Винтовые электронные потоки гиротронов: динамика пространственного заряда и методы повышения качества тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

005001653

ЛУКША Олег Игоревич

ВИНТОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПОТОКИ ГИРОТРОНОВ: ДИНАМИКА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 О НОЯ 2011

Санкт-Петербург - 2011

005001653

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

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

член-корреспондент РАН Трубецков Дмитрий Иванович

доктор физико-математических наук Абубакиров Эдуард Булатович

доктор технических наук профессор

Григорьев Андрей Дмитриевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова

Защита состоится 01 декабря 2011г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 при ГОУ ВПО "Саша-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, II уч. корпус, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан " О^ГЗиГ|?^_2011

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор / Коротков A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В настоящее время, при повсеместном распространении твердотельных полупроводниковых устройств, приборы вакуумной СВЧ электроники остаются востребованными для ряда приложений, в которых требуется обеспечить высокий уровень выходной мощности в диапазоне от дециметровых до субмиллиметровых длин волн излучения. Новый этап в освоении коротковолновой части этого диапазона связан с открытием в конце 50-х годов механизма когерентного излучения электронов-осцилляторов, вращающихся в постоянном магнитном поле [1-3]. Данный механизм лежит в основе работы устройств, получивших название мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) или гирорезонансных приборов (гироприборов). Уникальные возможности гироприборов в наибольшей степени проявляются в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн (например, [4-7]), где с их помощью был достигнут уровень выходной мощности, значительно превышающий мощность "классических" вакуумных СВЧ приборов (клистронов, магнетронов, ЛБВ, ЛОВ и др.).

Вектор развития гирорезонансных устройств определяется в первую очередь прикладными потребностями. Важнейшей областью их применения является нагрев плазмы и управление током в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС). Для этих целей, как правило, требуются гироре-зонансные генераторы (гиротроны) с выходной мощностью порядка 1 МВт и частотой 110+170 ГГц, работающие в квазинепрерывном режиме с длительностью импульса в десятки минут (например, [7-14]). При этом имеется тенденция дальнейшего увеличения их мощности до 2+4 МВт с целью повышения эффективности использования гиротронных комплексов, состоящих из нескольких приборов, в крупных установках УТС. Сфера применения гироприборов включает также дальнюю радиолокацию, высокотемпературную обработку материалов, плазмохимию, спектроскопию высокого разрешения, ускорение заряженных частиц и др. (например, [4-7,15-18]).

Эффективность и предельные достижимые параметры гироприборов определяются качеством электронного потока, который, наряду с электродинамической структурой, является одним из двух ключевых компонентов любого вакуумного устройства СВЧ. Формирование сильноточных электронных потоков с заданным стабильным положением в конфигурационном и фазовом пространствах предполагает решение ряда физических проблем,

относящихся к корпускулярной оптике, эмиссионной и вакуумной электронике, теории колебаний и волн, нелинейной динамике и другим разделам физической электроники и радиофизики. Применительно к мощным МЦР требуются винтовые электронные потоки (ВЭП), сочетающие высокие значения тока и осцилляторной энергии электронов с малым разбросом скоростей и требуемой поперечной структурой пучка. Несмотря на специфику различных типов электронно-оптических систем (ЭОС) для гироприборов, закономерности формирования высококачественных ВЭП в этих системах достаточно общи и в совокупности образуют базу для создания эффективных источников мощного СВЧ излучения. Изучению данных закономерностей, представляющих интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, посвящена настоящая диссертационная работа.

Характеристики ВЭП в ЭОС гироприборов, как и в других системах с интенсивными электронными пучками, определяются, среди прочих, такими физическими процессами, как развитие неустойчивостей в пространственном заряде, изменение свойств поверхностей ограничивающих электродов, генерация и усиление паразитного излучения, образование вторичных частиц. Указанные процессы ведут к снижению качества ВЭП, а вместе с этим к падению КПД и ухудшению параметров выходного излучения приборов, выходу их из строя. Теоретическое исследование этих процессов, даже с использованием современных численных методов расчета, зачастую наталкивается на непреодолимые трудности. Важная роль поэтому отводится физическому эксперименту, успех которого в значительной степени определяется применением слабовозмущающих и высокоинформативных методов диагностики.

Коллективные процессы в электронном пространственном заряде гироприборов являются следствием развития неустойчивостей различного типа - как высокочастотных с частотой, близкой к электронной циклотронной частоте, так и низкочастотных с частотой в диапазоне десятков-сотен мегагерц (например, [19-30]). Среди механизмов возникновения низкочастотных колебаний (НЧК) в ВЭП можно выделить неустойчивость, которая развивается в объемном заряде, захваченном в специфическую ловушку между катодом и магнитной пробкой - конечным участком области перемагничивания пучка перед его поступлением в резонатор. Переменные поля, связанные с развитием паразитных колебаний, обуславливают дополнительный скоростной разброс электронов в ВЭП, вызывают появление разброса по полной скорости (энергетический разброс), изменяют поперечную структуру пучка, приводят к электронной бомбардировке по-

верхности катода и появлению вторичных электронов [20, 22, 31-37]. В результате снижается качество формируемого электронного потока и, как следствие, эффективность преобразования энергии электронов в энергию выходного СВЧ излучения. Добиться требуемого качества пучка, поступающего в резонатор, возможно в том случае, когда подавлены паразитные динамические процессы в электронном пространственном заряде. В частности, при условии подавления паразитных НЧК в ловушке может быть увеличено рабочее значение питч-фактора*, что при сохранении на низком уровне скоростного и энергетического разбросов позволит реализовать работу приборов с повышенным КПД.

Важным фактором, определяющим качество электронного пучка в ги-роприборах, является неоднородность термоэлектронной эмиссии с катода магнетронно-инжекторной пушки (МИП), которая в большинстве случаев используется в качестве источника электронов в этих приборах. Как правило, такие пушки работают в режиме температурного ограничения эмиссии. Поэтому неоднородности работы выхода и температуры приводят к неоднородному распределению плотности тока электронов в поперечном сечении ВЭП. Это является причиной появления неоднородных полей, которые, в свою очередь, увеличивают скоростной разброс электронов, способствуют возбуждению паразитных НЧК и появлению разброса частиц ВЭП по энергии [31, 40-46]. Неоднородная структура пучка ответственна также за неоднородный нагрев коллектора и развитие паразитных мод в резонаторе [47—49].

К началу исследований, выполнеЕншх в рамках настоящей диссертационной работы, отсутствовали или были недостаточны знания о закономерностях указанных выше физических процессов в ВЭП гироприборов. В частности, были мало изучены характеристики низкочастотных колебаний пространственного заряда; не были определены механизмы нарастания низкочастотных возмущений в электронном пучке; отсутствовали данные о влиянии паразитных НЧК на характеристики потоков электронов, поступающих в резонатор и бомбардирующих катод; не исследовалась связь параметров формируемого в ЭОС гироприборов электронного пучка с эмиссионными неоднородностями термокатодов; были недостаточно изучены

Величиной питч-фактора а = у1/у|| и ун - поперечная и продольная компоненты скорости электрона) принято характеризовать долю сосредоточенной в поперечном движении электронов энергии, из которой "черпается" энергия выходного СВЧ излучения в гирорезонансных приборах. Как правило, значения величины а в рабочих режимах мощных гироприборов не превышают 1.2+1.4 (например, [9, 11, 14, 38, 39]).

закономерности влияния регулируемых неоднородностей электрического и магнитного полей на низкочастотные коллективные процессы в ВЭП и возможности подавления паразитных НЧК при оптимизации распределений этих полей. Такие знания являются необходимой основой для проектирования и практической реализации систем формирования высококачественных ВЭП в мощных гироприборах, а также могут быть использованы в других устройствах с интенсивными электронными пучками. В определенной степени препятствовали получению требуемой информации ограничения, присущие имеющимся методам экспериментального исследования физических процессов в электронных потоках гироприборов и методикам расчета динамики пространственного заряда в этих потоках.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью настоящей работы являлось определение закономерностей формирования винтовых электронных потоков высокого качества для ги-рорезонансных устройств, а также выявление на этой основе возможностей повышения эффективности генерации в мощных устройствах такого типа. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Разработка и реализация комплекса экспериментальных методов, предназначенных для изучения основных характеристик винтовых электронных пучков в гирорезонансных устройствах.

2. Экспериментальное определение закономерностей возбуждения и развития низкочастотных коллективных процессов в пространственном заряде ВЭП. Обоснование общности выявленных закономерностей при сопоставлении данных, полученных в различных устройствах гиротронного типа.

3. Разработка методики численного моделирования динамики объемного заряда в области формирования ВЭП между катодом и резонатором гироприборов и определение с использованием данной методики закономерностей процессов накопления и группировки электронов в этой области.

4. Теоретическое и экспериментальное определение закономерностей воздействия низкочастотных колебаний объемного заряда на основные характеристики ВЭП, в частности на пространственную структуру пучка и на распределения электронов по компонентам скорости и по энергии.

5. Определение закономерностей формирования неоднородностей термоэлектронной эмиссии катодов в гироприборах и влияния эмиссионных

неоднородностей на качество ВЭП. Разработка методов диагностики ги-ротронных катодов и повышения их эмиссионной однородности.

6. На базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработка эффективных методов повышения качества ВЭП. Выявление возможностей достижения высокого КПД гиротронов в результате подавления паразитных низкочастотных колебаний и повышения эмиссионной однородности катодов.

Научная новизна

Основные результаты, полученные в процессе исследований и описанные в диссертационной работе, являются новыми. Среди наиболее важных оригинальных результатов можно выделить следующие.

1. Впервые реализован комплекс слабовозмущающих методов экспериментального исследования, позволяющих получать информацию о динамических характеристиках и пространственной структуре объемного заряда, распределении электронов ВЭП по компонентам скорости и по энергии, характеристиках поверхности термоэмиттера МИП в устройствах гиротронного типа.

2. Получен комплекс новых экспериментальных и теоретических данных об условиях самовозбуждения и характеристиках низкочастотных колебаний пространственного заряда ВЭП. Определены закономерности развития низкочастотных неустойчивостей в электронном пространственном заряде и эффективные методы управления коллективными процессами в пучке.

3. Получены данные о влиянии низкочастотных колебаний на важнейшие характеристики ВЭП: энергетический разброс электронов, структуру пучка в плоскости поперечного сечения, плотность тока и спектр энергий электронов, бомбардирующих катод.

4. Экспериментально определено влияние эмиссионных неоднородностей термокатода МИП на пороговые условия возбуждения и амплитудно-частотные характеристики колебаний пространственного заряда, на пространственную структуру пучка и разброс поперечных скоростей электронов, а также на величину достижимого КПД гиротрона.

5. Разработаны и экспериментально реализованы методы повышения качества формируемого в ЭОС гиротрона электронного пучка с помощью регулируемых неоднородностей электрического и магнитного полей.

6. Экспериментально продемонстрирована возможность существенного (примерно в 1.3 раза) повышения КПД экспериментального гиротрона по сравнению с КПД в расчетном рабочем режиме в условиях формирования высококачественного ВЭП при подавленных паразитных колебаниях пространственного заряда.

Научно-практическая ценность результатов работы

Разработанные методы диагностики, отличаясь универсальностью, могут быть использованы для исследования характеристик ВЭП в гиро-приборах широкого диапазона параметров, а также в других устройствах с интенсивными электронными потоками.

Выявленные закономерности динамических процессов в пространственном заряде ВЭП обладают достаточной степенью общности, что доказано результатами экспериментов в различных системах гиротронного типа и данными численного моделирования. На основе полученных данных определены условия формирования ВЭП высокого качества в ЭОС мощных гирорезонансных устройств, которые следует учитывать при их проектировании и эксплуатации. Разработанные методы подавления паразитных колебаний пространственного заряда и улучшения качества ВЭП могут быть использованы для повышения эффективности и предельных достижимых параметров гироприборов различного назначения.

Опробованные в работе методы диагностики и обработки гиротрон-ных термокатодов применимы для катодных систем с различными размерами и разным типом эмиссионного покрытия. Выработанные в результате исследований требования к эмиссионным характеристикам термокатодов могут быть использованы на этапах их начальной отбраковки и последующей эксплуатации в мощных гирорезонансных устройствах.

Результаты работ, составившие основу диссертации, были использованы при реализации совместных проектов СПбГПУ с организациями, специализирующимися на проектировании, изготовлении и эксплуатации мощных устройств гиротронного типа, - ИПФ РАН (Нижний Новгород), ЗАО НПП "Гиком" (Нижний Новгород, Москва), НПО "Исток" (Фрязино), Исследовательский центр и Институт технологии (Карлсруэ, Германия). Отдельные результаты диссертационной работы вошли в учебный курс "Физические основы СВЧ электроники", читаемый на радиофизическом факультете СПбГПУ.

Положения, выносимые на защиту

1. Новые сведения, необходимые для развития представлений о закономерностях формирования ВЭП высокого качества в гирорезонансных устройствах, позволяет получать разработанный и реализованный комплекс слабовозмущающих методов диагностики, обладающих высокими показателями чувствительности, временного и пространственного разрешения.

2. Разработанная модель численного моделирования позволяет рассчитывать в типичных режимах работы гироприборов динамику накопления электронов в ловушке между катодом и магнитной пробкой, а также развитие в захваченном в ловушку пространственном заряде коллективных процессов с характерными частотами в диапазоне десятков-сотен мегагерц.

3. Механизм возникновения низкочастотных колебаний в захваченном в ловушку пространственном заряде, определенный на основании полученных экспериментальных и расчетных данных, связан с развитием неустойчивости в ансамбле неизохронных электронных осцилляторов, подобной неустойчивости отрицательной массы.

4. Низкочастотные колебания пространственного заряда возникают в электронно-оптической системе гироприборов при превышении питч-фактором порогового значения и ведут к ухудшению качества ВЭП, проявляющемуся в уширении спектра энергий электронов, в изменении пространственной структуры пучка вследствие смещения электронов поперек силовых линий магнитного поля, в бомбардировке катода и появлении вторичных электронов.

5. При уровне эмиссионных неоднородностей термокатода магнетронно-инжекторной пушки, превышающем предельное значение, возрастание этих неоднородностей приводит к увеличению скоростного разброса электронов и снижению порогового питч-фактора возбуждения низкочастотных колебаний пространственного заряда, а в присутствии этих колебаний - к увеличению их амплитуды и разброса электронов по энергии.

6. Снижение амплитуды низкочастотных колебаний и повышение качества ВЭП, необходимые для увеличения рабочего питч-фактора и КПД гиро-трона, могут быть достигнуты за счет выработанных в работе методов оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП, а также при повышении эмиссионной однородности термокатода с помощью термической и ионной обработки.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: Всесоюзная конференция "Методы и средства диагностирования изделий электронной техники" (Москва, 1989); Всесоюзный семинар "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград, 1990); Всесоюзное совещание-семинар "Диагностика поверхности ионными пучками" (Москва, 1990); Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990); Всесоюзная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва, 1991); Всесоюзный семинар по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1991); 9, 12, 13 и 14-я зимние школы-семинары по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1993; 2003; 2006; 2009); 20-я международная конференция по инфракрасным и миллиметровым волнам (Orlando, USA, 1995); 11-я и 12-я международные конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Prague, Czech Rep., 1996; Haifa, Israel, 1998); Международная конференция по вакуумным электронным источникам (Eindhoven, The Netherlands, 1996); Всероссийская межвузовская конференция "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997); Международное совещание "Мазеры на циклотронном резонансе и гиротроны" (Kibbutz Ma'ale Hachamisha, Israel, 1998); Международная межвузовская конференция "Электроника и радиофизика СВЧ" (Санкт-Петербург, 1999); 5-й и 6-й международные симпозиумы "Мощные микроволны в плазме" (Нижний Новгород, 2002; 2005); 10-я международная конференция по вакуумной электронике и дисплеям (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004); совместные 29, 31 и 32-я международные конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам и 12, 14-я и 15-я международные конференции по терагерцовой электронике (Karlsruhe, Germany, 2004; Shanghai, China, 2006; Cardiff, UK, 2007); 7-й семинар по мощному высокочастотному излучению (Kaiamata, Greece, 2005); 18-й совместный российско-германский семинар по гиротронам и электронному циклотронному нагреву (Нижний Новгород, 2006); 35-я международная конференция по физике плазмы (Karlsruhe, Germany, 2008); 35-я международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам (Rome, Italy, 2010).

Представленные в диссертации результаты были получены в рамках работ, выполненных в СПбГПУ по договорам с НПО "Исток" в период с 1986 по 1989 г., договорам с ЗАО НПП "Гиком" и ИПФ РАН (Нижний

Новгород) в период с 1989 по 1998 г., грантам РФФИ (№№ 98-02-18323, 01-02-17081, 05-02-08024, 08-02-00324), гранту ШТАБ (№ 03-51-3861), контрактам с Исследовательским центром и Институтом технологии (Карлсруэ, Германия) в период с 2000 по 2010 г. Материалы данных работ докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах в СПбГПУ, НПО "Исток", ИПФ РАН, ФТИ им А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Университете г. Карлсруэ (Германия).

Публикации

По материалам, изложенным в диссертационной работе, автором опубликовано 58 работ [А1-А58], включая 19 статей в отечественных и зарубежных журналах, 15 статей в сборниках докладов конференций, 4 авторских свидетельства, 20 тезисов докладов на конференциях. 16 статей опубликовано в журналах из списка ВАК ведущих российских рецензируемых изданий.

Личный вклад автора

Все представленные в диссертационной работе результаты были получены автором лично либо под его непосредственным руководством в период с 1986 по 2010 г. Постановка задач исследований, выбор методов и инструментов достижения поставленных целей, анализ полученных результатов осуществлялись совместно с проф. Г.Г. Соминским, а на первом этапе (до 1992 г.) - также совместно с проф. О.Ю. Цыбиным. Все работы, состоящие в (1) конструировании, контроле изготовления и сборки экспериментальных приборов и установок; (2) разработке и практической реализации экспериментальных диагностик; (3) разработке методики численного моделирования; (4) проведении экспериментов и расчетов; (5) обработке полученных данных, были выполнены автором лично при участии аспирантов Д.В. Касьяненко и Д.Б. Самсонова, а также студентов кафедры физической электроники СПбГПУ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы (296 наименований) и списка авторских публикаций (58 наименований). Объем диссертации составляет 285 страниц, включая 95 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели, научная новизна и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту, приводится информация о личном вкладе и публикациях автора диссертации, кратко излагается ее содержание.

В каждой из глав 1-6 вначале приведен краткий литературный обзор, в котором обобщаются накопленные к настоящему времени знания по теме соответствующей главы и формулируются актуальные проблемы, не решенные на момент проведения исследований в рамках диссертационной работы.

Глава 1 посвящена описанию приборов и установок, с использованием которых была выполнена экспериментальная часть работы. Были сконструированы и изготовлены:

- экспериментальные приборы ЭОСГ-1, ЭОСГ-2, ЭОСГ-3, представляющие собой электронно-оптические системы гиротронного типа без высокодобротного резонатора [А12, А15, А18, А21, А34];

- экспериментальный импульсный гиротрон с рабочей частотой 74.7 ГГц и средним (около 100 кВт) уровнем выходной СВЧ мощности (рис. 1) [A35, А38, А42, А43, А49, А58];

- высоковакуумный стенд для диагностики и обработки гиротронных термокатодов [А52, А56].

Для формирования ВЭП в экспериментальных приборах применялись адиабатические ЭОС, включающие магнетронно-инжекторную пушку и область магнитной компрессии пучка. Вариантами магнитных систем были сверхпроводящий криосоленоид и импульсные соленоиды, работающие при комнатной температуре. Прибор ЭОСГ-1 по своей геометрии и режимам работы был подобен гиротронам, применяемым в технологических комплексах (например, [7, 17, 18]). Системы формирования ВЭП в приборах ЭОСГ-2 и ЭОСГ-3 были аналогичны ЭОС мощных мегаваттных гиро-тронов (например, [7, 8, 50]). Эти приборы работали в режимах, которые являлись моделирующими* по отношению к рабочим режимам мощных гиротронов. Выбор для исследований приборов с умеренным уровнем энергии, запасенной в ВЭП, (например, в рабочем режиме эксперимен-

* В моделирующих режимах выбор значений ускоряющего напряжения, тока пучка и индукции магнитного поля, уменьшенных по сравнению со значениями этих параметров в рабочем режиме, осуществляется на основе масштабных соотношений, обеспечивающих неизменность статических электронных траекторий (например, [20]).

Магнитная система гиротрона.'

ОС - основной соленоид; КэС - катодный соленоид; Кос ■ коллекторный соленоид: АС • соленоид анализатора; УС - управляющий соленоид

Анализатор энергий электронов:

1 - входное отверстие анализатора (диаметр = 1 тт);

2 ■ электрод под задерживающим потенциалом;

Внешняя Анодный \ ВЧ антенна анализатор УС

КоС

СВЧ нагрузка -калориметр

Рис. 1. Схематическое изображение сечения экспериментального гиротрона.

