - С. 471- 479.

43. Авдошин Е. Г., Гольденберг A. JI. Экспериментальное исследование адиабатических электронных пушек МЦР // Известия ВУЗов. Радиофизика. — 1973.-Т. 16, № Ю.-С. 1605-1612.

44. Кривошеев П.В., Мануйлов В.Н. Влияние распределения электрического поля в области электростатического зеркала на бомбардировку катода отраженными электронами в МИП гиротронов // Прикладная физика. 2004. -№1. - С. 101-104.

45. Зайцев Н. И., Ильяков Е. В., Кривошеев П. В. и др. Магнетронно-инжекторные пушки для релятивистских гиротронов сантиметрового диапазона длин волн // Прикладная физика. — 2003. №1. - С. 27-34.

46. Кривошеев П.В., Мануйлов В.Н. Учет вторичных электронов при численном моделировании интенсивных винтовых электронных пучков гиротронов // Прикладная физика. 2002. - №3. - С. 80-87.

47. Ilyin V.N., Louksha O.I., Mjasnikov V.E., et al. Effect of emission inhomoge-neities on low-frequency oscillations in gyrotron-type electron beams // Ргос.12л Int. Conf. on High-Power Particle Beams "Beams'98". Haifa, Israel, 1998.-Vol.2.-P. 800-804.

48. J.P. Anderson, S.E. Korbly, R.J. Temkin, M.A. Shapiro, K.L. Felch, S. Cauff-man. Design and emission uniformity studies of a 1.5-MW gyrotron electron gun // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. - Vol. 30. - P. 2117-2123.

49. Nusinovich G.S., Vlasov A.N., Botton M., et al. Effect of the azimuthal inho-mogeneity of electron emission on gyrotron operation // Phys. Plasmas. 2001. - Vol. 8, no. 7. - P. 3473-3479.

50. W.B. Herrmannsfeldt. Electron Trajectory Program. Stanford, California: Stanford University, 1979. - SLAC - 226.

51. Соминский Г. Г. Диагностика пространственного заряда сильноточных электронных систем // Проблемы физической электроники: Сб. науч. тр. -Л.: ФТИ, 1987.-С. 96-121.

52. Электронная пушка мазера на циклотронном резонансе: А. с. 1034536 СССР / Малыгин С.А., Мануйлов В.Н., Цимринг Ш.Е. (СССР).

53. Kern S. Numerical codes for interaction calculations in gyrotron cavities // Proc. 21st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. Berlin, Germany, 1996. - P. AF2.

54. Термоэлектронные катоды / Кудинцева Г.А., Мельников А.Л., Морозов А.В., Никонов Б.П; Под ред. Н.Д. Девяткова. -М.: Энергия. 1966. 368 с.

55. Krivosheev P.V., Lygin V.K., Manuilov V.N., Tsimring Sh. E. Numerical simulation models of forming systems of intense gyrotron helical electron beams // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2001. - Vol. 22, no. 8. - P. 1119-1145.

56. Самсонов Д.Б., Лукша О.И. Исследование распределения электронов по энергиям в экспериментальном гиротроне // XXXII неделя науки СПбГПУ: материалы НТК. СПб., 2004. - Ч. VI. - С. 65-66.

57. Самсонов Д.Б., Лукша О.И. Экспериментальное исследование влияния эмиссионной неоднородности катода на характеристики 74.2ГТц/100кВт гиротрона //XXXIII неделя науки СПбГПУ: материалы НТК. СПб., 2005. -Ч. VI.-С. 93-95.

58. Самсонов Д.Б., Лукша О.И. Перспективы повышения эффективности мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн // XXXV неделя науки СПбГПУ: материалы НТК. СПб., 2007. - Ч. VI. - С. 63-65.

59. Лукша О.И., Пиосчик Б., Самсонов Д.Б. и др. Мощные гиротроны для систем управляемого термоядерного синтеза и технологии: поиск путей повышения эффективности// Известия РАН, серия «ЭНЕРГЕТИКА». 2006. -№5. - С. 131-146.

60. Louksha О. I., Piosczyk В., Samsonov D.B. et al. On Potentials of Gyrotron Efficiency Enhancement: Measurements and Simulations on a 4 mm Gyrotron // IEEE Transactions on Plasma Science. 2006. - Vol. 34, №3. - P. 502-511.

61. Лукша О. И., Пиосчик Б., Самсонов Д. Б. и др. Подавление паразитных колебаний пространственного заряда в гиротроне // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2006. - Т. 49, №10. - С. 880-886.

62. Лукша О.И., Пиосчик Б., Самсонов Д.Б. и др. Улучшение качества винтового электронного пучка путь к повышению эффективности гиротронов // Материалы XIII Зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике. - Саратов, 2006. - С. 44-45.

63. Лукша О.И., Паутов В.Л., Самсонов Д.Б. и др. Исследование катодов для мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2007. - № 1. - С. 260-264.

64. Louksha О., Sominski G., Samsonov D. et al. Improvement of gyrotron efficiency by enhancement of beam pitch factor // Proceedings 18th Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons, CD-ROM. Nizhny Novgorod/Moscow. — 2006.

65. Лукша О. И., Соминский Г.Г., Самсонов Д. Б. и др. Исследование возможностей использования ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов // Известия ВУЗов. ПНД. 2008. — Т. 16, №3. - С. 129-139.

66. О. I. Louksha, G. G. Sominski and D. В. Samsonov et al. Effect of ion bombardment on emission characteristics of gyrotron cathodes // 35th IEEE International Conference on Plasma Science June 15 19, 2008. - Karlsruhe, Germany 2008.