тального гиротрона: ускоряющее напряжение — 30 кВ, ток пучка - 10 А, длительность импульса - 40 мкс) значительно упрощал реализацию диагностик и проведение многих измерений. Сопоставление данных, полученных в приборах с различающимися геометрией ЭОС и режимами работы, служило основанием для вывода об общности выявленных закономерностей физических процессов в пространственном заряде ВЭП и о возможности использования разработанных методов повышения качества пучка в различных гирорезонансных устройствах.

Для определения характеристик ВЭП был использован набор слабо-возмущающих методов диагностики, большая часть из которых были новыми. Некоторые из экспериментальных методик, которые основывались на опробованных ранее подходах [35, 36, 51, 52], были реализованы с учетом специфики ЭОС гироприборов и требований к чувствительности и разрешающей способности измерительных систем. В совокупности разработанные методы образуют уникальный диагностический комплекс, предназначенный для определения:

- эмиссионных характеристик термокатодов МИП на основе анализа пространственного распределения электронного тока и характеристик потоков ионов с поверхности эмиттера [А 13, А14, А17, A3I, А41, А52];

- параметров распределения электронов ВЭП по компонентам скорости и по энергии с помощью анализаторов с тормозящим полем, установленных в коллекторной области приборов [А 15, А38, А42, А43];

- пространственной структуры ВЭП при регистрации излучения, возникающего при взаимодействии электронов с мишенью из малых частиц люминофора, и при измерении азимутального распределения плотности тока пучка в области его осаждения на коллекторе [А2, АЗ, А15];

- амплитудно-частотных и пространственно-временных характеристик динамических процессов в объемном заряде ВЭП в диапазоне частот 10+1500 МГц с помощью ВЧ зондов, локально связанных с электронным пучком, и внешних ВЧ антенн [А12, А15, А18, А21, А35, А42, А43];

- плотности тока и энергетического спектра электронов в потоке, бомбардирующем поверхность катода [АЗЗ, А34].

Разработанные методы повышения качества формируемого электронного потока были реализованы в экспериментальных приборах с помощью дополнительных управляющих электродов и магнитных катушек, предназначенных для регулирования распределений электрического и магнитного полей в области МИП и на участке магнитной компрессии пучка.

В заключении первой главы обобщаются результаты исследований эмиссионных характеристик термокатодов, которые использовались при проведении экспериментов. В приборах ЭОСГ-2, ЭОСГ-3, экспериментальном гиротроне и на специальном высоковакуумном стенде протестировано в общей сложности 25 гексаборид-лантановых (LaB6) и металлопо-ристых вольфрамо-бариевых (W-Ba) эмиттеров, изготовленных по различным технологиям. Определены типичные эмиссионные характеристики катодов в исходном состоянии, а также изменение этих характеристик в процессе эксплуатации катодов, в том числе после термической и ионной обработки. Полученные данные были использованы изготовителями гиро-тронных катодов для совершенствоваЕшя технологии их изготовления и активирования. На технологической базе ЗАО НПП "Гиком-М" были созданы металлопористые эмиттеры для мощных гиротронов с требуемыми параметрами по эмиссионной активности, долговечности и степени неоднородности эмиссии [А27, А28]. Выполненные исследования позволили обосновать возможность применения ионной обработки термокатодов для повышения их эмиссионной однородности, в том числе непосредственно в условиях работающего гиротрона.

В главе 2 представлены результаты экспериментальных исследований низкочастотных коллективных процессов в ВЭП, выполненных в электронно-оптических системах гиротронного типа и в эксперименталь-

ном гиротроне. Основное внимание в этих исследованиях было уделено паразитным НЧК с частотой в диапазоне 20-Н60 МГц. В широком диапазоне изменения рабочих параметров (ускоряющее напряжение £/0, индукция магнитного поля на полке В0, ток пучка 1п, коэффициент магнитной компрессии В0/Вк, длительность импульса т) определены амплитудно-частотные и фазовые характеристики, а также пороговые условия возбуждения этих колебаний. Результаты измерений дали доказательства связи НЧК с продольным движением сгустков пространственного заряда в электронном облаке, захваченном в ловушку между катодом и магнитной пробкой. Характерное время достижения квазистационарного состояния, в котором амплитуда колебавши изменяется незначительно, составляло 50^-100 периодов продольных осцилляций единичного электрона в ловушке. Преимущественно локализованные в области магнитной компрессии ВЭП, низкочастотные колебания присутствуют также и в потоке электронов, прошедших через магнитную пробку и поступающих в область резонатора.

Показано, что величина питч-фактора а является параметром, характеризующим влияние напряжения ид, индукции магнитного поля В0 и коэффициента В0/Вк на амплитуду и пороговые условия возникновения паразитных НЧК в выбранной ЭОС гироприбора. О качестве формируемого ВЭП можно судить по значению порогового питч-фактора ап, при превышении которого в электронном пространственном заряде существуют данные колебания. Экспериментально определена зависимость, характеризующая снижение порогового питч-фактора при возрастании скоростного разброса электронов в пучке. Значения величины а определялись по соотношениям адиабатической дрейфовой теории (например, [53]), а также рассчитывались в процессе численного моделирования с помощью программы ЕОиЫ [54].

В экспериментальном гиротроне выявлена область существования паразитных НЧК и определены условия, когда эти колебания возбуждаются при значениях магнитного поля, соответствующих зоне генерации на рабочей моде ТЕ|2,з. На рис. 2 приведены типичные зависимости амплитуды колебаний Атк, выходной СВЧ мощности Р0 на рабочей моде и рассчитанного с помощью кода Е01ГЫ питч-фактора ос от индукции магнитного поля Вп при рабочих значениях параметров ио, 1п, б0/5к. Приведенные зависимости характерны для гиротрона с относительно однородным

Р,кВт а

о

200

400

О

80 '

- 1.6 60 .

- 1.4

40

- 1.2

20 - 1.0

О -1 0.8

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 в, Тл

Рис.2. Зависимости амплитуды колебаний Лнчк, выходной мощности Р0 на рабочей моде ТЕ]23, а также рассчитанного питч-фактора а от индукции магнитного поля Ва

20+25 %). Для таких катодов в рабочем режиме при а= 1.28 экспериментальные значения выходной мощности и КПД приблизительно совпадали с их расчетными значениями, определенными при моделировании процессов взаимодействия электронов с ВЧ полем в резонаторе гиротрона.

Исследованы спектры низкочастотных колебаний при различной величине потока электронов, отражающихся от магнитной пробки. Показано, что с ростом коэффициента отражения от пробки происходит усложнение спектров НЧК, а при интенсивном потоке частиц в ловушку захваченный в нее пространственный заряд является источником широкополосных хаотических сигналов.

Проанализирована связь возбуждающихся в ВЭП низкочастотных колебаний с внешними цепями, соединяющими лампу с источниками питания и измерительной аппаратурой. В отличие от полученных в других ги-роприборах данных (например, [20, 38, 39]), в экспериментальном гиро-троне не было зафиксировано заметного изменения амплитудно-частотных характеристик НЧК при варьировании в широких пределах резонансной частоты и добротности внешнего контура. Наблюдалось плавное изменение основной частоты в спектре колебаний при варьировании ускоряющего напряжения. Отсутствие влияния внешних цепей на характеристики

Коэффициент 8/, определялся по измеренной зависимости плотности тока эмиссии от азимутальной координаты /,(0) как относительное среднеквадратичное отклонение величины /., от среднего значения (например, [А41, А43]).

([/„ = 30кВ, /„ =10А, Я„/5К =18.02).

термокатодом (коэффициент эмиссионной неоднородности 5/э менее

низкочастотных коллективных процессов в ВЭП экспериментального ги-ротрона объясняется спецификой геометрии МИП и особенностями конструкций катодного и анодного блоков данного прибора.

Эксперименты показали, что электронный поток в гироприборах может быть источником более высокочастотных колебаний с частотой в диапазоне 600+900 МГц. Колебания возбуждались при повышенных значениях тока ВЭП, при которых концентрация электронов в области полки магнитного поля близка к значениям данной величины в пучках мощных ги-ротронов. Дано экспериментальное подтверждение связи этих колебаний с конвективным усилением волн пространственного заряда на участке дрейфа ВЭП. Уменьшить вероятность возбуждения данных паразитных колебаний возможно при снижении степени эмиссионных неоднородностей катода.

Глава 3 посвящена теоретическому исследованию процессов накопления и группировки пространственного заряда в ловушке ЭОС гиротрон-ного типа. Разработанный автором подход к моделированию коллективных процессов в ВЭП [А29, А55] позволил принципиально сократить затраты машинного времени на один шаг интегрирования и существенно увеличить время анализа по сравнению с двумерным моделированием (например, [20, 22, 37, 55-58]). Базирующийся на методе крупных частиц, данный подход ориентирован на изучение процессов, характерный период которых сопоставим с периодом осцилляций единичного электрона в ловушке. Доступные временные интервалы моделирования, составляющие сотни таких периодов, дают возможность анализировать динамику накопления в ловушке объемного заряда и развития неустойчивости для рабочих параметров ВЭП в гиротронах, независимо от их геометрии, мощности, рабочей длины волны и т.д.

На примере ЭОС различных гироприборов исследованы пороговые условия возбуждения и амплитудно-частотные характеристики колебаний, связанных с развитием неустойчивости в накопленном в ловушке объемном заряде. Определены значения времени возникновения колебаний и суммарного электронного заряда, накопленного в ловушке к этому моменту времени, в зависимости от величины коэффициента отражения электронов от магнитной пробки R0 в "холодном" ВЭП. Варьирование величины R„ осуществлялось за счет изменения питч-фактора и разброса поперечных скоростей электронов в пучке. Установлено, что для ЭОС экспериментального гиротрона регулярные НЧК возникают при значениях R(>, пре-

вышающих примерно 5-10". Анализ полученных данных показал, что влияние НЧК на работу мощных гиротронов проявляется при меньшем коэффициенте отражения электронов от пробки (т. е. при меньшем питч-факторе в случае одинакового скоростного разброса) по сравнению со слаботочными гиротронами, используемыми, например, для обработки материалов.

Дано обоснование возможности развития неустойчивости в ансамбле неизохронных электронных осцилляторов в ловушке, подобной неустойчивости отрицательной массы. Проанализирован способ воздействия на инкремент данной неустойчивости при регулировании распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП. Для конфигураций ЭОС экспериментальных приборов, в которых были исследованы паразитные НЧК, получены оптимальные с точки зрения подавления колебаний расчетные распределения магнитного поля.

Определено влияние паразитных НЧК на характеристики электронного потока, поступающего в область резонатора. Интенсивность колебательного процесса в ловушке характеризовалась значением переменной компоненты потенциала пучка с усреднением по ячейкам, на которые было разбито пространство между катодом и магнитной пробкой. В зависимости от значения данной величины определены разброс энергий электронов, амплитуда высокочастотной модуляции плотности электронного пространственного заряда, степень деформации функции распределения по скоростям и наличие выделенных "пучков" с разными продольными скоростями. Временные зависимости, приведенные иа рис. 3, характеризуют

АЁ/.В_8е, %

ЛУ

0 1 2 3 4 г,мкс

Рис. 3. Зависимости среднего значения переменной компоненты провисания потенциала пучка Д£/_ и разброса энергий электронов бе от времени / (й,, = 6.79-10 3, а0 = 1.5,

^Иш =Ю.6%).

изменение энергетического разброса* электронов по мере увеличения интенсивности низкочастотных колебаний.

Проанализировано изменение составляющих потоков электронов, поступающих в ловушку и выходящих из нее, с течением времени. Выделена одна из этих составляющих, связанная с осаждением электронов на поверхности катода. Полученные данные об энергетических спектрах бомбардирующих катод частиц находятся в согласии с результатами двумерного моделирования (например, [22, 37]), которое показало заметную роль образующихся при бомбардировке катода вторичных электронов в процессах накопления пространственного заряда в ловушке и влияние этих электронов на интенсивность паразитных НЧК.

В целом, результаты проведенного численного моделирования удовлетворительно согласуются с данными экспериментов, которые были выполнены в различных системах гиротронного типа и описаны в других главах настоящей работы. Это касается пороговых условий возбуждения и спектральных характеристик НЧК, в частности эффектов стохастизации коллективных процессов в ловушке, влияния низкочастотных полей пространственного заряда на характеристики формируемого ВЭП, эффективных способов управления колебаниями при регулировании распределений электрического и магнитного полей.

В главе 4 приведены результаты исследований влияния эмиссионных характеристик термокатодов на качество ВЭП и эффективность генерации СВЧ излучения в гирорезонансных устройствах. Измерения, выполненные в электронно-оптических системах гиротронного типа ЭОСГ-2 и ЭОСГ-3, позволили впервые определить влияние степени эмиссионных неоднород-ностей катода на порог возникновения и амплитудно-частотные характеристики колебаний пространственного заряда ВЭП, а также на величину разброса поперечных скоростей электронов. Сравнивались данные, которые были получены как для катодов с разной эмиссионной неоднородностью, так и при варьировании эмиссионных характеристик одного и того

В работе были использованы два принятых способа описания скоростного и энергетического разбросов электронов в ВЭП (например, [34, 35, 55, 59]): (1) по полной ширине соответствующих спектров за вычетом фракций с минимальными и максимальными скоростями (энергиями), количество электронов в которых составляет 10 % от полного числа электронов в пучке (т\, 8с); (2) с помощью величины среднеквадратичного отклонения (гоо1-теап^иаге, пш) энергии или скорости частиц от своего среднего значения (5уХпП1, 8ет!). Например, в случае гауссовой функции распределения по скорости выполняется соотношение 5у1 я 2.56 -5у1гт,.

же катода. Изменение пространственного распределения плотности тока эмиссии достигалось в результате термической обработки катодов, а также при локальном напылении атомов платины еш отдельные участки эмитирующей поверхности. На основании полученных данных сделан вывод, что возрастание скоростного разброса и интенсивности НЧК в случае повышения эмиссионной неоднородности катода связано преимущественно с неоднородной экранировкой внешнего электрического поля пространственным зарядом в области МИП, по крайней мере, для моделирующих режимов работы мощных гиротронов при относительно малом токе электронного пучка.

Сравнение азимутальных распределений плотности тока ВЭП, измеренных в катодной и коллекторной областях экспериментальных приборов, показало, что при транспортировке электронного пучка происходит сглаживание мелкомасштабных неоднородностей структуры ВЭП, обусловленное, видимо, перемешиванием электронных траекторий, при сохранении крупномасштабных особенностей данной структуры. Характерный угловой интервал, в пределах которого происходило перемешивание траекторий электронов при транспортировке пучка от катода до коллектора, составлял 10+20 град.

В экспериментальном гиротроне определена связь между степенью эмиссионной неоднородности катода, с одной стороны, и характеристиками качества ВЭП и эффективностью преобразования энергии электронов в СВЧ энергию - с другой. Данные о коэффициенте эмиссионной неоднородности 8у\, пороговом питч-факторе возникновения НЧК а„ и максимальном КПД т|макс на рабочей моде ТЕ|2,з, измеренном в расчетном режиме работы гиротрона при а« 1.3, для исследованных катодов сведены в табл. 1. Определенные в эксперименте значения порогового питч-фактора были использованы для оценки разброса поперечных скоростей 5у1пш электронов в ВЭП, формируемых при использовании разных катодов. Эти оценки были выполнены на основании сравнения измеренных и рассчитанных энергетических спектров электронов в отработанном пучке для катода К-2 и в предположении, что в гиротроне при заданном наборе значений рабочих параметров ид, В0, 1п и Ви/Вк паразитные НЧК возбуждаются при некотором пороговом коэффициенте отражения от пробки /?„, одинаковом для разных катодов. Вычисленные значения разброса поперечных скоростей приведены в последнем столбце табл. 1, по данным которой построена зависимость 5уХгт8(ф':1), показанная на рис. 4.

Таблица 1

Катод Тип. 5Л,% Пмакс.% «и

К-4 W-Ba 13 32 1.31 8.8

К-4 \V-Ba 20 32 1.31 8.8

К-1 ЬаВ6 23 31 1.31 8.8

К-6 ЬаВ6 30 30 1.26 9.2

К-4 \У-Ва 40 28 1.25 9.6

К-2 ЬаВ6 50 26 1.22 10

К-3 \V-Ba 74 20 1.11 11.8

Полученные результаты позволяют определить величину предельной степени эмиссионных неоднородностей катода, при превышении которой эти неоднородности могут оказывать заметное негативное влияние на разброс поперечных скоростей электронов и, как следствие, на амплитуду паразитных НЧК. Выполнены оценки предельной степени эмиссионных неоднородностей в зависимости от совокупного вклада других факторов, определяющих скоростной разброс электронов в типичных режимах работы мощных гиротронов.

С использованием данных о влиянии эмиссионных неоднородностей на работу экспериментального гиротрона определена область устойчивой работы прибора, характеризующаяся высоким качеством формируемого ВЭП с малым разбросом по скоростям и отсутствием паразитных колебаний пространственного заряда, и определены возможности расширения

Рис. 4. Зависимость разброса поперечных скоростей электронов от коэффициента эмиссионной неоднородности катода 5Д.

этой области в сторону больших питч-факторов для достижения повышенного КПД гиротрона.

Глава 5 посвящена экспериментальным исследованиям влияния низкочастотных коллективных процессов в электронном пространственном заряде на характеристики ВЭП, определяющие эффективность генерации СВЧ излучения в гирорезонансных устройствах. В части экспериментов использовалась модифицированная версия гиротрона, в которой вместо резонатора в области полки магнитного поля был установлен специальный поглотитель с целью подавления возбуждения электромагнитного излучения на частотах циклотронного резонанса. Определено влияние низкочастотных колебаний пространственного заряда на разброс энергий электронов в ВЭП. Показано, что даже при малой амплитуде колебаний вблизи порога их возбуждения уширение энергетического спектра электронов, вызванное действием переменных полей пространственного заряда, может характеризоваться разбросом энергий 5е в 3-^4 %, при котором, согласно имеющимся данным (например, [14, 28, 60, 61]), КПД гироприборов заметно ниже по сравнению со случаем моноэнергетичного ВЭП.

С использованием распределенной мишени, состоящей из малых частиц люминофора, в приборе ЭОСГ-1 определена поперечная структура ВЭП при разной амплитуде паразитных НЧК. Типичные зависимости усредненной по азимуту плотности тока ВЭП от радиальной координаты, полученные при разных значениях коэффициента магнитной компрессии В0/Вк, приведены на рис. 5. Режим с В0/Вк = 14.3 характеризовался малой амплитудой НЧК (а й ап). При повышении Вн/Вк с 14.3 до 16.7 амплитуда колебаний возрастала на ~ 20 дБ, что сопровождалось увеличением

Рис. 5. Радиальные распределения плотности электронного тока ./„(У) при разных значениях коэффициента магнитной компрессии В0/Вк.

толщины стенки пучка ДЛВЭП примерно в два раза. На основе полученных данных определено возможное радиальное смещение электронов под действием связанного с НЧК переменного поля пространственного заряда, в том числе для пучков мощных гиротронов. При анализе использовались данные расчетов интенсивности колебательного процесса в ловушке для различных ЭОС гиротронного типа (глава 3). Показано, что в экспериментальном гиротроне в режимах с интенсивными НЧК величина ЛЯВЭП может достигать значений (0.5+0.7)4, где X = 4 мм - длина волны выходного СВЧ излучения. Подобное уширение пучка может быть причиной низкой эффективности генерации СВЧ излучения в гироприборах (например, [62]).

В приборе ЭОСГ-3 экспериментально определены плотность тока и спектр энергий электронов в потоке, бомбардирующем катод в присутствии паразитных НЧК. В режимах с интенсивными колебаниями плотность тока бомбардировки составляла примерно 1 % от плотности тока термоэмиссии с катода МИП, а максимальная энергия бомбардирующих электронов достигала ~ 400 эВ при полном ускоряющем напряжении ио = 7.8 кВ. В целом, полученные экспериментальные данные подтвердили сделанные в рамках теоретического анализа выводы о необходимости учета вторичных электронов, эмитируемых с катода в присутствии НЧК, при моделировании физических процессов в пространственном заряде ВЭП гироприборов.

Глава б посвящена методам управления низкочастотными коллективными процессами в пространственном заряде ВЭП. Основная задача исследований состояла в определении возможности подавления паразитных колебаний, развивающихся в захваченном в ловушку пространственном заряде. Разработанные методы основываются на регулировании распределений электрического и магнитного полей в области формирования пучка. Изучена экспериментально и теоретически с использованием методов численного моделирования возможность управления характеристиками НЧК при:

- введении регулируемых неоднородностей электрического поля в области магнитной компрессии ВЭП;

- регулировании распределения электрического поля в прикатодной области МИП, в том числе при изменении потенциала управляющего электрода, изолированного от катодного блока экспериментального гиротро-на;

- изменении распределения магнитного поля на участке перемагничива-

ния пучка между пушкой и резонаторной областью гиротрона. Подавление НЧК реализовано за счет введения дополнительных потерь электронов из ловушки, а также в результате воздействия на инкремент развития неустойчивости в захваченном в ловушку пространственном заряде.

В экспериментах продемонстрирована возможность снижения амплитуды НЧК, достигающего ~ 10 дБ, при подаче управляющего напряжения на изолированную секцию трубы дрейфа и при введении азимутально-неоднородного электрического поля в конце области магнитной компрессии пучка. Обосновано применение секционированной трубы дрейфа в ги-роприборах для подавления неустойчивости, связанной с торможением электронов собственным полем пространственного заряда, и для снижения интенсивности ионной бомбардировки катода.

Регулирование продольного распределения магнитного поля В(г) в экспериментальных приборах осуществлялось с помощью управляющих катушек, установленных на участке компрессии ВЭП (см. рис. 1). Реализованы распределения В (г), при которых траектории ведущих центров электронных орбит приближены к трубе дрейфа в локальной области, прилегающей к управляющей катушке. В случае таких распределений подавление НЧК было связано с осаждением на трубе дрейфа электронов, в первую очередь из ореола ВЭП, в котором сосредоточены захваченные в ловушку частицы. Работа экспериментальных приборов с подавленными НЧК была также реализована при распределениях В(г), близких к оптимизированным расчетным распределениям, соответствующим уменьшенному инкременту неустойчивости в захваченном в ловушку пространственном заряде (глава 3).

Опробован метод повышения качества ВЭП путем оптимизации распределения электрического поля в прикатодной области МИП. Дано экспериментальное подтверждение целесообразности использования разработанной в ИПФ РАН катодной системы (например, [63]) с увеличенным катодным углом в области над эмитирующим пояском (катод с "юбкой") для подавления паразитных НЧК. Применение катодного узла с входящим в его состав изолированным управляющим электродом давало возможность регулировать распределение электрического поля непосредственно в процессе работы гиротрона. Показано, что, изменяя распределение поля с помощью этого электрода, можно добиться повышения качества ВЭП за счет

снижения скоростного разброса при постоянном среднем питч-факторе (по данным траекторного анализа) и за счет подавления паразитных колебаний (по данным эксперимента).

Совместное применение разработанных методов подавления НЧК в экспериментальном гиротроне, оснащенном термокатодом с достаточной степенью эмиссионной однородности, позволило обеспечить высокое качество формируемого ВЭП при работе в режимах с большим питч-фактором (более 1.5). Характеристики гиротрона, в котором был установлен катод с "юбкой" (ЬаВ6 эмиттер К-6, б/, = 25 %) и реализовано оптимизированное распределение магнитного поля, показаны на рис. 6. Здесь приведены зависимости максимального КПД гиротрона т] на рабочей моде ТЕ,2,з, амплитуды колебаний Личк и рассчитанного питч-фактора а от напряжения 6'0 и коэффициента магнитной компрессии В0/Вк. В отсутствии паразитных колебаний КПД гиротрона возрастает по мере увеличения питч-фактора. При а ~ 1.55 достигается максимальный КПД Т)юкс «42%, который примерно в 1.3 раза больше по сравнению с КПД гиротрона в расчетном режиме при а = 1.28.

На основании полученных экспериментальных и расчетных данных проанализированы возможные технические решения по применению разработанных методов повышения качества ВЭП в конструкциях высокоэффективных мощных устройств гиротронного типа.

В заключении диссертационной работы сформулированы ее основные результаты.

а) б)

Рис.6. Зависимости максимального КПД гиротрона г)макс на моде ТЕщ, амплитуды НЧК А1ПК и питч-фактора а от ускоряющего напряжения ид (о) и коэффициента магнитной компрессии В0/Вк (б).

Основные результаты диссертационной работы

1. Разработан и реализован экспериментальный комплекс, который включает электронно-оптические системы гиротронного типа, изготовленные на базе применяемых на практике гиротронов, импульсный гиротрон 4-миллиметрового диапазона длин волн с выходной мощностью ~ 100 кВт и установку для диагностики и обработки гиротронных катодов. Следующие специально разработанные методики использованы для определения основных характеристик ВЭП.

1.1. Метод исследования пространственных неоднородностей эмиссии с термокатода МИП, основанный на измерении азимутальных распределений потоков электронов, положительных и отрицательных ионов с эмитирующей поверхности.

1.2. Методы изучения пространственной структуры ВЭП, которые основаны на регистрации излучения, возникающего при взаимодействии электронного потока с мишенью из малых частиц люминофора, и на измерении азимутального распределения плотности тока пучка в области его осаждения на коллекторе.

1.3. Зондовая методика, предназначенная для исследования амплитудно-частотных, пространственно-временных и фазовых характеристик колебаний объемного заряда ВЭП, а также характеристик паразитного излучения вне вакуумной оболочки приборов в диапазоне частот 10+1500 МГц.

1.4. Усовершенствованные методики анализа распределений электронов по скорости и энергии в коллекторной области приборов, основанные на применении анализаторов с тормозящим полем. Чувствительность энергоанализатора обеспечивала возможность измерять малые значения разброса энергий электронов, вызванного влиянием собственных полей пространственного заряда пучка.

1.5. Метод исследования характеристик потока электронов на катод, предназначенный для определения плотности тока бомбардировки и энергетического спектра бомбардирующих катод электронов.

2. Исследованы низкочастотные коллективные процессы в пространственном заряде ВЭП устройств гиротронного типа и влияние этих процессов на характеристики пучка и выходные параметры гиротрона.

2.1. Экспериментально определены амплитудно-частотные, временные и фазовые характеристики, а также пороговые условия возбуждения низкочастотных (/= 20+160 МГц) колебаний, связанных с отраже-

нием электронов ВЭП от магнитной пробки и накоплением пространственного заряда в ловушке между катодом и полкой магнитного поля.

2.2. Разработана методика численного моделирования динамики пространственного заряда в ЭОС гироприборов, ориентированная на исследование длительных процессов с характерной частотой много меньше циклотронной частоты электронов. С использованием разработанного кода изучены процессы накопления и группировки пространственного заряда в ловушке.

2.3. В расчетах и в экспериментах показано, что паразитные низкочастотные колебания в ловушке систем гиротронного типа могут возбуждаться при значениях питч-фактора и разброса скоростей электронов, близких к реализуемым в мощных гиротронах. Введенная величина порогового питч-фактора возбуждения колебаний может служить удобным параметром контроля качества ВЭП в процессе эксплуатации гироприборов.

2.4. На базе полученных экспериментальных и расчетных данных обоснован механизм развития неустойчивости в ансамбле неизохронных электронных осцилляторов в ловушке, подобный неустойчивости отрицательной массы.

2.5. Экспериментально и теоретически исследовано влияние низкочастотных колебаний на основные характеристики ВЭП. Полученные данные определяют снижение качества пучка при возрастании интенсивности колебаний, проявляющееся в (1) увеличении разброса энергий электронов; (2) размытии поперечной структуры ВЭП, смещении электронов поперек силовых линий магнитного поля; (3) увеличении амплитуды модуляции плотности заряда и появлении выделенных "пучков" с разными продольными скоростями в потоке, поступающем в резонатор; (4) возрастании плотности тока электронов, бомбардирующих катод, и уширении спектра их энергий. Показано удовлетворительное соответствие экспериментальных и расчетных данных о влиянии паразитных низкочастотных колебаний на параметры ВЭП.

2.6. Обнаружены и изучены колебания пространственного заряда с частотой в диапазоне 600+900 МГц. Дано объяснение природы этих колебаний исходя из возможности развития многопучковой неустойчивости в электронных потоках гироприборов.

3. Реализована программа по разработке методов диагностики и обработки гиротронных термокатодов, по исследованию характеристик катодов и влияния их эмиссионной неоднородности на качество ВЭП и выходные параметры гиротрона.

3.1. Исследованы эмиссионные характеристики 25 гексаборид-лантановых и металлопористых термокатодов. Изучено изменение этих характеристик в процессе эксплуатации катодов, а также в результате применения специально разработанных методов их термической и ионной обработки. Полученные данные использованы изготовителями металлопористых термокатодов для совершенствования технологии производства и улучшения эмиссионных характеристик таких катодов.

3.2. Экспериментально определено влияние неоднородности эмиссии катода на пороговые условия возбуждения и амплитуду паразитных низкочастотных колебаний, на величину разброса поперечных скоростей и азимутальное распределение плотности пространственного заряда электронов в ВЭП, а также на выходную СВЧ мощность и КПД экспериментального гиротрона.

3.3. На основании полученных данных выработаны требования к эмиссионной однородности термокатодов при использовании их в качестве источника электронов в мощных гирорезонансных устройствах.

4. Разработаны и реализованы методы повышения качества ВЭП в гиро-приборах, основанные на регулировании распределений неоднородных электрического и магнитного полей в области формирования пучка.

4.1. В экспериментах показано, что эффективное подавление паразитных низкочастотных колебаний может быть достигнуто при оптимизации распределения электрического поля в прикатодной области МИП и на участке дрейфа пучка, а также распределения магнитного поля в области перемагничивания.

4.2. Подавление колебаний реализовано за счет введения дополнительных потерь электронов из ловушки и в результате воздействия на инкремент неустойчивости в захваченном в ловушку пространственном заряде.

4.3. С применением разработанных методов подавления колебаний была реализована работа экспериментального гиротрона при больших значениях питч-фактора (более 1.5) и высоком качестве ВЭП, что позволило увеличить в ~ 1.3 раза КПД данного прибора по сравнению с расчетным режимом работы.

4.4. На основании полученных экспериментальных и расчетных данных разработаны технические решения по подавлению паразитных колебаний. пространственного заряда и повышению качества формируемого ВЭП, которые могут быть использованы в процессе проектирования и эксплуатации мощных гирорезонансных устройств.

Список цитируемой литературы

[1] ГапоновА.В. Взаимодействие непрямолинейных электронных потоков с электромагнитными волнами в линиях передачи // Изв. вузов. Радиофизика. 1959. Т. 2, № з. с. 450-462.

[2] Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Григорьев Д.П. и др. Индуцированное синхро-тронное излучение электронов в полых резонаторах // Письма в ЖЭТФ. 1965. Т. 2, № 9. С. 430-435.

[3] Гапонов А.В., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10, № 9-10. С. 1414-1453.

[4] Applications of high-power microwaves / Ed. by A.V. Gaponov-Grekhov, V.L. Granatstein. Norwood, MA: Artech House, 1994. 364 p.

[5] Gyrotron oscillators: their principles and practice / Ed. by C.J. Edgcombe. Washington, D.C.: Taylor & Francis, 1993. 423 p.

[6] Nusinovich G.S. Introduction to the physics of gyrotrons. Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press, 2004. 352 p.

[7] Thumm M. State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers, update 2009 // KIT Scientific Report 7540, Karlsruhe Institute of Technology, 2010. 120 p.

[8] Денисов Г.Г., Запевалов B.E., ЛитвакА.Г., Мясников В.E. Гиротроны мегаватт-ного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС// Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 10, с. 845858.

[9] LitvakA.G., DenisovG.G., AgapovaM.V., et al. Recent results of development in Russia of 170 GHz gyrotron for ITER // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No. Tu-El.l.

[10] Thumm M. High power gyro-devices for plasma heating and other applications // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2005. Vol. 26, no. 4. P. 483-503.

[11] Sakamoto K., Kasugai A., Takahashi K., et al. Achievement of robust high-efficiency 1 MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170 GHz continuous-wave gyrotron // Nature Physics. 2007. Vol. 3. P. 411-414.

[12] Lohr J., CengherM., Deboo J., et al. Performance of the six gyrotron system on the DIII-D tokamak // Dig. 34th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Bu-san, Korea, 2009. No. R4D03.0203.

[13] Darbos С., Henderson M. Status of the ITER electron cyclotron H&CD system // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No. Tu-P.70.

[14] Запевалов B.E. Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 10. С. 864-871.

[15] Felch K.L., Danly B.G., Jory H.R., et al. Characteristics and applications of fast-wave gyrodevices // Proc. IEEE, 1999. Vol. 87, no. 5. P. 752-781.

[16] Bratman V., Glyavin M., Idehara Т., et al. Review of subterahertz and terahertz gyro-devices at IAP RAS and FIR FU // IEEE Trans. Plasma Sci. 2009. Vol.37, no. 1. P. 36^13.

[17] Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M., et al. 24-84-GHz gyrotron systems for technological microwave applications // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. Vol. 32, no. 1. P. 6772.

[18] MiyakeS. Millimeter-wave materials processing in Japan by high-power gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sci. 2003. Vol. 31, no. 5. P. 1010-1015.

[19] Цимринг Ш.Е. Формирование винтовых электронных пучков // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (3-я зимняя школа-семинар инженеров). Саратов:

' Изд-во СГУ, 1974. Кн. 4. С. 3-94.

[20] Tsimring Sh.E. Gyrotron electron beams: velocity and energy spread and beam instabilities // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2001. Vol. 22, no. 10. P. 1433-1468.

[21] Запевалов B.E., Мануилов B.H., Цимринг Ш.Е. К теории винтовых пучков с захваченными электронами // Изв. вузов. Радиофизика. 1990. Т. 33. № 12. С. 1406— 1411.

[22] Мануилов В.Н. Численное моделирование низкочастотных колебаний пространственного заряда и потенциала в электронно-оптической системе гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 10. С. 872-879.

[23] Yan R., Antonsen Т.М., Jr. Nusinovich G.S. Analytical theory of low-frequency space charge oscillations in gyrotrons // Phys. Plasmas. 2008. Vol. 15, no. 10. P. 103102103102-8.

[24] Иляков E.B., Кулагин И.С., Мануилов B.H., Шевченко А.С. Экспериментальное исследование возможности увеличения питч-фактора интенсивного релятивистского винтового электронного пучка // Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, № 10. С. 855-863.

[25] Antakov I.I., Gachev I.G., Zasypkin E.V. Self-excitation of spurious oscillations in the drift region of gyrotrons and their influence on gyrotron operation // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. Vol. 22, no. 5. P. 878-882.

[26] Pedrozzi M., Alberti S., Hogge J.P., et al. Electron beam instabilities in gyrotron beam tunnels // Phys. Plasmas. 1998. Vol. 5, no. 6. P. 2421-2430.

[27] Kern S., Schlaich A., Flamm J., et al. Investigations on parasitic oscillations in megawatt gyrotron // Dig. 34th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Bu-san, Korea, 2009. No. T4C01.0132.

[28] Bratman V.L., Dumbrajs О., Nikkola P., Savilov A.V. Space charge effects as a source of electron energy spread and efficiency degradation in gyrotrons // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. Vol. 28, no. 3. P. 633-637.

[29] Лыгин В.К., Цимринг Ш.Е., Шевцов Б.И. О диокотронной неустойчивости винтовых электронных пучков // Изв. вузов. Радиофизика. 1991. Т. 34, №4. С. 419— 425.

[30] Schuldt R., Borie Е. Diocotron instability of the electron beam in the drift tube of a gyrotron // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1995. Vol. 16, no. 10. P. 1675-1700.

[31] Kuftin A.N., Lygin V.K., Manuilov V.N., et al. Theory of helical electron beams in gyrotrons // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1993. Vol. 14, no. 4. P. 783-816.

[32] Guss W.C., Basten M.A., Kreisclier K.E., Temkin R.J. Velocity spread measurements on a magnetron injection gun beam // J. Appl. Phys. 1994. Vol. 76, no. 6. P. 32373243.

[33] 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.

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

[35] Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л. и др. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 4. С. 95-98.

[36] Dumbrajs О., Nikkola P., Piosczyk В. On the negative-mass instability in gyrotrons // Int. J. Electron. 2001. Vol. 88, no. 2. P. 215-224.

[37] Кривошеее П.В., Мануйлов В.Н. Учет вторичных электронов при численном моделировании интенсивных винтовых электронных пучков гиротронов // Прикладная физика. 2002. № 3. С. 80-86.

[38] Piosczyk В., Arnold A., Dammertz G., et al. Coaxial cavity gyrotron - recent experimental results // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. Vol. 30, no. 3. P. 819-827.

[39] Dammertz G., Alberti S., Arnold A., et al. High-power gyrotron development at Forschungszentrum Karlsruhe for fusion applications И IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. Vol. 34, no. 2. P. 173-186.

[40] Glyavin M.Yu., Kuftin A.N., Venediktov N.P., et al. Experimental investigation of emission inhomogeneity of gyrotron cathodes basing on their current-voltage characteristics// Int. J. Infrared Millim. Waves. 1997. Vol. 18, no. 11. P. 2137-2146.

[41] Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuftin A.N., et al. Experimental studies of gyrotron electron beam systems // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. Vol. 27, no.2. P. 474-483.

[42] Anderson J.P., Korbly S.E., Temkin R.J., et al. Design and emission uniformity studies of a 1.5-MW gyrotron electron gun // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. Vol. 30, no. 6. P. 2117-2123.

[43] Anderson J.P., Temkin R.J., Shapiro M.A. Experimental studies of local and global emission uniformity for a magnetron injection gun // IEEE Trans. Electron Devices. 2005. Vol. 52, no. 5. P. 825-828.

[44] Advani R., Hogge J.P., Kreischer K.E., et al. Experimental investigation of a 140-GHz coaxial gyrotron oscillator // IEEE Trans. Plasma Sci. 2001. Vol. 29, no. 6. P. 943950.

[45] Pagonakis J.Gr., Vomvoridis J.L. Evolution of an electron beam with azimuthal density nonuniformity in a cylindrical beam tunnel // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. Vol. 32, no. 3. P. 890-898.

[46] Ives R.L., Borchard P., Collins G., et al. Improved magnetron injection guns for gyro-trons // IEEE Trans. Plasma Sci. 2008. Vol. 36, no. 3. P. 620-630.

[47] Nusinovich G.S., Botton M. Quasilinear theory of mode interaction in gyrotrons with azimuthally inhomogeneous electron emission // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8, no. 3. P. 1029-1036.

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

[49] Felch K., Blank M„ Borchard P., et al. Results of 10-sec pulse tests on a 110 GHz gyrotron // Proc. Int. Vac. Electron. Conf., Monterey, USA, 2000. 2 p.

[50] Запевалов B.E., Куфтин A.H., Лыгин B.K., Цимрииг Ш.Е. Численное моделирование и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек мощных коротковолновых гиротронов // Изв. вузов. Радиофизика. ¡992. Т. 35, № 11-12. С. 999-1007.

[51] ЛевчукС.А., Соминский Г.Г., Воскресенский С.В. Экспериментальное определение дисперсионных характеристик электронного облака в неоднородных скрещенных полях // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14, № 13. С. 1423-1430.

[52] Пушкарев С.С., Бондаренко В.А., Галдецкий Н.П. и др. Многоканальный анализатор для измерения частотно-фазовых характеристик волн пространственного заряда в СРЭП // Приборы и техника эксперимента. 1989. № 3. С. 31-33.

[53] Гиротрон: Сборник научных трудов / Под ред. А.В. Гапонова-Грехова. Горький: Изд-во ИПФ АН СССР, 1981. 254 с.

[54] Hermannsfeldt W.B. Electron trajectory program // SLAC Report 226, Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, 1979. 119 p.

[55] Raisky B.V., Tsimring S.E. Numerical simulation of nonstationary processes in intense helical electron beams of gyrotrons // IEEE Trans. Plasma Sci. 1996. Vol. 24, no. 3. P. 992-998.

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

[57] Зайцев Н.И., Иляков E.B., Кулагин И.С., Мануйлов В.Н. Влияние отраженных от магнитного зеркала электронов на формирование электронного пучка в релятивистском гиротроне // Прикладная физика. 2006. № 3. С. 121-125.

[58] Мануйлов В.Н., Полушкина С.А. Динамика винтового электронного пучка гиро-трона при больших питч-факторах И Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 10. С. 795-803.

[59] Братман В.Л., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Савилов A.B. Разброс начальной энергии электронов в гиротроне, обусловленный развитием неустойчивости отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 4. С. 90-94.

[60] Завольский H.A., Запевалов В.Е., Моисеев М.А. Влияние разброса энергий и скоростей в электронном пучке на стартовые условия и КПД гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 2. С. 121-133.

[61] Dumbrajs О., 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.

[62] Pu R., Nusinovich G.S., Sinitsyn O.V., Antonsen T.M., Jr. Effect of the thickness of electron beams on the gyrotron efficiency // Phys. Plasmas. 2010. Vol. 17, no. 8. P. 083105-083105-6.

[63] Кривошеее П.В., Мануйлов B.H. Влияние распределения электрического поля в области электростатического зеркала на бомбардировку катода отраженными электронами в МИП гиротронов // Прикладная физика. 2004. № 1. С. 101-104.

Список публикаций автора по теме диссертации

[Al] ЛукшаО.И., Цыбин О.Ю. Многоатомные агрегации в диагностике ЭВП // Тез. Всесоюзн. конф. "Методы и средства диагностирования изделий электронной техники", Москва, 1989. С. 72.

[А2] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Применение распределенной мелкодисперсной мишени для анализа структуры электронного потока // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15, № 23. С. 75-78.

[A3] Архипов A.B., Лукша О.И., Толкачев В.Б., Цыбин О.Ю. Способ измерения структуры потока заряженных частиц. А. с. 1475470 СССР от 22.12.1988 // Б. И. 1989. № 15.

[A4] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Исследование колебаний электронного потока в фокусирующем магнитном поле // Тез. Всесоюзн. семинара "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа", Ленинград, 1990. С. 91.

[А5] Лукша О.И., Цыбин О.Ю., Шешко О.Л. Применение магнетронно-инжекторной пушки для исследования процессов ионного распыления поверхности твердого тела // Тез. Всесоюзн. совещания-семинара "Диагностика поверхности ионными пучками", Москва, 1990. С. 210.

[А6] Лукша О.И., Цыбин О.Ю., Шешко О.Л. Анализ вторичных частиц при бомбардировки поверхности молибдена комплексом ионов остаточного газа // Тез. Всесоюзн. конф. по эмиссионной электронике, Ленинград, 1990. Т. 2. С. 180.

[А7] Цыбин О.Ю., Лукша О.И. Способ настройки электронно-оптической системы прибора магнетронного типа. А. с. 1586448 СССР от 15.04.1990.

[А8] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Электронно-оптическая система гиротронного типа. А. с. 1686967 СССР от 22.06.1991.

[А9] ЛукшаО.И., Цыбин О.Ю. Электронно-оптическая система для СВЧ приборов. А. с. 1697554 СССР от 08.09.1991.

[AlO] Лукша О.И., Цыбин O.IO. Исследование образования вторичных атомных частиц на катоде электронной пушки // Тез. Всесоюзн. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 1991. Т. 2. С. 31-32.

[Al 1] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Исследование образования вторичных частиц при взаимодействии ионов с поверхностью электродов в мощных электронных вакуумных приборах // Тез. Всесоюзн. семинара по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии, Харьков, 1991. С. 67-68.

[А12] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Исследование характеристик активной среды в электронно-оптической системе гиротронного типа // Труды ЛГТУ. 1991. №436. С. 39-42.

[А13] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Ионная диагностика поверхностей эффективных термоэмиттеров в мощных ЭВП // Научное приборостроение. 1992. Т. 2, №4. С. 35-42.

[А14] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Исследование эмиссии атомных частиц с поверхности термокатода электронной пушки//ЖТФ. 1992.Т.62,№ 10. С. 154-159.

[AI5] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Пространственно-временная структура электронного потока в электронно-оптической системе гиротронного типа // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (9-ая зимняя школа-семинар). Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж", 1993. С. 20-29.

[А 16] Лукша О.И., Толкачев В.Б., Цыбин О.Ю. Вторичные частицы и ограничивающие явления в высокочастотных вакуумных релятивистских устройствах // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (9-ая зимняя школа-семинар). Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж", 1993. С. 45-56.

[AI 7] Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Диагностика поверхности эффективных эмиттеров в мощных электронных вакуумных приборах // Вакуумная техника и технология. 1993. № 1. С. 43-46.

[AI8] Лукша О.И., Соминский Г.Г. Исследование колебаний пространственного заряда в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа // ЖТФ. 1994. Т. 64, №11. С. 160-168.

[А19] Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Лукша О.И. и др. Формирование и диагностика электронных пучков для мощных устройств // Тез. Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", Санкт-Петербург, 1995. Ч. 9. С. 32.

[А20] Андронов А.Н., Лукша О.И., Робозеров C.B., Соминский Г.Г. Проблема создания и исследования эмиттеров для мощных гиротронов // Тез. Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", Санкт-Петербург, 1995. Ч. 9. С. 33.

[А21] Лукша О.И., Соминский Г.Г. Пространственно-временные характеристики коллективных процессов в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа // ЖТФ. 1995. Т. 65, № 2. С. 198-202.

[А22] Архипов A.B., Богданов Л.Ю., Лукша О.И., и др. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронном по-

токе с магнитным удержанием. Часть 1 // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. Т. 3, № 4. С. 43-54.

[А23] Архипов А.В., Богданов Л.Ю., Лукша О.И., и др. Исследование колебаний объемного заряда и формирования пространственных структур в электронном потоке с магнитным удержанием. Часть 2 // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. Т. 3, № 5. С. 35-58.

[А24] Andronov A.N., Ilyin V.N., Luksha O.I., et al. Formation and diagnostic of helical electron beams // Dig. 20th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, Orlando, USA, 1995, P. 141-142.

[A25] Louksha O.I., Sominski G.G. Study of space charge oscillations in gyrotron // Proc. 11th Int. Conf. High Power Particle Beams "BEAMS'96", Prague, Czech Rep., 1996. P. 418-421.

[A26] Andronov A.N., Ilyin V.N., Luksha O.I., et al. Formation and diagnostic of helical gyrotron electron beams // Proc. 11th Int. Conf. High Power Particle Beams "BEAMS'96", Prague, Czech Rep., 1996. P. 485^188.

[A27] Andronov A.N., Ilyin V.N., Luksha O.I., et al. Metal-porous cathodes - effective sources of electron emission for high-power gyrotron // Dig. Int. Vacuum Electron Sources Conf., Eindhoven, The Netherlands, 1996. P. G11.

[A28] Andronov A.N., Ilyin V.N., Louksha O.I., et al. Design and fabrication of electron sources for high-power CW gyrotrons // Dig. Int. Vacuum Electron Sources Conf., Eindhoven, The Netherlands, 1996. P. G13.

[A29] Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона // ЖТФ. 1997. Т. 67, № 9. С. 98-102.

[А30] Лукша О.И., Соминский Г.Г. Исследование колебаний пространственного заряда в ловушке гиротрона // Тез. Всеросс. межвузовской конф. "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ", Саратов, 1997. С. 33-35.

[А31] Ilyin V.N., Louksha O.I., Mjasnikov V.E., et al. Effect of emission inhomogeneities on low-frequency oscillations in gyrotron-type electron beams // Proc. 12th Int. Conf. High Power Particle Beams "BEAMS'98", Haifa, Israel, 1998. V. 2. P. 800-804.

[A32] Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Louksha O.I., et al. Experimental studies of gyrotron electron beam systems // Proc. Research Workshop "Cyclotron-resonance masers and gyrotrons", Kibbutz Ma'ale Hachamisha, Israel, 1998. P. 54-55.

[A33] Louksha O.I., Sominski G.G., Kas'yanenko D.V. Experimental study and numerical simulation of electron beam in gyrotron-type electron-optical system // Proc. Int. University Conf. "Electronics and radiophysics of ultra-high frequencies", St. Petersburg, Russia, 1999, P. 130-133.

[A34] Louksha O.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, suppl. 1. P. 71-76.

[A35] Kas'yanenko D.V., Louksha O.I., Piosczyk В., et al. Low-frerquency parasitic oscillations in the 74.2 GHz moderate-power pulse gyrotron // Proc. 5th Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, Russia, 2002. Vol. 1. P. 162-167.

[А36] Касьяненко Д.В., Лукша О.И., Пиосчик Б. и др. Низкочастотные паразитные колебаний пространственного заряда в винтовом электронном пучке гиротрона // Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (12-я зимняя школа-семинар). Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж", 2003, с. 29-30.

[А37] Касьяненко Д.В., Лукша О.И., Пиосчик Б. и др. Низкочастотные паразитные колебаний пространственного заряда в винтовом электронном пучке гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, № 5-6. С. 463-470.

[А38] Kas'yanenko D.V., Louksha О.1., Piosczyk В., et al. Experimental investigation of electron energy spectra in collector region of moderate-power millimeter-wave gyro-tron // Proc. 10th ITG-Conf. Displays and Vacuum Electronics, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004. P. 81-86.

[A39] Kas'yanenko D., Louksha O., Piosczyk В., et al. Measurements of electron beam characteristics in the moderate-power 4-mm gyrotron // Dig. Joint 29th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, and 12th Int. Conf. Terahertz Electronics, Karlsruhe, Germany, 2004. P. 661-662.

[A40] Louksha O., Piosczyk В., Sominski G., et al. Electron emission inhomogeneity and low-frequency parasitic oscillations in a gyrotron // Proc. 7th Workshop High Energy Density and High Power RF, Kalamata, Greece, 2005. P. 219-220.

[A41] Louksha O.I., Piosczyk В., Sominski G.G., et al. Effect of electron emission inhomogeneity on electron beam characteristics and output parameters of a 4-mm gyrotron // Proc. 6th Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, Russia, 2005. Vol. 1. P. 135-140.

[A42] Louksha O., Piosczyk В., Sominski G., et al. On potentials of gyrotron efficiency enhancement: measurements and simulations on a 4-mm gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. Vol. 34, no. 3. P. 502-511.

[A43] Лукша О.И., Пиосчик Б., Соминский Г.Г. и др. Мощные гиротроны для систем управляемого термоядерного синтеза и технологии: поиск путей повышения эффективности // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 5. С. 131-146.

[А44] Лукша О.И., Пиосчик Б., Соминский Г.Г. и др. Улучшение качества винтового электронного пучка - путь к повышению эффективности гнротронов // Материалы 13-ой зимней школы-семинара по СВЧ электронике и радиофизике, Саратов, 2006. С. 44-45.

[А45] Лукша О.И., Пиосчик Б., Соминский Г.Г. и др. Подавление паразитных колебаний пространственного заряда в гиротроне // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 10. С. 880-886.

[А46] Louksha О., Piosczyk В., Samsonov D., et al. Improvement of gyrotron beam quality by suppression of parasitic low-frequency oscillations // Dig. Joint 31st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, and 14th Int. Conf. Terahertz Electronics, Shanghai, China, 2006. P. 85.

[A47] Louksha O., Piosczyk В., Sominski G., Thumm M. An experimental facility for investigation of gyrotron cathode emission non-uniformities // Dig. Joint 31st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves and 14th Int. Conf. Terahertz Electronics, Shanghai, China, 2006. P. 86.

[А48] Лукша О.И., Паутов B.J1., Пиосчик Б. и др. Исследование катодов для мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2007. № 1. С. 291-294.

[А49] Louksha О., Piosczyk В., Samsonov D., et al. Experimental study of gyrotron efficiency enhancement by improvement of electron beam quality // Dig. Joint 32nd Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, and 15th Int. Conf. Terahertz Electronics, Cardiff, UK, 2007. P. 880-881.

[A50] Dammertz G., Louksha O., Sominski G., Thumm M. On the possibility to use the treatment of gyrotron cathodes by the potassium ion flow for their emission homogeneity increase // Dig. Joint 32nd Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, and 15th Int. Conf. Terahertz Electronics, Cardiff, UK, 2007. P. 690-691.

[A51] Louksha O., Sominski G., Samsonov D., et al. Effect of ion bombardment on emission characteristics of gyrotron cathodes // Dig. 35th IEEE Int. Conf. Plasma Science, Karlsruhe, Germany, 2008. P. 226.

[A52] Лукша О.И., Соминский Г.Г., Самсонов Д.Б. и др. Исследование возможностей использования ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов Н Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2008. Т. 16, № 3. С. 129-141.

[А53] Лукша О.И., Соминский Г.Г., Самсонов Д.Б. и др. Повышение качества гиротронных катодов с помощью ионной обработки // Материалы научно-практической конф. "Научные исследования и инновационная деятельность", Санкт-Петербург, 2008. С. 318-323.

[А54] Лукша О.И. Низкочастотные коллективные процессы в электронных потоках гиротронов: эксперимент и численное моделирование // Материалы 14-ой международной зимней школы-семинара по электронике СВЧ и радиофизике, Саратов, 2009. С. 71.

[А55] Лукша О.И. Моделирование низкочастотных коллективных процессов в электронных потоках гиротронов // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 5-6. С. 425-437.

[А56] Лукша О.И., Самсонов Д.Б., Соминский Г.Г., Цапов А.А. Применение ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов // Научно-технические ведомости СПбГТУ. Физико-математические науки. 2009. № 4 (88). С. 133-140.

[А57] Louksha О. Numerical simulation of low-frequency collective processes in gyrotron electron beams // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No. Tu-E3.4.

[A58] Louksha O., Samsonov D., Sominski G., Tsapov A. Effect of electric field distribution in the magnetron-injection gun region on electron beam characteristics in gyrotrons // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No We-P.12.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение...................................................................................................................................6

Глава 1. Экспериментальные приборы и методы измерений.....................................21

1.1. Электронно-оптические системы гирорезонансных устройств и методы диагностики ВЭП (обзор)..........................................................................................21

1.2. Экспериментальные приборы и установки..............................................................32

1.2.1. Экспериментальный импульсный гиротрон 4-миллиметрового диапазона длин волн излучения..........................................................................................32

1.2.2. Электронно-оптические системы гиротронного типа....................................38

1.2.3. Установка для диагностики и модификации эмиссионных характеристик гиротронных катодов.........................................................................................41

1.3. Экспериментальные методики..................................................................................44

1.3.1. Метод исследования неоднородности эмиссии термокатода МИП..............44

1.3.2. Методы исследования пространственной структуры ВЭП............................50

1.3.3. Методики исследования скоростных и энергетических спектров электронов в ВЭП...............................................................................................53

1.3.4. Методика исследования колебаний пространственного заряда ВЭП...........62

1.3.5. Метод измерения параметров потока электронов на катод...........................65

1.3.6. Методики регулирования распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП................................................................67

1.3.6.1. Регулирование распределения электрического поля в области МИП ...67

1.3.6.2. Регулирование распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП..........................................................................................70

1.3.6.3. Создание регулируемого электрического поля в области компрессии ВЭП...............................................................................................................72

1.4. Диагностика и обработка гиротронных термокатодов...........................................75

1.5. Выводы........................................................................................................................90

Глава 2. Низкочастотные колебания пространственного заряда в ВЭП

устройств гиротронного типа.............................................................................92

2.1. Коллективные процессы в пространственном заряде ВЭП гирорезонансных устройств (обзор)........................................................................................................92

2.2. Результаты экспериментального исследования низкочастотных колебаний пространственного заряда ВЭП................................................................................99

2.2.1. Характеристики колебаний пространственного заряда в электронно-оптических системах гиротронного типа.........................................................99

2.2.2. Характеристики низкочастотных колебаний в экспериментальном гиротроне...........................................................................................................116

2.3. Выводы......................................................................................................................125

Глава 3. Численное моделирование динамики пространственного заряда в

ловушке гиротрона.............................................................................................127

3.1. Методы расчета электронных процессов в ловушке гиротрона и полученные результаты (обзор)....................................................................................................127

3.2. Методика расчета динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона

с помощью PIC кода GyroTrap................................................................................133

3.3. Результаты численного моделирования электронных процессов в ловушке гиротрона с помощью кода GyroTrap.....................................................................140

3.3.1. Накопление и группировка пространственного заряда в ловушке..............140

3.3.2. Характеристики спектров низкочастотных колебаний.................................149

3.3.3. Влияние распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП

на характеристики НЧК...................................................................................152

3.3.4. Влияние захваченного в ловушку объемного заряда на характеристики

формируемого в ЭОС гиротрона электронного потока................................158

3.4. Выводы......................................................................................................................166

Глава 4. Влияние эмиссионных неоднородностей термокатода на

характеристики ВЭП и выходные параметры гнротрона..........................168

4.1. Экспериментальные методы исследования неоднородности эмиссии

термокатодов МИП и влияние данного фактора на работу гироприборов (обзор) 168

4.2. Результаты экспериментального исследования влияния эмиссионных неоднородностей катода на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона...................................................................................................................173

4.2.1. Азимутальное распределение плотности пространственного заряда электронов в ВЭП.............................................................................................173

4.2.2. Влияние эмиссионных неоднородностей на характеристики ВЭП в электронно-оптических системах гиротронного типа..................................175

4.2.3. Влияние эмиссионных неоднородностей на характеристики низкочастотных колебаний и выходные параметры экспериментального гиротрона...........180

4.3. Выводы......................................................................................................................186

Глава 5. Влияние низкочастотных колебаний пространственного заряда на

характеристики ВЭП..........................................................................................188

5.1. Переменные поля пространственного заряда - фактор снижения качества

ВЭП в ЭОС гироприборов (обзор)..........................................................................188

5.2. Энергетические спектры электронов в гиротроне................................................193

5.2.1. Распределение электронов по энергии в присутствии СВЧ генерации......193

5.2.2. Влияние низкочастотных колебаний на разброс энергий электронов в ВЭП. 195

5.3. Пространственная структура электронного потока в ЭОС гиротронного типа.202

5.4. Электронная бомбардировка катода МИП.............................................................207

5.5. Выводы......................................................................................................................209

Глава 6. Управление низкочастотными колебаниями пространственного

заряда ВЭП с помощью регулируемых неоднородностей электрического и магнитного полей..............................................................211

6.1. Оптимизация распределений электрического и магнитного полей - способ повышения качества ВЭП в электронно-оптической системе гироприборов (обзор)........................................................................................................................211

6.2. Методы подавления низкочастотных колебаний при введении регулируемых неоднородностей электрического поля в электронно-оптических системах гиротронного типа....................................................................................................216

6.3. Влияние распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП на характеристики НЧК................................................................................................221

6.4. Влияние распределения электрического поля в прикатодной области МИП

на характеристики ВЭП в экспериментальном гиротроне...................................230

6.4.1. Подавление паразитных НЧ колебаний в гиротроне с модифицированной катодной системой.........................................................230

6.4.2. Изменение характеристик ВЭП при регулировании распределения электрического поля в области МИП с помощью управляющего катодного электрода.........................................................................................233

6.5. Подавление паразитных колебаний в гиротроне путем одновременной оптимизации распределений электрического и магнитного полей.....................238

6.6. Работа экспериментального гиротрона в режимах с повышенным питч-фактором и подавленными паразитными колебаниями.......................................241

6.7. Выводы......................................................................................................................244

Заключение..........................................................................................................................246

Список литературы............................................................................................................252

Список публикаций автора по теме диссертации.........................................................279

Подписано в печать 27.06.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 7801Ь.

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

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

1.1. Электронно-оптические системы гирорезонансных устройств и методы диагностики ВЭП (обзор).

Г.2. Экспериментальные приборы и установки.

1.2.1. Экспериментальный импульсный гиротрон 4-миллиметрового диапазона длин волн излучения.

1.2.2. Электронно-оптические системы гиротронного типа.39'

1.2.3. Установка для диагностики и модификации эмиссионных' характеристик гиротронных катодов.

1.3. Экспериментальные методики.

1.3.1. Метод исследования неоднородности-эмиссии термокатода МИП.

1.3.2. Методы исследования пространственной структуры ВЭП.

1.3.3. Методики исследования скоростных и энергетических спектров электронов в ВЭП.

1.3.4. Методика исследования колебаний пространственного заряда ВЭП.

1.3.5. Метод измерения параметров потока электронов на катод.

1.3.6. Методики регулирования распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП.

1.3.6.1. Регулирование распределения электрического поля в области МИП .6%

1.3.6.2. Регулирование распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП.

1.3.6.3. Создание регулируемого электрического поля в области компрессии ВЭП.

1.4. Диагностика и обработка гиротронных термокатодов.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО

ЗАРЯДА В ВЭП УСТРОЙСТВ ГИРОТРОННОГО ТИПА.

2.1. Коллективные процессы в пространственном заряде ВЭП гирорезонансных устройств (обзор).

2.2. Результаты экспериментального исследования низкочастотных колебаний пространственного заряда ВЭП.

2.2.1. Характеристики колебаний пространственного заряда в электронно-оптических системах гиротронного типа.

2.2.2. Характеристики низкочастотных колебаний.в экспериментальном» гиротроне.11

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ

ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА В ЛОВУШКЕ ГИРОТРОНА.

3.1. Методы расчета электронных процессов в ловушке гиротрона и полученные результаты.(обзор).

3.2. Методика расчета динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона с помощью PIG кода*GyroTrap.

3.3. Результаты численного моделирования электронных процессов в ловушке гиротрона с помощью кода GYROTRAP".

3.3.1. Накопление и группировка пространственногозаряда в ловушке.

3.3.2. Характеристики спектров низкочастотных.колебаний.

3.3.3. Влияние распределения магнитного поля в области компрессии »ВЭП на характеристики.НЧК.

3.3.4. Влияние захваченного в ловушку объемного заряда на характеристики формируемого в ЭОС гиротрона электронного потока.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ЭМИССИОННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ

ТЕРМОКАТОДА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЭП И ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИРОТРОНА.

4.1. Экспериментальные методы исследования неоднородности эмиссии термокатодов МИЛ и влияние данного фактора на работу гироприборов (обзор).

4.2. Результаты экспериментального исследования влияния эмиссионных неоднородностей катода на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона.

4.2.1. Азимутальное распределение плотности пространственного заряда электронов в ВЭП.

4.2.2. Влияние эмиссионных неоднородностей на характеристики ВЭП в электронно-оптических системах гиротронного типа.

4.2.3. Влияние эмиссионных неоднородностей на характеристики низкочастотных колебаний и выходные параметры экспериментального гиротрона.

4.3. выводы.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЭП

5.1. Переменные поля пространственного заряда - фактор снижения качества ВЭП в ЭОС гироприборов (обзор).

5.2. Энергетические спектры электронов в гиротроне.

5.2.1. Распределение электронов по энергии в присутствии GB4 генерации.

5.2.2. Влияние низкочастотных колебаний на разброс энергийэлектронов.в ВЭП.

5.3. Пространственная структура электронного потока в ЭОС гиротронного типа.

5.4. Электронная бомбардировка катода МИП.

5.5. Выводы.

ГЛАВА 6. УПРАВЛЕНИЕ НИЗКОЧАСТОТНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА ВЭП С ПОМОЩЬЮ РЕГУЛИРУЕМЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ.

6.1. Оптимизация распределений электрического и магнитного полей -способ повышения качества ВЭП в электронно-оптической системе гироприборов (обзор).

6.2. Методы подавления низкочастотных колебаний при введении регулируемых неоднородностей электрического поля в электронно-оптических системах гиротронного типа.

6.3. влияние распределения магнитного поля в области компрессии

ВЭП на характеристики НЧК.

6.4. влияние распределения электрического поля в прикатодной области МИП на характеристики ВЭП в экспериментальном гиротроне.

6.4.1. Подавление паразитных НЧ колебаний в гиротроне с модифицированной катодной системой.

6.4.2. Изменение характеристик ВЭП при регулировании распределения электрического поля в области МИП с помощью управляющего катодного электрода.

6.5. подавление паразитных колебаний в гиротроне путем одновременной оптимизации распределений электрического и магнитного полей.

6.6. Работа экспериментального гиротрона в режимах с повышенным питч-фактором и подавленными паразитными колебаниями.

6.7. Выводы.

Актуальность темы диссертации

В настоящее время, при повсеместном распространении: твердотельных полупроводниковых устройств, приборы вакуумной СВЧ электроники остаются востребованными для ряда приложений* в которых требуется обеспечить высокий уровень вы-. ходной мощности, в диапазоне от дециметровых до субмиллиметровых длин волн; излучения.' Новый этап в освоении? коротковолновой части г этого - диапазона связан ¡с открытием; в конце 50-х годов механизма когерентного излучения электронов-осцилляторов,, вращающихся в постоянном магнитном поле [ 1-3]. Данный механизм лежит в основе работы устройств; получивших название мазеров? на циклотронном1 резонансе (МЦР) или гирорезонансных приборов (гироприборов). Уникальные возможности гироприборов в наибольшей степени проявляются в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн (например; [4—14]), где с их помощью был достигнут уровень выходной» мощности; значительно превышающий^ мощность "классических" вакуумньшСВЧ приборов (клистронов; магнетронов;; ЛБВ,' ЛОВ]и др.):

Вектор развития? гирорезонансных устройств определяется: в первую, очередь прикладными? потребностями- Важнейшей, областью их применения является нагрев плазмы и управление током в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС). Для этих.целей, как правило, требуются.гирорезонансные генераторы (гиротроны) с выходной мощностью порядка 1 МВт и частотой 110-4 70 ГГц, работающие в квазинепрерывном режиме. с длительностью« импульса в десятки минут (например, [1525]). При этом имеется тенденция дальнейшего увеличения их мощности-до 2+4 МВт с целью повышения эффективности использования гиротронных комплексов, состоящих из нескольких приборов, в крупных установках УТС [15, 26, 27]. Сфера применения гироприборов; включает также дальнюю радиолокацию, высокотемпературную обработку материалов, плазмохимию; спектроскопию высокого разрешения, ускорение заряженных частиц и др. (например, [5, 9; 11, 28-31]).

Эффективность и предельные достижимые параметры гироприборов; определяются качеством электронного потока, который, наряду с электродинамической структурой, является одним из двух ключевых компонентов любого вакуумного устройства СВЧ. Формирование сильноточных электронных потоков с заданным стабильным положением в конфигурационном и фазовом пространствах предполагает решение ряда физических проблем; относящихся к корпускулярной оптике, эмиссионной и вакуумной электронике, теории» колебаний и волн, нелинейной динамике и другим разделам физической электроники и радиофизики. Применительно к мощным МЦР требуются винтовые электронные потоки (ВЭП), сочетающие высокие значения тока и осцилля-торной энергии электронов: с малым • разбросом' скоростей? и? требуемой поперечной* структурой-)пучка. Несмотря на специфику различных типов электронно-оптических систсм:(ЭО€) для гирорезонансных устройств (подробнее см; .раздел Г.1), закономерности формирования'высококачественныхвэпвэтихсистемахдостаточнообщиив' совокупности образуют базу для; создания эффективных источников мощного СВЧ излучения; Изучению данных закономерностей, представляющих интерес как с фундаментальной; так и с прикладной точки зрения; посвящена настоящая диссертационная работа. . .

Характеристики ВЭП в ЭОС гиронриборов, как.и в других системах с интенсивными. электронными; пучками;, определяются; среди прочих, такими физическими процессами, как развитие неу стойчивостей в пространственном заряде, изменение свойств поверхностей.ограничивающих электродов, генерациям усиление паразитного излучения; образование вторичных частиц. Указанные процессы ведут к снижению качестваВЭП, а.вместе с этим впадению М излучения приборов; выходу их из: строя;: Теоретическое исследование этих процессов, даже с использованием современных; численных методов расчета, зачастую наталкивается «на с непреодолимые трудности; Важная роль. поэтому отв одится физическому эксперименту, у спех которого в значительной степени определяется применс-нием слабовозмущающих и высокоинформативных методов диагностики.:

Коллективные процессы;в электронном: пространственном заряде гироприборов являются; следствием развития неустойчивостей различного типа:— как высокочастотных е частотой; близкой К;Электрон1ЮЙ циклотронной частоте, :так и низкочастотных с частотой в диапазоне десятк9в-сотен:мегагерц (например; .[32т46])1 Среди механизмов возникновения низкочастотных колебаний (ПЧК) ^ в * ВЭП можно выделить» неустойчивость, которая развивается в ~ объемном заряде, захваченном в специфическую ловушку между катодом и магнитной-пробкой - конечным участком области пере-магничивания- пучка перед его поступлением в резонатор. Транспортировка ВЭП в нарастающем магнитном поле используется в ЭОС гирорезонансных устройств для достижения требуемого уровня осцилляторной энергии электронов, которую принято характеризовать величиной питч-фактора а = и - поперечная и продольная компоненты скорости электрона). При увеличении питч-фактора можно добиться повышения эффективности гироприборов, поскольку энергия выходного СВЧ излучения в этих приборах "черпается" из энергии вращательного движения электронов. Однако-существующий в пучке разброс электронов по скорости является препятствием реализации ВЭП с большим питч-фактором. При наличии скоростного разброса электроны с наибольшими поперечными, скоростями отражаются в области магнитной пробки и могут быть захвачены в ловушку между катодом и резонатором; Накопленный в ловушке пространственный заряд неустойчив, в нем могут возбуждаться упомянутые выше НЧ колебания на частоте, близкой к частоте продольных осцилля-ций электрона в ловушке. Переменные поля, связанные с развитием, данных паразитных колебаний, обуславливают дополнительный^ скоростной разброс электронов в ВЭП, вызывают появление разброса по. полной скорости (энергетический разброс), изменяют поперечную-структуру пучка, приводят к электронной бомбардировке поверхности катода и появлению вторичных электронов. Все эти факторы ведут к снижению качества-формируемого электронного потока-и, как следствие, эффективности преобразования энергии электронов в энергию выходного СВЧ излучения в резонаторе гироприборов.

Имеются и другие типы неустойчивостей, в результате развития которых могут возникать паразитные колебания в пространственном заряде ВЭП, влияющие на его характеристики, - МЦР-неустойчивость, электростатическая циклотронная неустойчивость, диокотронная неустойчивость, многопучковая неустойчивость (подробнее см. разделы 2.1 и 5.1). Добиться требуемого качества пучка, поступающего в резонатор, возможно в том случае, когда подавлены паразитные динамические процессы в ВЭП. В частности, при условии подавления паразитных низкочастотных колебаний в ловушке может быть увеличено рабочее значение питч-фактора, что при сохранении на низком уровне скоростного и энергетического разбросов позволит реализовать работу приборов с повышенным КПД.

Важным фактором, определяющим качество электронного пучка в гироприбо-рах, является неоднородность термоэлектронной эмиссии с катода магнетронноинжекторной пушки (МИП), которая в большинстве случаев используется в качестве источника электронов в этих приборах. Как правило, такие пушки работают в режиме температурного ограничения эмиссии. Поэтому неоднородности работы выхода и температуры приводят к неоднородному распределению плотности тока электронов в поперечном сечении ВЭП. Это является причиной появления неоднородных полей, которые, в свою очередь, увеличивают скоростной разброс электронов, способствуют возбуждению паразитных НЧК и появлению разброса частиц ВЭП' по энергии [4755]. Неоднородная структура пучка ответственна также за неоднородный нагрев коллектора и развитие паразитных мод в резонаторе [56-58].

Особенностями термокатодов, применяемых в мощных гироприборах, являются их сложная форма и довольно большая площадь эмитирующей поверхности, что обуславливает технологические трудности изготовления таких катодов [55]. Существующие технологии не всегда обеспечивают достаточную эмиссионную однородность гиротронных катодов. Кроме того, в процессе эксплуатации гиротрона возможно изменение эмиссионных характеристик катода, например, в результате ионной и электронной бомбардировки его поверхности. Чрезвычайно важно поэтому иметь инструменты, которые могли бы быть использованы для диагностики гиротронных катодов и для повышения их эмиссионной однородности в процессе эксплуатации.

К началу исследований, выполненных в рамках настоящей диссертационной работы, отсутствовали или были недостаточны знания о закономерностях возбуждения и развития колебаний пространственного заряда ВЭП, в том числе на частотах много меньше циклотронной частоты; о влиянии динамических процессов в пространственном заряде на характеристики электронного потока, поступающего! в резонатор; о связи параметров формируемого ВЭП с эмиссионными характеристиками термокатодов и о методах повышения их однородности в процессе эксплуатации прибора; о возможности управления коллективными-динамическими процессами в электронном потоке с помощью регулируемых неоднородностей электрического и магнитного полей. Такие знания являются необходимой основой для проектирования и практической реализации систем формирования высококачественных ВЭП в мощных гироприборах, а также могут быть использованы в других устройствах с интенсивными электронными пучками. В определенной степени препятствовали получению требуемой информации ограничения, присущие имеющимся методам экспериментального исследования физических процессов в электронных потоках гироприборов и методикам расчета динамики пространственного заряда в этих потоках. Краткое описание выполненных теоретических и экспериментальных работ по теме диссертации, анализ I которых был использован для постановки задач исследований, вынесено за рамки введения и приведено в начальных разделах каждой из глав 1-6 диссертационной работы.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью настоящей работы являлось определение закономерностей формирования винтовых электронных потоков высокого качества для гирорезонансных устройств, а также выявление на этой основе возможностей* повышения эффективности генерации в мощных устройствах такого* типа. Для-,достижения указанной цели-были поставлены и решены следующие основные задачи. .

1. Разработка и реализация комплекса экспериментальных методов, предназначенных для изучения основных характеристик винтовых электронных пучков-в гирорезонансных устройствах.

2. Экспериментальное определение закономерностей возбуждения и развития низкочастотных коллективных процессов в пространственном заряде ВЭП. Обоснование общности выявленных закономерностей при» сопоставлении данных, полученных в различных устройствах гиротронного типа.

3. Разработка методики численного моделирования, динамики объемного заряда в области формирования ВЭП между катодом и резонатором гироприборов и определение с использованием данной методики закономерностей процессов накопления и группировки электронов в этой области.

4. Теоретическое и экспериментальное определение закономерностей воздействия низкочастотных колебаний объемного заряда на основные характеристики-ВЭП, в частности на пространственную структуру пучка и на распределения электронов по компонентам скорости и по энергии.

5. Определение закономерностей формирования неоднородностей термоэлектронной эмиссии катодов в гироприборах и влияния эмиссионных неоднородностей на качество ВЭП. Разработка методов диагностики гиротронных катодов и повышения их эмиссионной однородности. и

6. На базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработка эффективных методов повышения качества ВЭП. Выявление возможностей достижения высокого КПД гиротронов в результате подавления паразитных низкочастотных колебаний и повышения эмиссионной однородности катодов.

Научная новизна*

Основные результаты, полученные в процессе исследований-и описанные в диссертационной работе, являются- новыми. Среди, наиболее важных оригинальных результатов можно выделить следующие.

1. Впервые реализован« комплекс слабовозмущающих методов экспериментального исследования, позволяющих получать информацию о динамических характеристиках и пространственной' структуре объемного заряда^ распределении^ электронов ВЭП по компонентам скорости и;по энергии, характеристиках поверхности термоэмиттера МИП вустройствах гиротронного типа.

2. Получен комплекс новых экспериментальных, и .теоретических данных об условиях самовозбуждения и-характеристиках низкочастотных колебаний-пространственного заряда ВЭП. Определены закономерности развития1 низкочастотных неустойчи-востей в электронном пространственном'заряде и эффективные методьт управления коллективными процессами в пучке:

3. Получены данные о влиянии низкочастотных колебаний на важнейшие характери ' стики ВЭП: энергетический разброс электронов, структуру пучка в плоскости поперечного сечения, плотность тока и спектр энергий электронов,, бомбардирующих катод.

4. Экспериментально определено влияние эмиссионных неоднородностей термокатода МИП на пороговые условия «возбуждения, и амплитудно-частотные характеристики колебаний пространственного заряда, на пространственную структуру пучка и разброс поперечных скоростей'электронов, а также на*, величину достижимого КПД гиротрона.

5. Разработаны и экспериментально реализованы методы, повышения, качества формируемого в ЭОС гиротрона электронного пучка с помощью регулируемых неоднородностей электрического и магнитного полей.

6. Экспериментально продемонстрирована'возможность существенного (примерно в 1.3 раза) повышения КПД экспериментального гиротрона по сравнению с КПД в расчетном рабочем режиме в условиях формирования высококачественного ВЭП при подавленных паразитных колебаниях пространственного заряда.

Научно-практическая ценность результатов работы

Разработанные методы диагностики, отличаясь универсальностью, могут быть» использованы для исследования характеристик ВЭП в гироприборах широкого диапазона параметров, а также в других устройствах с интенсивными электронными потоками.

Выявленные закономерности-динамических процессов в пространственном заряде ВЭП обладают достаточной степенью общности, что доказано результатами эксV периментов в различных системах гиротронного типа м данными численного моделирования. На основе полученных данных определены условия*формирования*ВЭП высокого качества в ЭОС мощных гирорезонансных устройств, которые следует учитывать при их проектировании; и эксплуатации. Разработанные методы >. подавления* паразитных колебаний- пространственного заряда, и улучшения» качества ВЭП могут быть использованы1 для повышения'эффективности и предельных достижимых^ параметров гироприборов различного назначения:

Опробованные в работе методы диагностики и обработки гиротронных термокатодов применимы для1 катодных систем, с различными^ размерами, и разным: типомI эмиссионного покрытия. Выработанные в результате исследований4 требования к эмиссионным характеристикам термокатодов могут быть использованы на этапах их начальной»отбраковки и последующей эксплуатации'в.мощных гирорезонансных устройствах.

Результаты работ, составившие основу диссертации, были использованы при реализации совместных проектов СПбГПУ с организациями, специализирующимися на проектировании, изготовлении и эксплуатации, мощных устройств гиротронного типа, - ИПФ РАН (Нижний Новгород), ЗАО НПП 'Тиком" (Нижний Новгород, Москва), НПО» "Исток" (Фрязино), Исследовательский центр и Институт технологии (Карлсруэ, Германия). Отдельные результаты диссертационной работы вошли в учебный курс "Физические основы СВЧ электроники", читаемый на радиофизическом факультете СПбГПУ.

Положения, выносимые на защиту

1. Новые сведения, необходимые для развития представлений о закономерностях формирования ВЭП высокого качества в гирорезонансных устройствах, позволяет получать разработанный и реализованный комплекс слабовозмущающих методов' диагностики, обладающих высокими показателями чувствительности, временного и пространственного разрешения.

2. Разработанная модель численного! моделирования, позволяет рассчитывать в типичных режимах работы гироприборов динамику накопления электронов.в.ловушке между катодом и-магнитной пробкой; а также развитие в-захваченном^ ловушку пространственном-заряде коллективных процессов, с характерными* частотами1 в. диапазоне десятков-сотен мегагерц.

3. Механизм* возникновения« низкочастотных колебаний, в захваченном^ в ловушку пространственном^ заряде, определенный на основании; полученных эксперимен тальных и расчетных данных, связан с развитием неустойчивости- в ансамбле неизохронных электронных осцилляторов, подобной неустойчивости отрицательной-массы.

4. Низкочастотные колебания пространственного; заряда возникают в электронно-оптической системе гироприборов- при превышении питч-фактором порогового значения и ведут к ухудшению качества ВЭП, проявляющемуся в уширенит спектра энергий электронов, в,изменении пространственной структуры пучка вследствие смещения! электронов„ поперек силовых линий? магнитного поля, в бомбарди ровке катода и-появлении вторичных электронов:

5. При уровне эмиссионных неоднородностей термокатода магнетронно-инжекторной пушки, превышающем предельное значение, возрастание этих неоднородностей приводит к увеличению скоростного разброса электронов и снижению порогового питч-фактора возбуждения низкочастотных колебаний, пространственного заряда, а в присутствии этих колебаний - к увеличению их амплитуды и разброса электронов по энергии.

6. Снижение амплитуды низкочастотных колебаний и повышение качества* ВЭП, необходимые для увеличения рабочего питч-фактора и КПД гиротрона, могут быть достигнуты за счет выработанных в работе методов оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП, а также при повышении эмиссионной однородности термокатода с помощью термической и ионной обработки.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах: Всесоюзная конференция "Методы и средства диагностирования изделий: электронной- техники" (Москва, 1989); Всесоюзный семинар "Волновые и'колебательные явленияг в электронных приборах О-типа" (Ленинград, 1990); Всесоюзное совещание-семинар "Диагностика поверхности ионными .пучками" (Москва; 1990); Всесоюзная конференция» по эмиссионной электронике (Ленинград, 1990); Всесоюзная конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Москва,- 1991); Всесоюзный семинар по вторичной ионной-Hi ионно-фотонной эмиссии^ (Харьков, 1991); 9, 12, 13 и 14-ЯчЗимние школы-семинары по электронике СВЧ и<радиофизике (Саратов, 1993; 2003;'2006; 2009); 20-я международная'конференцияшо инфракрасным и миллиметровымвол-нам (Orlando, USA, 1995); 11-я и 12-я-международные конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Prague, Czech-Rep., 1996; Haifa, Israel; 1998); Международная* конференция, по вакуумным электронным источникам (Eindhoven, The Netherlands, 1996); Всероссийская межвузовская конференция* "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ" (Саратов, 1997); Международное совещание "Мазеры на циклотронном резонансе и гиротроны" (Kibbutz Ma'ale Hacha-misha, Israel, 1998); Международная межвузовская^ конференция "Электроника и радиофизика СВЧ" (Санкт-Петербург, 1999); 5-й и 6-й международные симпозиумы "Мощные микроволны.в*плазме" (Нижний Новгород, 2002; 2005); 10-я международная- конференция, по вакуумной' электронике и дисплеям (Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004); совместные 29, 31 и 32-я международные конференции по инфракрасным миллиметровым'волнам и Л 2, 14-я и 15-я международные конференции по терагерцовой электронике (Karlsruhe, Germany, 2004; Shanghai, China, 2006; Cardiff, UK, 2007); 7-й семинар по мощному высокочастотному излучению (Kaiamata, Greece, 2005); 18-й совместный российско-германский« семинар по гиротронам и электронному циклотронному нагреву (Нижний Новгород, 2006); 35-я международная конференция по физике плазмы (Karlsruhe, Germany, 2008);

35-я международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцо-вым волнам (Rome, Italy, 2010).

Представленные в диссертации результаты были получены в рамках работ, выполненных в СПбГПУ по договорам с НПО "Исток" в период с 1986 по 1989'г., договорам с ЗАО НПП "Гиком" и ИПФ РАН (Нижний Новгород) в период с 1989 по 1998 г., грантам РФФИ (№№ 98-02-18323, 01-02-17081, 05-02-08024, 08-02-00324), гранту INTAS (№ 03-51-3861), контрактам с Исследовательским центром и Институтом технологии (Карлсруэ, Германия) в период с 2000 по 2010 г. Материалы данных работ докладывались и обсуждались на-научно-технических семинарах в'СПбГПУ, НПО "Исток", ИПФ РАН, ФТИ им А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Университете г. Карлсруэ (Германия).

Публикации По- материалам, изложенным в диссертационной работе, автором опубликовано 58 работ [А1-А58], включая !9 статей в! отечественных и зарубежных журналах, 15 статей в сборниках докладов конференций; 4 авторских свидетельства, 20 тезисов докладов на конференциях. 16 статей опубликовано в журналах из списка ВАК ведущих российских рецензируемых изданий;

Личный вклад автора*

Все представленные в диссертационной работе .результаты были получены автором лично либо под его непосредственным руководством в период с 1986. по 2010 г. Постановка-задач-исследований^ выбор методов и инструментов'достижения поставленных целей, анализ полученных результатов осуществлялись совместно с проф. Г.Г. Соминским, а на первом этапе (до 1992 г.) - также совместно с проф. О.Ю. Цыбиным. Все работы, состоящие в (1) конструировании,' контроле изготовления и сборки-экспериментальных приборов и установок; (2) разработке и практической реализации экспериментальных диагностик; (3) разработке методики^численного моделирования; (4) проведении экспериментов и расчетов; (5) обработке полученных данных, были выполнены, автором лично при участии аспирантов Д.В. Касьяненко и Д.Б. Самсонова, а также студентов кафедры физической электроники СПбГПУ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы (296 наименований) и списка авторских публикаций (58 наименований). Объем диссертации составляет 285 страниц, включая 95 рисунков.

Основные результаты диссертационной работы I

1. Разработан и реализован экспериментальный ■ комплекс, который включает электронно-оптические системы гиротронного типа, изготовленные на базе применяемых на практике гиротронов, импульсный гиротрон 4-миллиметрового диапазона длин волн с выходной мощностью ~ 100 кВт и установку для диагностики и обработки гиротронных катодов. Следующие специально разработанные методики, использованы'для определения основных характеристик ВЭП. , 1.1. Метод исследования пространственных неоднородностей эмиссии с термокатода МИЛ; основанныйI на измерении азимутальных распределений потоков электронов, положительных и отрицательных ионов с эмитирующей поверхности.

1.2. Методы изучения пространственной структуры ВЭП, которые основаны на регистрации излучения, возникающего при взаимодействии электронного потока с мишенью из малых частиц »люминофора, и на измерении азимутального распределения плотности тока пучка в области его осаждения на коллекторе.

1.3. Зондовая методика, предназначенная для исследования амплитудно-частотных, пространственно-временных и фазовых характеристик колебаний объемного заряда ВЭП, а также характеристик паразитного излучения вне вакуумной оболочки приборов в диапазоне частот 10+1500 МГц.

1.4. Усовершенствованные методики анализа распределений электронов по скорости и энергии в коллекторной области приборов, основанные на применении анализаторов с тормозящим полем. Чувствительность энергоанализатора обеспечивала возможность измерять малые значения разброса энергий электронов, вызванного влиянием собственных полей пространственного заряда пучка.

1.5. Метод исследования характеристик потока электронов на катод, предназначенный для определения плотности тока бомбардировки и энергетического спектра бомбардирующих катод электронов.

2. Исследованы низкочастотные коллективные процессы в пространственном заряде

ВЭП устройств гиротронного типа и влияние этих процессов- на характеристики пучка и выходные параметры гиротрона.

2.1. Экспериментально определены амплитудно-частотные, временные и фазовые характеристики, а- также пороговые условия возбуждения низкочастотных (/"= 2(ЬТ60 МГц) колебаний, связанных с отражением электронов ВЭП от магнитной пробки и накоплением пространственного заряда в ловушке между катодом и полкой магнитного поля.

2.2. Разработана методика численного моделирования динамики пространственного заряда в ЭОС гироприборов, ориентированная на исследование длительных процессов с характерной частотой много меньше циклотронной частоты электронов. С использованием разработанного кода изучены процессы накопления и группировки пространственного заряда в ловушке.

2.3. В расчетах и в экспериментах показано, что паразитные низкочастотные колебания в ловушке систем гиротронного типа могут возбуждаться при значениях питч-фактора и разброса скоростей электронов, близких к реализуемым в мощных гиротронах. Введенная величина порогового питч-фактора возбуждения колебаний может служить удобным параметром контроля качества ВЭП в процессе эксплуатации гироприборов.

2.4. На базе полученных экспериментальных и расчетных данных обоснован механизм развития неустойчивости в ансамбле неизохронных электронных осцилляторов в ловушке, подобный неустойчивости отрицательной массы.

2.5. Экспериментально и теоретически исследовано влияние низкочастотных колебаний на основные характеристики ВЭП. Полученные данные определяют снижение качества пучка при возрастании интенсивности колебаний, проявляющееся в (1) увеличении разброса энергий электронов; (2) размытии поперечной структуры ВЭП, смещении электронов поперек силовых линий магнитного поля; (3) увеличении амплитуды модуляции плотности заряда и появлении выделенных "пучков" с разными продольными скоростями в потоке, поступающем в резонатор; (4) возрастании плотности тока электронов; бомбардирующих катод, и уширении спектра их энергий. Показано.удовлетворитель-ное соответствие экспериментальных и расчетных данных о влиянии паразитных низкочастотных колебаний на параметры ВЭП. 2.6. Обнаружены^ изучены колебания пространственного-заряда с частотой в диапазоне 60(Н900 МГц. Дано объяснение природы- этих- колебаний? исходя» из возможности развития многопучковой'неустойчивости в электронных потоках гироприборов;

3. Реализована* программапо разработке методов диагностики ^ обработки гиротрон-ных термокатодов, по «исследованию характеристик катодов и" влияния их эмиссионной неоднородности на качество ВЭП'и-выходные параметры гиротрона.'

3.1. Исследованы! эмиссионные характеристики» 25 гексаборид-лантановых и ме-таллопористых термокатодов.4 Изучено изменение этих характеристик в ¡процессе эксплуатации ¡катодов; а также в результате применения специально раз) работанных методов их термической и-ионной обработки: Полученные данные-использованы изготовителями металлопористых термокатодов для» совершенствования технологии производства.и.улучшения«эмиссионных характеристик таких катодов.

3.2. Экспериментально определено - влияние неоднородности эмиссии катода на пороговые условиявозбуждения и. амплитуду паразитных низкочастотных колебаний, на величину разброса поперечных скоростей и азимутальное распределение плотности пространственного заряда электронов в ВЭП, а также'на выходную СВЧ мощность и'КПД экспериментального гиротрона.

3.3. На основании полученных данных выработаны требования- комиссионной однородности термокатодов 1 при использовании их в качестве источника, электронов в мощных гирорезонансных устройствах.

4. Разработаны и реализованы методы повышения ткачества ВЭП в гироприборах, основанные на регулировании распределений неоднородных электрического и магнитного полей в области формирования пучка.

4.1. В экспериментах показано, что эффективное подавление паразитных низкочастотных колебаний может быть достигнуто при оптимизации распределения электрического поля в прикатодной области МИП и на участке дрейфа пучка, а также распределения магнитного поля в области перемагничивания.

4.2. Подавление колебаний реализовано за счет введения дополнительных потерь электронов из ловушки и в результате воздействия на инкремент неустойчивости в захваченном в ловушку пространственном заряде.

4.3. С применением разработанных методов подавления колебаний была реализована работа. экспериментального» гиротрона при больших значениях питч-фактора (более 1.5) и высоком качестве ВЭП, что позволило увеличить в ~ 1.3 раза КПД данного прибора по сравнению с расчетным режимом работы.

4.4. На основании полученных экспериментальных и расчетных данных разработаны технические решения по подавлению паразитных колебаний пространственного заряда^ и повышению- качества формируемого ВЭП, которые* могут быть использованы в процессе проектированиям эксплуатации < мощных гиро-резонансных устройств.

Благодарности

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность профессору Г.Г. Соминскому за многолетнюю совместную работу, постоянную ¿поддержку и помощь на всех этапах исследований. Искренне признателен проф. О.Ю. Цыбину и доц. С.А. Левчуку за их неоценимую помощь в овладении навыками исследовательской работы. Глубоко благодарен аспирантам кафедры физической электроники Д.Б. Самсонову и Д.В. Касьяненко за проведение совместных исследований и полезные дискуссии. Отдельно благодарен сотрудникам кафедры физической электроники A.B. Архипову, Л.Ю. Богданову, C.B. Воскресенскому, Н.В. Дворецкой и Т.А. Тумаревой за дружескую поддержку и взаимопонимание в течение всего времени работы над диссертацией. Весьма признателен сотрудникам, аспирантам и студентам кафедры физической электроники Санкт-Петербургского государственного политехнического университета за плодотворную совместную работу, за полезные обсуждения ряда важных вопросов и содействие в их решении.

Выражаю также большую благодарность сотрудникам ИПФ РАН (Нижний Новгород) В.Е. Запевалову, В.Н. Мануйлову, М.Ю. Глявину, А.Н. Куфтину, В.К. Лыгину и М.А. Моисееву за помощь в конструировании и изготовлении экспериментальных приборов, проведенные расчеты и полезную критику по теме данной работы, сотрудникам ЗАО НПП "Гиком-М" (Москва) В.Е. Мясникову и В.Н. Ильину за плодотворные дискуссии и поддержку работ по "катодной проблеме" в гиротронах, сотрудникам ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) К.А. Подушниковой, С.А. Фефело-ву и B.JI. Паутову за изготовление и наладку элементов экспериментальных установок, а также М. Тумму, Б. Пиосчику, С. Керну, Г. Даммертсу (Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany), О. Думбрайсу (University of Latvia, Riga, Latvia) и JI. Айвсу (Calabazas Creek Research, Inc., San Mateo, USA) за полезные дискуссии и поддержку данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованные в диссертационной работе физические закономерности и разработанные прикладные решения в целом могут служить основой для построения высокоэффективных электронно-оптических систем нового поколения мощных гирорезо-нансных устройств, а также быть использованы применительно к другим вакуумным устройствам.с интенсивными потоками электронов.

1. Гапонов А.В. Взаимодействие непрямолинейных электронных потоков с электромагнитными волнами в линиях передачи // Изв. вузов. Радиофизика. 1959. Т. 2, №3. С. 450 462.

2. Гапонов А.В., Гольденберг A.JL, Григорьев Д.П; и др. Индуцированное син-хротронное излучение электронов в полых резонаторах // Письма в ЖЭТФ. 1965. Т. 2, № 9. С. 430-435. ,

3. Гапонов А.В., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10, № 9-10. С. 1414-1453.

4. Applications of high-power microwaves / Ed. by A.V. Gaponov-Grekhov, V.L. Granatstein. Norwood, MA: Artech House, 1994. 364 p.

5. Gyrotron oscillators: their principles and practice / Ed. by G.J: Edgcombe. Washington, D.C.: Taylor & Francis, 1993. 423 p.

6. Гиротрон: Сборник научных трудов / Под ред. А.В.- Гапонова-Грехова. Горький: Изд-воИПФ АН СССР, 1981. 254 с.

7. Nusinovich G.S. Introduction to the physics of gyrotrons. Baltimore, MD: Johns Hopkins University Press, 2004.352 p. 1 '

8. Kartikeyan M.V., BorieE., Thumm M.K.A. Gyrotrons: high-power microwave and millimeter wave technology. NY: Springer, 2004. 227 p.

9. Thumm M. State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers, update 2009 //KIT Scientific Report 7540, Karlsruhe Institute of Technology, 2010. 120 p. .

10. PetelinM.I. One century of cyclotron radiation // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. Vol. 27, no. 2, p. 294-302.

11. Felch K.L., Danly B.G., JoryH.R., et al. Characteristics and applications of fast-wave gyrodevices // Proc: IEEE, 1999. Vol. 87, no. 5. P. 752-781.

12. FlyaginV.A., NusinovichG.S. Gyrotron oscillators // Proc. IEEE. 1988. Vol.76, no. 6. P. 644-656.

13. Hirshfield J.L., Granatstein V.L. The electron cyclotron maser an historical survey // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1977. Vol. 25, no. 6. P. 522-527.

14. Трубецков Д.И:, Храмов A.E. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 2. М.: Физматлит, 2004'. 648 с.

15. DarbosC., Henderson-М; Status of the ITER electrons cyclotron, H&GDi system // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and" Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010: No. Tu-P.70.i

16. ДенисовТ.Р., Запевалов B.E., Литвак А.Г., Мясников B.E. Гиротроны мега-ваггного уровня мощности, для систем, электронно-циклотронного нагрева и< генерации.тока в установках УТС // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 10, с. 845-858.

17. LitvakA.G. High power gyrotron. Development and applications // Dig. 33rd Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. Pasadena, USA, 2008". No. 1*7341

18. Thumm M., AlbertsS., Arnold A., et al: EU megawatt-class .140-GHz-СW> gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. Vol: 35; no; 2. P. 143-153:

19. Thumm Ml High power gyro-devices for plasma heating'and'other applications // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2005. Vol. 26, no. 4. P: 483-503.

20. Sakamoto'K., Kasugai A., TakahashiK., et all Achievement« oft robust high-efficiency Г MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170 GHz continuous-wave gyrotron'//Nature Physics. 2007. Vol; 3. P. 411—4141

21. Lohr J., Gengher M., Deboo J., et al. Performance of the six gyrotron system on the DIII-D tokamak // Dig. 34th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Busan, Korea, 2009. No. R4D03.0203.

22. Litvak A.G., Denisov G.G., Agapova M.V., et al. Recent results of development in Russia of 170 GHz gyrotron for ITER // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No. Tu-El.l.

23. Rzesnicki Т., Piosczyk В., Choudhury A.R1, et al. Recent results with the European 2 MW coaxial-cavity pre-prototype gyrotron for ITER // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No. Tu-E1.2.

24. Bykov Yu., EremeevA., Glyavin M., et'all 24-84-GHz gyrotron systems* for technological microwave applications // IEEE Trans. Plasma Sei: 2004. Vol. 32, no. 1. P:67-72.

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

26. Запевалов В.Е., Мануйлов В.Н., ЦимрингШ.Е. К теории винтовых пучков с захваченными электронами // Изв. вузов. Радиофизика. 1990. Т. 33. № 12. С. 1406-1411.

27. Monterey, USA, 1999. P. ТШЖ

28. Antakov I.I., Gachev I.G., Zasypkin E.V. Self-excitation of spurious oscillations in ffie drifl region of gyrotrons and their influence on gyrotron operation // IEEE Trans.

29. Bratman V.L., Dumbrajs О., Nikkola P., Savilov A.V. Space charge effects as a source of electron energy spread and efficiency degradation in gyrotrons // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. Vol. 28, no. 3. P. 633-637.

30. Лыгин B.K., Цимринг Ш.Е., Шевцов Б.И. О диокотронной неустойчивости винтовых электронных пучков // Изв. вузов. Радиофизика. 1991. Т. 34, № 4. С. 419425.

31. Anderson J.Pi, Korbly S.E., Temkin R.J., et al. Design and emission uniformity studies of a 1.5-MW gyrotron electron gun // IEEE .Trans. Plasma Sci. 2002. Vol. 30, no.-6: P. 2117-2123.

32. Anderson J.P., Temkin R.J., Shapiro M.A. Experimental studies of local and global emission uniformity for a magnetron injectiont gun // IEEE Trans. Electron Devices. 2005. Vol. 52, no. 5. P. 825-828.

33. Advani R., Hogge J.P., Kreischer K.E., et al. Experimental investigation of a 140GHz coaxial gyrotron oscillator // IEEE Trans. Plasma Sci. 2001. Vol. 29, no. 6. P.943-950.

34. KuftinA.N., Lygin V.K., Manuilov V.N., et al. Theory of helical electron beams in gyrotrons // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1993. Vol. 14, no. 4. P. 783-816.

35. Pagonakis J.Gr., Vomvoridis J.L. Evolution of an electron beam with azimuthal density nonuniformity in a cylindrical beam tunnel // IEEE Trans; Plasma Sci. 2004: Vol. 32, no. 3. P. 890-898.

36. Ives R.L., Borchard P., Collins G., et al. Improved magnetron injection guns-for gyrotrons.// IEEE Trans. Plasma Sci: 2008; Vol! 36, no. 3: P. 620-630.

37. Nusinovich G.S., Botton M: Quasilinear theory of mode interaction in gyrotrons with? azimuthally inKomogeneousi electron* emission// Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8, no. 3.1. P. 1029-1036.

38. Братман В.Л. Релятивистские электронные приборы миллиметрового $ диапазона^ длин волн //Изв:вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, ЖТ0: С. 859-873: .

39. Елявин М.Ю., ИдехараТ., Мануйлов В.Н., Сайто Т. Исследование непрерывных гиротронов субмиллиметрового диапазона длин волн для спектроскопии.иs диагностики различных сред // Изв. вузов. Радиофизика. 2009: Т. 52,. № 7. С. 557-568: "■"'■.''.■' •.•

40. Венедиктов Н;И1, Дубров В.В:, Запевалов В;Е. и др. Экспериментальное исследование непрерывного высокостабильного гиротрона на второй гармонике для• спектроскопии: динамически поляризованных ядер // Изв. вузов. Радиофизика.

41. Flyagin V.A., Khizhnyak V.I., Manuilov V.N., et all Investigations ; of advanced^ coaxial gyrotrons at IAP RAS // Int. J. Infrared Millim. Waves, 2003. Vol.;24, no. 1.1. P. 1-17: :

42. Dumbrajs O., Nusinovich G.S. Coaxial gyrotrons: past, present, and future (review) //IEEE Trans. Plasma Sci. 20041 Vol: 32^ no. 3: p. 934-946.

43. Manuilov V., Glyavin M., Idehara Т., Saito T. Electron optical system of the sub-terahertz coaxial gyrotron with continuous frequency tuning // Int. J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2010. Vol. 31, no. 8. P. 912-918.

44. Зайцев Н.И., Завольский H.A., Запевалов B.E. и др. Десятимегаваттный импульсный гиротрон с длиной волны 1 см и КПД 50% // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 10. С. 914-918.• I

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

46. ZaitsevN.I., GinzburgN.S., IlyakovE.V., et al. X-band high-efficiency relativistic gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. Vol. 30, no.3. P. 840-845.

47. Запевалов B.E., Калынов Ю.К., Малыгин C.A. и др. Низкочастотные гиротроны для.термоядерных исследований // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 3. С. 207-218.

48. Запевалов В.Е., Лыгин В.К., Малыгин 0:В. и др. Мощный генератор непрерывного электромагнитного излучения с частотой 300 ГГц // Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 6. С. 461—470:

49. Запевалов В.Е., Корнишин С.Ю., Котов А.В. и др. Система формирования электронного пучка для гиротрона с частотой 258 ГГц, предназначенного для экспериментов по динамической поляризации ядер // Изв. вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 4. С. 251-259.

50. Glyavin М., Khizhnyak V., Luchinin A., et' al. The design of the 394.6 GHz continuously tunable coaxial gyrotron for DNP spectroscopy // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2008. Vol. 29, no. 7. P. 641-648.

51. Kartikeyan M.V., Borie E., Thumm M. A 250 GHz, 50 W, CW second harmonic gyrotron // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2007. Vol. 28, no. 8. P. 611-619.

52. Manuilov V.N., Idehara Т., Saito Т., et al. Electron gun for powerful short pulse gyrotron with operating magnetic field 8 T // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2008. Vol. 29, no. 12. P. 1103-1112.

53. Гольденберг A.JI., Панкратова Т.Б. Адиабатическая теория электронных пушек МЦР // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971. № 9. С. 81-89.

54. Гольденберг А.Л., Петелин М.И. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 1. С. 141— 148.

55. Baird J.M., Lawson W. Magnetron injection gun (MIG) design for gyrotron application // Int. J. Electron. 1986. Vol. 61, no. 6. P. 953-967.

56. Лыгин B.K., Мануйлов B.H., Цимринг Ш.Е. О методах интегральных уравнений и вспомогательных зарядов в траекторном анализе интенсивных электронных пучков // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1987. №7. С. 36-38.

57. Lygin V.K. Numerical simulation of intense helical electron beams with the calculation of the velocity distribution functions // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1995. Vol. 16, no. 2. C. 363-376.

58. Raisky B.V., Tsimring S.E. Numerical simulation of nonstationary processes in intense helical electron beams of gyrotrons // IEEE Trans. Plasma,Sci. 1996. Vol. 24, no. 3. P. 992-998.

59. Manuilov V.N., Krivosheev P.V., Lygin V.K., Tsimring Sh.E. Numerical simulation1 models of forming systems of intense gyrotron helical electron beams // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2001. Vol. 22, no. 8. P. 1119-1145.

60. Hermannsfeldt W.B. Electron trajectory program // SLAC Report 226, Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, 1979. 119 p.

61. Borie E., Griiber C., Westermann T. Calculation of MIG guns for gyrotrons using the BFCPIC code // Int. J. Electron. 1995. Vol. 78, no. 4. P. 789-807.

62. Liu C., Antonsen T.M., Jr. Implication of DG-space-charge-induced velocity spread on gyrotron gun performance // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. Vol.26, no. 3. P. 825-834.

63. True R. Electron beam formation, focussing and collection in microwave tubes // Handbook of microwave technology / Ed. by Т.К. Ishii. San Diego, CA: Academic, 1995. Vol. 1, ch. 14. P. 497-567.

64. Mudiganti J.C., Kartikeyan M.V., Thumm M. Design of magnetron injection guns -a 3D simulation approach // Dig. 34th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Busan, Korea, 2009. No. W5E56.0300:

65. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кулагин И.С. Формирование и диагностика интенсивных релятивистских винтовых электронных пучков t для гиротронов // Изв.вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, № 6. С. 453-462.

66. GarvenM., Spark S.N., Cross A.W., et al. Gyrotron experiments employing a field emissionarray-cathode // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77, no: 11'. P: 2320-2323.

67. Spindt C.A'., Holland C.E., Stowell R.D. Field" emission cathode array development for high-current-density applications //Appl. Surf. Sci. 1982. Vol: 16. P. 268-276.

68. ЗапеваловВ.Е., ЦимрингШ.Е. Многолучевые гиротроны // Изв. вузов. Радиофизика. 1990.'Т. 33, № 11. С. 1288-1294:'

69. Wang Н., Zhu J:, Yu S., Li M. A new "twin-beam" MIG for high power gyrotron // Dig. Int. Conf. Infrared and- Millimeter Waves, Lake Buena Vista, USA, 1985. P. 265-266.

70. Братман B.JI., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н., Самсонов С.В. Субмиллиметровый гиротрон с большой орбитой // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 10. С. 823-829.

71. Мануйлов В.Н. Электронные пучки для мазеров на циклотронном резонансе и лазеров на свободных электронах // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, № 10. С. 81-87.i

72. Mitchell Н.В., Wachtel S.B. Generation of electron beams for gyrotron tubes // IEE Proc. 1984. Vol. 131, pt. 1, no. 6. P. 177-182.i

73. Lawson W., Latham P.E. The design of a small-orbit/large-orbit gyroklystron experiment I I J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61, no. 2. P. 519-528.

74. Lawson W. Design of low velocity-spread cusp guns for axis- encircling beams // Appl. Phys. Lett: 1987. Vol: 50, no. 21. P! 1477-1479.

75. КуфтинА.Н., БеловС.П. Магнитно-экранированная электронно-оптическая ' система гиротрона в режиме ограничения тока, пространственным1 зарядом //

76. Прикладная физика: 2000. № 3. С. 76-81.

77. БеловС.П., КуфтинА.Н., МануйловВ.Н., ЦимрингШ.Е. Формирование винтовых электронных пучков гирорезонансных приборов в сильно неоднородном магнитном поле // Прикладная физика. 2000. № 3. С. 82-90.

78. Donaldson C.R., Не W., Cross A.W., et al. Design and numerical-optimization of a cusp-gun-based electron beam for millimeter-wave gyro-devices // IEEE Trans. Plasma Sci. 2009. Vol. 37, no. 11. P: 2153-2157.

79. Братман B.JI., Калынов Ю.К., Мануйлов В.Н. Субтерагерцовые и терагерцовые гиротроны с большой орбитой // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 7. С. 525-535.

80. PiosczykB. Non-adiabatic electron gun for gyrotrons // Int. J. Electron. 1989. Vol. 67, no. 3. P. 447—456.

81. Гольденберг A.JI., Мануйлов В.H., ГлявинМ.Ю. Электронно-оптическая система мощного гиротрона с неадиабатической электронной пушкой // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 6. С. 517-522.

82. Гольденберг А. Л., ГлявинМ.Ю., Завольский Н.А., Мануйлов В.Н. Технологический гиротрон с низким ускоряющим напряжением // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 10. С. 835-841.

83. Furuno D.S., McDermott D.B., Cao Н., et al. A four cavity, high harmonic gyroklystron amplifier // Int. J. Electron. 1988. Vol. 65, no. 3. P. 429-435.i

84. BarnettL.R., BairdJ.M., ShrivastavaU.A., GrowR.W. Fourth harmonic gyro-magnetron development // Proc. Int. Electron Device Meet., San Francisco, USA, 1984. P. 842-844.

85. Зайцев Н.И., Гинзбург H.C., Завольский H.А. и др. Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ импульса // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, № 7. С. 8-16.

86. Зайцев Н.И., ИляковЕ.В., Кузиков С.В. и др. Импульсный гироклистрон на объёмной моде высокого порядка // Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 10, С. 830-834.

87. Calame J.P., Cheng J., Hogan В., et al. Measurements of velocity ratio in a 90 MW gyroklystron electron beam // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. Vol. 22, no. 4. P. 476485.

88. Lawson W., Cheng J., Castle M., et al. High-power operation of a three-cavity X-band coaxial gyroklystron // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81, no 14. P. 3030-3033.

89. Gouveia E.S., Lawson W., Hogan В., et al. Current status of gyroklystron research at the University of Maryland // Proc. 6th Workshop High Energy Density and High Power RF, Berkeley Springs, USA, 2003. P. 79-88.

90. Phelps A.D.R., MaatugA.Z., Spark S.N. Cold cathode 75-110 GHz gyrotron experiments // Int. J. Electron. 1988. Vol. 65, no. 3. P. 369-376.

91. Ronald К., Cross A.W., Phelps A.D.R., et al. Explosive cathode gyrotron experiments // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998: Vol. 26^ no. 3. P. 375-382.

92. Gold S.H., Fliflet A.W., Manheimer W.M., et al. High-voltage Ka-band gyrotron experiment // IEEE Trans. Plasma Sci. 1985. Vol. 13, no. 6. P. 374-382.

93. Manuilov V.N., Idehara T., Glyavin M.Yu., et al: Electron optic system of powerful large orbit gyrotron with pulse magnetic field // Int. J: Infrared Millim. Waves. 2005. Vol.26, no. 1. P. 15-28.

94. Manuilov V.N:, Idehara T., Kamada Mi, eti al. Electron gun for large orbit gyrotron (LOG) with decreased influence of cathode plasma1 on? electron beaimproperties // Int: J. Infrared Millim. 2006. Vol. 27, no. 3. P. 343 -353.

95. Ергаков BiG., МоисеевM?A., Эрм Р:Э1 Влияние разброса;скоростей;электроновг нахарактеристикигиротрона.Электронная;Техника:Сер: 1.ЭлектроникаСВЧ:1980. № 3. С. 20-27.

96. IGuss W.G., Basten M:A., Kreischer К.Е1, Temkin R.J. Velocity spread measurements on a; magnetron injection gun beam ; // J:. Appl. Phys. 1994; Vol. 76, no. 6.• P. 3237-3243. ''' '

97. Cai S.Y., Antonsen TIM., Jr., Saraph G., Levush B. Multifrequency theoiy of high power gyrotron oscillators // Int. J. Electron. 1992. Vol: 72, no. 5-6. P. 759-777.

98. Pii Rl, Nusinovich G;S.,.Sinitsyn O.'V., AntonsenT.Mi, Jr: Effect;ofitheithickhess^of electron beams on the gyrotron efficiency // Pliys. Plasmas; 2010. Vol. 17, no. 8. P. 083105-083105-6.

99. Nusinovich G.S., Sinitsyn O.V., Yeddullà/M®, .et al: Effect of the radiali thickness of electron beams on mode coupling and stability in gyrotrons // Phys. Plasmas. 2003. Vol. 10, no. 8. P. 3335-3343.

100. Morozkin M.V., Glyavin M.Yu., Denisov G.G., Luchinin A.G. A high-efficiency second-harmonic gyrotron with a depressed collector // Int. J. Infrared Millim. Waves. 2008. Vol. 29, no. 11. P. 1004-1010.

101. Dumbrajs O., Thumm M. Gyrotrons for technological applications // Int. J. Electron. 1994. Vol. 76, no. 2. P. 351-364.

102. Bykov Yu.V., Denisov G.G., EremeevA.G., et al. Efficiency enhancement of gyrotron based setups for materials processing // Dig. 34th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Busan, Korea, 2009. No. R3D03.0058.

103. Antonsen T.M., Manheimer W.M. Shot noise in gyroklystrons // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. Vol. 26, no. 3. P. 444-450.

104. Manheimer W.M., Antonsen T.M., Jr., Calame J.P., et al. Electronjand ion noise inmicrowave tubes // IEEE Trans. Plasma Sci. 2003. Vol. 31, no. 1. P. 32-39.i

105. Antonsen T.M., Fliflet A., Calame J.P., Levush B. Collective theory of shot noise in gyroklystrons // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8, no. 10. P. 4592-4607.

106. Manheimer W.M. Uniform plasma model of shot noise in'gyroklystrons // IEEE Trans. Plasma Sci. 2001. Vol. 29; no; 4. P. 639-648.

107. Nguyen K.T., Danly B.G., Levush В., et al. Electron gun and collector design for 94-GHz gyro-amplifiers // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. Vol. 26, no. 3. P. 799-813.

108. Цимринг Ш.Е. О разбросе скоростей в винтовых электронных пучках // Изв. вузов. Радиофизика. 1972. Т. 15, № 8. С. 1247-1259.

109. Авдошин Е.Г., Николаев JI.В., Платонов И.Н., Цимринг. Ш.Е. Экспериментальное исследование скоростного разброса в винтовых электронных пучках // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16, №4. С. 605-612.

110. Lau Y.Y. Effect of cathode surface roughness on the quality of electron beams // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61, no. 1. P. 36-44.

111. Кривошеев П.В., Мануйлов B.H. Учет вторичных электронов при численном моделировании интенсивных винтовых электронных пучков гиротронов // Прикладная физика. 2002. № 3. С. 80-86.

112. Шаповалов А.С., Голубенцев А.Ф., Денисов Ю.И. Эмиссионные и шумовые свойства неоднородных эмиттеров. Саратов: Изд. СГУ, 1983. 89 с.

113. Антаков И.И., Гинзбург В.А., Засыпкин Е.В., Соколов Е.В. Экспериментальное исследование распределения электронов по скоростям в винтовом электронном потоке // Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т. 18, № 8. С. 1196-1200.

114. Авдошин Е.Г., Гольденберг A.JI. Экспериментальное исследование-адиабатических электронных пушек МНР // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 10, С.1605-1612:

115. Авдошин Е.Г., Мельников А.В:, ЦимрингШ.Е. Влияние нарушений? аксиальной симметрии1 в системах формирования винтовых пучков на» разброс скоро-стейолектронов// Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1975. № 8. С. 67-77.

116. Yeh Y.S., Chang Т.Н., Fan C.T. Beam characteristics of mechanically tunable magnetron injection« guns»// Int. J. Infrared Millim. Waves. 2001. Vol: 22; no. 7. P. 983-997.

117. Lygin-V.K., Manuilov V.N., Kuftin A.N., et al. Inverse magnetron,injection,gun for a coaxial 1.5'MW, 140 GHz gyrotron // Int. J. Electron. 1995. Vol: 79; no. 21. P. 227235.

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

119. Запевалов B.E., Куфтин A.H., Лыгин B.K., Цимринг Ш.Е. Численное моделирование и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек мощных коротковолновых-гиротронов II Изв. вузов. Радиофизика. 1992. Т. 35, № 11-12. С. 999-1007.

120. Kuftin A.N., Lygin V.K., Tsimring Sh.E., Zapevalov V.E. Numerical simulation and experimental study of magnetron-injection guns for powerful short-wave gyrotron // Int. J. Electron. 1992. Vol. 72, no. 6. P. 1145-1151.

121. Liu C., Antonsen T.M., Jr., LevushB. Simulation of the velocity spread in magnetron injection guns // IEEE Trans. Plasma Sci. 1996. Vol. 24, no.3. P. 982-991.

122. 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.

123. ЛыгинВ.К. Расчет адиабатических пушек МЦР, формирующих квазиламинарные пучки электронов с малым разбросом осцилляторных скоростей // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1980. № 1. С. 62-68.

124. Венедиктов Н.П1, ГлявинМ.Ю., Гольденберг А.Л. и др. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 4. С. 95-98.

125. Dumbrajs О., NikkolaP., PiosczykB. On the negative-mass instability in gyrotrons

126. Int. J. Electron. 2001. Vol. 88, no. 2. P. 215-224.

127. Дмитриев С.Г. К вопросу об аномальном эффекте Шоттки // ЖТФ. 1982. Т. 52, № 6. С. 1232-1233.1

128. Москалев В.А., Сергеев Г.И. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат, 1991. 240 с.

129. Александров Г.И., Заморозков Б.М., Калинин Ю.А. и др. Методы экспериментального исследования структуры электронных пучков приборов О- и М-типов // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1973. № 8 (108). 206 с.

130. Соминский Г.Г. Диагностика пространственного заряда сильноточных электронных систем // Проблемы физической электроники: Сборник* научных трудов. Л.: Изд-во ЛИЯФ АН СССР, 1987. С. 96-121.

131. Борисов А.Р. Диагностика сильноточных пучков для целей релятивистской СВЧ электроники / Томск, 1983,45 с. Деп. рук. ВИНИТИ. № 5777-83ДЕП.

132. Piosczyk В. Parameters of gyrotron electron beams measured by the method of retarding fields // Dig. 17th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, Pasadena, USA, 1992. Proc. SPIE. Vol. 1929. P. 494-495.

133. ПрусВ.А., Дереновский М.В., ЛиждвойК.Я., Тараненко В.П. Новый метод экспериментального исследования спирализованных электронных пучков для МЦР-приборов // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1970. № 10. С. 66-72.

134. Лоза О.Т., Иванов И.Е. Измерение поперечных скоростей электронов сильноточного релятивистского пучка микросекундной длительности в сильном магнитном поле IIЖТФ. 2003. Т. 73, № 9. с. 101-106.

135. Стрелков П.С., Шкварунец А.Г., ШункаП. Анализ углового и энергетического спектра электронов сильноточного пучка в магнитном поле // Физика плазмы. 1981. Т. 7,№3. С. 564-572.

136. Davis Н.А. Electron transverse velocity measurements in an intense relativistic electtron beam diode // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53, no. 11. P. 7179-7185.

137. Jaynes R.L., Gilgenbach R.M.,, Hochman J.M., et al. Velocity ratio measurement diagnostics and' simulations of a relativistic electron beam in an axis encircling gyro-tron // IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. Vol. 27, no. 1. P. 136-137.

138. ПрусВ.А., Глушенко B.H., Тараненко В.П. Применение метода тормозящего поля в анализаторе структуры спирализированных пучков // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1972. № 5. С. 47-59.

139. Sato I., Minami К. Generation of intense electron beam by a high-voltage magnetron injection gun // Trans. Inst. Electr. Eng. Jap. 1982. Vol. 102-A, no. 1. P. 17-24.

140. Богданов B.B., Воронков C.H., Кременцов В.И. и др. Экспериментальное исследование генерации индуцированного циклотронного излучения мм диапазона длин волн СЭП // ЖТФ. 1983. Т. 53, № 1. С. 106-113.

141. Chojnacki Е., Destler W.W., Lawson W., Namkung W. Studies of microwave radiation from a low-energy rotating electron beam in a multiresonator magnetron cavity // J. Appl. Phys. 1987. Vol. 61, no. 4. P. 1268-1275.

142. Венедиктов Н.П., ГлявинМ.Ю., Гольденберг А.Л. и др. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в ги-ротроне // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 12. С. 63-66.

143. Kawai M., Kawamura Y., ToyodaK. Direct measurement of the energy distribution of an intense relativistic electron beam // Japanese J. Appl. Phys. 1985. Vol. 24, no. 10. P. 1347-1350.

144. Stenton J.A.C., Edgcombe C.J. Measurement of transverse velocity in electron beams emitted from axisymmetric electrode systems // Int. J. Electron. 1984'. Volt 57, no. 6. P! 1205-1218.

145. Lawson W., Caíame Ji, Granatstein V.L., et al., Experimental* design of a 30 MW, 10 GHz gyroklystron // Proc. Inti ElectromDevice Meet., Los Angeles, USA, 1986. P.334-337.

146. Doehler O., Dohler.G., Fris W. Molecular beam probing of electron beams // IEEE

147. Trans. ElectromDevices. 1979. Vol. 26,- no. 10. P. 1617-1622.

148. Walsh J.E., Marshall T.G., Schlesinger S.P. Generation of coherent Cerenkov radiation with an intense relativistic electron beam // Phys. Fluids. 1977. Vol. 20, no. 4. P. 709-710.

149. Soumagne G., Alberti S., Hogge J.P., et al. Measurement of the parallel velocity distribution function of the electron beam in a quasi-optical gyrotron by Electron Cyclotron Emission //Phys. Plasmas. 1996. Vol. 3, no. 9. P. 3501-3506.

150. Муравьев A.A., Заморозков Б.М. Невозмущающий метод исследования структуры электронных пучков // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1967. №5. С. 28-40.

151. Архипов A.B., Богданов Л.Б., Воскресенский C.B. и др. Развитие методов диагностики сильноточных электронных потоков // Проблемы физической электроники: Сборник научных трудов. Л.: Изд-во ЛИЯФ АН СССР, 1989. С. 28-47.

152. ЦикинБ.Г., Долотов Л.Е., Зюрюкина О.В., Соловьев А.П. Лазерная диагностика нерелятивистских электронных пучков // ЖТФ. 1991. Т. 61, № 1. С. 149-154.

153. DammertzG., Haubrich G., Hochschild G., et al. First experimental results of the

154. KfK 150 GHz gyrotron // Int. J. Electron. 1988. Vol. 64, no. 1. P. 29-36,!

155. Бербасов B.A., Кузнецов М.И., Степанов C.B. Экспериментальное исследование роли, флуктуаций электрического поля в механизме токопрохождения в магнетронном диоде в* режиме отсечки // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11, № 9i С. 1423-1430.

156. Davis H.A., Cornet Е. Experimental techniques for determining the structure of highifrequency waves impressed on an intense relativistic electron beam // Rev. Sei. Instrum. 1980. Vol. 51, no. 9. P. 1176-1182.

157. ЛевчукС.А., Соминский Г.Г., Воскресенский C.B. Экспериментальное определение дисперсионных характеристик электронного облака в неоднородных скрещенных полях // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14, № 13. С. 1423-1430.

158. Пушкарев С.С., Бондаренко В.А., Галдецкий Н.П. и др. Многоканальный анализатор для измерения частотно-фазовых характеристик волн пространственного заряда в СРЭП // Приборы и техника эксперимента. 1989. № 3. С. 31—33.

159. Dammertz G., Alberti S., Arnold A., et al. High-power gyrotron development at Forschungszentrum Karlsruhe for fusion applications // IEEE Trans. Plasma Sei. 2006. Vol. 34, no. 2. P. 173-186.

160. Felch K., Blank M., Borchard P., et al. Recent test results on a 95 GHz, 2 MW gyrotron // Dig. 33rd Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Pasadena, USA, 2008. No. 1608.

161. ЛучининА.Г., Малыгин 0:В., Нусинович Г.С. и др. Мощный субмиллиметро-. вый гиротрон! с импульсным магнитным полем // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8,18. С. 1147-1149.

162. Лучинин А.Г., Малыгин О.В., Нусинович Г.С., Флягин В.А. Субмиллиметровый гиротрон с импульсным магнитным полем // ЖТФ: 1983; Т. 53, № 8. С. 1629-1632.

163. Лучинин А.Г., НусиновичГ.С., Флягин В;А., ШишкинБ.В; Выходныехаракте-ристики излучения гиротронов с имнульснымисоленоидами // Письма в ЖТФ. 1984; Т. 10, №16. С; 993-996: ; / : • .

164. Dumbrajs G;, Agusu L., Idehara Т. Influence of magnetic field inhomogeneity on operation of the THz gyrotron withapulse magnet // Int. J. Infrared' Millim. Waves. 2006. Vol. 27, no; 8. P. 1159-1171. > • ; .

165. Ives RlL., Collins Borchard P. Magnetron injection gun; measurements // Dig. 33rd Int. Conf. Infrared, Millimeter, andlTerahertz Waves^ Pasadena, USA, 20081 No. 1640. ■ ; . • ■

166. Тумарева T.A., СоминскишГ.Г., Бондаренко A.K. и; др. Активирование фулле-реновых покрытий полевых эмиттеров потоками атомов и ионов калия // ЖТФ: 2006. Т. 76, № 7. С. 81-84.

167. Adler Е. A., Longo RlT. Effect of nonuniform work function on space-charge-limited current//J. Appl. Phys. 1986. Vol. 59; no. 9. P: 1022-1027. / v.

168. Лукша О.И. Пространственно-временные характеристики винтового электронного потока в электронно-оптической системе гиротронного типа: Дисс. . канд. физ.-мат. наук/СПбГПУ. Санкт-Петербург, 1992. 178 с.

169. Габович МЩ:, Коваленко ВТЕ,. Назаренко 0:К., Пацьора С.К. Об одном возможном способе нейтрализации пространственного заряда мощнькс: электронных пучков в условиях сверхвысокого вакуума // Письма в ЖТФ. 1979. Т. 5, № 10. С. 581-583.

170. Попов С.Г. Физика и технология сверхтонких внутренних мишеней в накопительных кольцах. Препр. № 89-52. АН СССР, Сиб. отд. НИЯФ. Новосибирск, 1989, 15 с.

171. Latham R.V. High voltage vacuum insulation: the physical basis. London: Academic Press, 1981.245 p.

172. Аскарьян Г.А., Тарасова H.M. Светореактивное ускорение частиц и получение плазмы при воздействии луча лазера на облако порошка // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6, №11. С. 656-661.

173. БратманВ.Л., ГлявинМ.Ю., Гольденберг А.Л., СавиловА.В. Разброс начальной энергии электронов в гиротроне, обусловленный развитием неустойчивости! отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке // ЖТФ. 2000. Т. 70, № 4. С. 90-94.

174. Малыгин С.А., Мануйлов В.Н., Цимринг Ш.Е. Электронная пушка мазера на циклотронном резонансе. А. с. 1034536 СССР.

175. Brand G.F., Gross М. A tunable source of linearly-polarized, near-millimeter wave radiation // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1989. Vol 10, no. 1. P. 121-136.

176. Исследование характеристик эффективных катодов для сильноточных электронных систем: Отчет по НИР / СПбГТУ. Санкт-Петербург, 1993. 24 с.

177. Исследование неоднородностей катодов магнетронно-инжекторных пушек и воздействия эмиссионных неоднородностей на характеристики формируемого электронного пучка: Отчет по НИР / СПбГПУ. Санкт-Петербург, 1993. 76 с.

178. Исследование неоднородностей эффективных термоэмитгеров магнетронноiинжекторных пушек: Отчет по НИР / СПбГПУ. Санкт-Петербург, 1994. 9 с.

179. Исследование колебаний пространственного заряда систем гиротронного типа: Отчет по НИР / СПбГПУ. Санкт-Петербург, 1995,29 с.

180. Авдиенко A.A., Малев М.Д. Отравление борид-лантанового катода // ЖТФ. 1976. Т. 46, № 10. С. 2101-2107.

181. Lau Y.Y. A unified theory of the diocotron, cyclotron maser, and negative-mass instabilities // IEEE Trans. Electron Devices. 1984. Vol. 31, no. 3. P. 329-337.

182. Jost G., Wuthrich S., Tran T.M., AppertK. Effects of electron-cyclotron instabilities on gyrotron beam quality // Computer Physics Communications. 1997. Voli 100, no. 1-2. P. 47-55.

183. TigelisI.G., Vomvoridis J.L., TzimaS. High-frequency electromagnetic modes in a dielectric-ring loaded'beam tunnel // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. Vol. 26, no. 3. P. 922-930.

184. Whaley D.R. Tran M.Q; Equilibriums and'space-charge* wave-analysis of electron beams in conducting and-absorbing gyrotron.beam tunnels // Int. J. Electron: 1993. Vol. 74, no. 5. P. 771-791.

185. Братман B.JI. К вопросу о неустойчивости орбитального движения в слое электронов, вращающихся в однородном магнитостатическом поле. II // ЖТФ. 1976. Т. 46, № 10. С. 2030-2036.

186. Братман В.Л., Савилов А.В. Неустойчивость отрицательной массы в слое электронов-осцилляторов: разбросы ведущих центров и скоростей частиц // ЖТФ. 1994. Т. 64, по. 6. С. 154-165.

187. Bondeson A., Antonsen Т.М. Space-charge instabilities in gyrotron beams // Int. J. Electron. 1986. Vol. 61, no. 6. P. 855-870:

188. Li H., Antonsen T.M., Jr. Space charge instabilities in gyrotron beams // Phys. Plasmas. 1994. Vol. 1, no. 3. P. 714-729.229.,, Savilov A.V. Negative-mass instability in magnetron-injection,guns // Phys. Plasmas. 1997. Vol. 4, no. 6. P. 2276-2284.

189. Nielsen C., Sessler A. Longitudinal space charge effects- in particle accelerators // Rev. Sci. Instrum. 1959. Volf 30, no. 2. P. 80-89.

190. Коломенский А.А., Лебедев A.H. Устойчивость заряженного пучка в накопительных системах // Атомная энергия. 1959. Т. 7, № 6. С. 549-550.

191. CerfonA.J., ChoiE., MarchewkaC.D., et al. Observation and study of low-frequency oscillations in a 1.5-MW 110-GHz Gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sci. 2009. Vol. 37, no. 7. P. 1219-1224.

192. Drobot A.T., Kim K. Space charge effects on the equilibrium of guided electron flow with gyromotion // Int. J. Electron. 1981. Vol: 51, no. 4. P. 351-367.

193. Tsimring Sh.E. Limiting current of helical electron beams in gyrotrons // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1993. Vol. 14, no. 4. P. 817-840.

194. Цимринг Ш.Е. О предельном токе винтовых электронных пучков в гиротронах // Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40, № 2. С. 282-290.

195. Коршунов С.М. О пучковой неустойчивости при наличии запертых электронов // ЖЭТФ. 1972. Т. 62, № 5. С. 1764-1769.

196. Иванов А.А., Коршунов С.М., Берюлева Н.С., Тарасов С.П. Нелинейное взаимодействие волн пространственного заряда с запертыми электронами // ЖЭТФ. 1973. Т. 65, № 5. С. 1857-1865.

197. Yan R., Antonsen T.M., Jr., Nusinovich G.S. Analytical theory of low frequency oscillations in gyrotrons // Dig: 33rd Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Wave, Pasadena, USA, 2008. No. 1366.

198. Девидсон P. Теория заряженной плазмы. M.: Мир, 1978. 216 c.

199. Рабинович М.И.*, Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.432 с.

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

201. Birdsall С.К., Bridges W.B. Electron dynamics of diode regions. N.Y.: Academic Press, 1966. 270 p.

202. Шевчик B.H., Шведов Г.Н.1, Соболева А.В. Волновые и колебательные явления' в электронных потоках на сверхвысоких частотах. Саратов: Изд. СГУ, 1962. 336 с.I

203. Пащенко А.П., Залкинд В.М., Лонин Ю.Ф. и др. Неустойчивость замедляющегося электронного потока, инжектированного в плоский диод // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34, № 24. С. 83-89.

204. McCurdy А.Н., Armstrong С.М. Oscillator priming and preoscillation noise in a gy-rotron // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1988. Vol. 36, no. 5. P. 891-901.

205. Calame J.P., Garven M., Danly B.G. Measurement of beam-loaded resonant frequency and quality factor in a gyroklystron input cavity using noise emissions // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. Vol. 28, no. 3. P. 638-644.

206. Calame J.P., Danly B.G., Garven M. Measurements of intrinsic shot noise in a 35 GHz gyroklystron // Phys. Plasmas. 1999. Vol. 6, no. 7. P. 2914-2925.

207. Nusinovich G.S., Dumbrajs O. Technical noise in gyroklystrons and phase-locked gyrotron oscillators // Phys. Plasmas. 1997. Vol. 4, no. 5. P. 1424-1433.

208. Glyavin M., Zapevalov V., Idehara Т., Ogawa I. Influence of voltage fluctuations on gyrotron efficiency and stability // Int. J: Infrared Millim. Waves. 2003. Vol. 24, no. 4. P. 409-418.

209. Нечаев B.E. Диокотронная неустойчивость замагниченных трубчатых пучков // Изв. вузов. Радиофизика. 1982: Т. 25, № 9; С. 1067-10741

210. Mostrom М.А., Jones M:E. Shear-driven instabilities of annular relativistic electron beams imvacuum-// Phys. Fluids. 1983. Vol. 26, no. 6. P. 1649-1658.

211. Siambis J.G., Uhm H.S. Filamentation instability of a relativistic hollow electron beam // Phys. Fluids. 1982. Vol. 25, no. 3. P. 566-572.

212. Соминский Г.Г. О взаимодействии различных видов колебаний» пространственного заряда в системах* со. скрещенными полями // Письма в ЖТФ. 1977. Т. 3, №4. С. 181-185.

213. Кривошеев П.В., Мануйлов В.Н., Лыгин В.Е: Численное моделирование магне-тронно-инжекторных пушек гиротронов с учетом отраженных от магнитного зеркала электронов // Прикладная физика. 2000: № 3. С. 65-75.

214. Manuilov V.N., Zaslavsky V.Yu., Idehara Т. Two-dimensional numerical simulation of low frequency oscillations of space charge and potential, in the gyrotron adiabatic trap. Int. J. Infrared Millim: Waves. 2006. Vol. 27, no. 12. P. 1573-1593.

215. Мануйлов В.Н., Павельев В.Г. О влиянии формы импульса напряжения на процесс захвата частиц в адиабатическую ловушку гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, № 5. С. 425-433.

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

217. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кулагин И.С., Мануйлов В.Н: Влияние отраженных от магнитного зеркала электронов на -формирование электронного пучка-в ^релятивистском гиротроне // Прикладная физика. 2006. № 3. С. 121-125.

218. Рошаль А.С. Моделирование заряженных пучков. М.: Атомиздат, 1979. 224 с.

219. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихо-ва. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

220. Ашкинази JI.A. Катоды для электровакуумных приборов СВЧ // Итоги науки и техники. Сер. Электроника. 1985. Т. 17. С. 311-343.

221. Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды. M.-JL: Изд. "Энергия", 1966. 368 с.

222. GouveiaE.S., Lawson W., Castle М., et al. Operating characteristics of 17.14 GHz frequency-doubling coaxial gyroklystrons // Proc. Particle Accelerator Conf., Chicago, USA, 2001. P. 954-956.

223. Dumbrajs O., Nusinovich G.S. Azimuthal instability of radiation in gyrotrons with overmoded resonators // Phys. Plasmas. 2005. Vol. 12, no. 5. P. 053106-053106-9.

224. Kreischer K.E., Kimura Т., Danly B.G., Temkin R.J. High-power operation of a 170 GHz megawatt gyrotron // Phys. Plasmas. 1997. Vol. 4, no. 5. P. 1907-1914.

225. Tran T.M., Jost G., Appert K., et al. Particle-in-cell (PIC) simulations of beam instabilities in gyrotrons // Phys. Plasmas. 1997. Vol. 4, no.' 8. P. 3043-3048.

226. Bratman V.L., Savilov A.V. "Phase mixing" of bunches and decrease of negativemass instability increments in cyclotron resonance masers // Phys. Plasmas. 1995. Vol. 2, no. 6. P. 557-564.

227. Antonsen T.M., Manheimer W.M., Levush B. Effect of AC and DC transverse self-fields in gyrotrons // Int. J. Electron. 1986. Vol.61, no. 6. P. 823-854.s

228. Brand G.F., Fekete P.W., Hong K., et al. Self-adjusting anode power supply for a gyrotron // Int. J. Infrared Millim. Waves. 1991. Vol. 12, no. 2. P. 89-99.

229. McAdoo J., Bollen W.M., McCurdy A., et al. Gyroklystron amplifier phase noise measurements // Int. J. Electron. 1986. Vol. 61, no. 6. P. 1025-1028.

230. Read M.E., Seeley R., Manheimer W. Measurements of phase locking in a gyromo-notron // Proc. IEEE Int. Conf. Plasma Science, Pittsburg, USA, 1985. P. 50-51.

231. Запевалов B.E., Куфтин A.H., Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю. Экспериментальное исследование 110 ГГц/1 МВт гиротрона с одноступенчатой рекуперацией энергии // Изв. вузов. Радиофизика. 1998. Т. 41, № 5. С. 670-680.

232. Airila M.I., Dumbrajs О. Generalized gyrotron theory with inclusion of adiabatic electron trapping in the presence of a depressed collector // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8, no. 4. P. 1358-1362.

233. YuJ., Antonsen T.Mi, Nusinovich G.S. Excitation of backward waves in beam tunnels, of high-power gyrotrons // IEEE Trans. Plasma Sci: 2010. Vol. 38- no: 6: P. 1193-1199.

234. Касьяненко Д.В. Исследование влияния неоднородных электрического и магнитного полей на динамические процессы в винтовом электронном потоке ги-ротрона: Дисс. . уч. ст. магистра/ СИбГПУ. Санкт-Петербург, 2000, 97 с.

235. Список публикаций автора по теме диссертации

236. А1. ЛукшаО.И., Цыбин О.Ю. Многоатомные агрегации в* диагностике;ЭВП // Тез. Всесоюзн. конф. "Методы и средства диагностирования, изделий электронной техники", Москва, 1989: С. 12'. Ï

237. А2. Лукша ОЛЯ., Цыбин О.Ю. Применение распределенной мелкодисперсной!мишени ; для анализа; структуры электронного потока? // Письма' в ЖТФ. 19891.

238. Т. 15, №23; С. 75-78. . ■ . "

239. A3. Архипов А.В., Лукша О.И:, Толкачев В.Б:, Цыбин О.Ю. Способ измерения структуры ïютока заряженных частиц: А. с. 1475470 СССР от 22.12.1988 // Б. И.■;, ' 1989. №15.

240. A4.; Лукша ОМ:, Цыбин О:Ю. Исследование колебаний электронного потока в фо-: ку сирующем магнитном ; поле // Тез; Всесоюзн: семинара) "Волновые и колебательные явления® электронных;приборахО-типа", Ленинград;Л990^С. 91;

241. А6.i Лукша:0:И., Цыбин О.Ю., Шешко О.Л:. Анализ вторичных частиц при.бомбардировки поверхности молибдена комплексом ионов остаточного газа // Тез. Всесоюзн. конф. по эмиссионношэлектронике, Ленинград; 1990; Т. 2. С. 180.

242. А/7.; Цыбин О.Ю., Лукша О.И. Способ настройки электронно-оптической; системы . прибора*магнетронного типа: А. с.1586448 СССР'от15;04Ш90:

243. А8. Лукша О.И., Цыбин О.Ю: Электронно-оптическая система; гиротронного типа. А. с. 1686967 СССР от 22:06.1991.

244. А9. ЛукшаО.И., Цыбин О.Ю. Электронно-оптическая система для СВЧ приборов. А. с. 1697554 СССР от 08.09.1991.

245. А10. ЛукшаО.И., Цыбин О.Ю. Исследование образования вторичных атомных частиц на катоде электронной пушки // Тез. Всесоюзн. конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 1991. Т. 2. С. 31-32.

246. А 12. Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Исследование характеристик активной среды в электронно-оптической системе гиротронного типа // Груды ЛГТУ. 1991. № 436: ' ; С. 39-42. ' ':

247. А13. Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Ионная диагностика поверхностей эффективных термоэмиттеров в мощных ЭВП // Научное приборостроение. 1992. Т. 2, №4. С. 35-42. ■■;' ' : ■

248. Al4. Лукша О.И., Цыбин О.Ю j Исследование эмиссии атомных частиц с поверхно-ститермокатода электроннойпушки-// ЖТФ: 1992. Т;62, № 101 G. 154—159:

249. А 17. Лукша О.И., Цыбин О.Ю. Диагностика поверхности эффективных эмиттеров в мощных электронных вакуумных приборах // Вакуумная техника и технология. 1993. № 1.С. 43-46.

250. Al 8. Лукша О.И., Сомииский Г.Г. Исследование колебаний; пространственного заряда в винтовых электронных пучках систем гиротронного типа // ЖТФ. 1994. Т. 64, № 11. С. 160-168.

251. А 19. Архипов А.В., Богданов Л.Ю., ЛукшаО.И. и др. Формирование и диагностика электронных пучков для мощных устройств // Тез. Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России", Санкт-Петербург, 1995. Ч. 9. С. 32.

252. А21. ЛукшаО.И., СоминскийГ.Г. Пространственно-временные характеристики коллективных процессов^ винтовых электронных пучках систем гиротронного типа // ЖТФ. 1995. Т. 65, № 2. С. 198-202!

253. А24. Andronov A.N., IlyinV.N., LukshaO.I., et al. Formation and, diagnostic of helical electron beams // Dig. 20th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, Orlando, USA, 1995, P.* 141-142.

254. A25. Louksha O.I., Sominski G.G. Study of space charge oscillations in gyrotron // Proc. 11th Int. Conf. High Power Particle Beams "BEAMS'96", Prague, Czech Rep., 1996. P. 418-421.

255. A26. Andronov A.N., Ilyin V.N., Luksha O.I., et al. Formation and diagnostic of helical' gyrotron electron beams // Proc. 11th Int. Conf. High Power Particle Beams "BEAMS'96", Prague, Czech Rep., 1996. P. 485-488.

256. А27. Andronov A.N., IlyinV.N., LukshaO.I., et al. Metal-porous cathodes effective sources of electron emission for high-power gyrotron // Dig. Int. Vacuum Electron Sources Conf., Eindhoven, The Netherlands, 1996. P. G11.

257. A28. Andronov A.N., Ilyin V.N., Louksha O.I., et al. Design and fabrication of electron sources for high-power CW gyrotrons // Dig. Int. Vacuum Electron Sources Conf., Eindhoven, The Netherlands, 1996. P. G13.

258. A29. Борзенков Д.В., Лукша О.И. Численное моделирование динамики пространственного заряда в ловушке гиротрона // ЖТФ. 1997. Т. 67, № 9. С. 98-102.

259. АЗО. Лукша О.И., Соминский Г.Г. Исследование колебаний пространственного заряда в ловушке гиротрона // Тез. Всеросс. межвузовской конф. "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ", Саратов, 1997. С. 33-35.

260. А31. IlyinV.N., Louksha O.I., Mjasnikov V.E., et al. Effect of emission inhomogeneities on low-frequency oscillations in gyrotron-type electron beams // Proc. 12th Int. Conf. High Power Particle Beams "BEAMS'98", Haifa, Israel, 1998. V. 2. P. 800-804.

261. A32. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Louksha O.I., et al. Experimental studies of gyrotron electron beam systems// Proc. Research Workshop "Cyclotron-resonance masers and gyrotrons", Kibbutz Ma'ale Hachamisha, Israel, 1998. P. 54-55.

262. A34. Louksha O.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, suppl. 1. P. 71-76.

263. A35. Kas'yanenko D.V., Louksha O.I., Piosczyk В., et al. Low-frerquency parasitic oscillations in the 74.2 GHz moderate-power pulse gyrotron // Proc. 5th Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, Russia, 2002. Vol. 1. P. 162-167.

264. A36. Касьяненко Д.В., Лукша О.И., ПиосчикБ. и др. Низкочастотные паразитные колебаний пространственного заряда в винтовом электронном пучке гиротрона

265. Лекции по электронике СВЧ и радиофизике (12-я зимняя школа-семинар). Саратов: Изд-во ГосУНЦ "Колледж", 2003, с. 29-30.

266. А37. Касьяненко Д.В., ЛукшаО.И., Пиосчик Б. и др. Низкочастотные паразитные колебаний пространственного заряда в винтовом электронном пучке гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, № 5-6. С. 463-470.

267. A40. Louksha O., Piosczyk В., Sominski G., et al. Electron emission inhomogeneity and low-frequency parasitic oscillations in a gyrotron^// Proc. 7th Workshop High Energy Density and High Power RF, Kalamata, Greece, 2005. P: 219-220.

268. A42. Louksha O:, Piosczyk В., Sominski G., et al. On potentials of gyrotron efficiency enhancement: measurements and'simulations on a 4-mm gyrotron // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. Vol. 34, no. 3. P. 502-511.

269. A43. Лукша 0:И*., Пиосчик Б., Соминский Г.Г. и др. Мощные гиротроны для систем управляемого термоядерного синтеза и. технологии: поиск путей повышения эффективности // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 5. С. 131-146.

270. А44. Лукша О.И., Пиосчик Б., Соминский Г.Г. и др. Улучшение качества винтового электронного пучка путь к повышению эффективности гиротронов // Материалы 13-ой зимней школы-семинара по СВЧ, электронике и\ радиофизике, Саратов, 2006. С. 44—45.

271. А45. Лукша О.И., Пиосчик Б., Соминский Г.Г. и др. Подавление паразитных колебаний^ пространственного заряда вгиротроне // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 10. С. 880-886.

272. A49.|'Eoukshai0i, Piosczyk В;,, SamsonoviDlV etciency enhancement by improvement of electron beamiquality // Dig. Joint 32nd Int. Conf. Infrared and! Millimeter Waves, and 15th Int. Conf. Terahertz Electronics, Cardiff, UK, 2007. P: 880-881. : ;

273. A51. Louksha O., Sominski G., Samsonov D., ¿tral: Effect of ionibombardmentsomemis-sion characteristics of gyrotron cathodes // Dig. 35th' IEEE Int. Conf. Plasma , Science, Karlsruhe, Germany, 2008; P. 226. <;

274. A52. Лукша О.И;, Соминский Г.Г., Самсонов Д.Б: и др. Исследование возможностей использования ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов // Изв:.вузов: Прикладная нелинейная динамика. 2008. Т. 16, №3. С. 129141. .■■■■.-'•■■.'

275. А53. Лукша О.И., Соминский Г.Г., Самсонов Д.Б. и др. Повышение качества гиро-тронных катодов с помощью ионной обработки // Материалы научно-практической конф. "Научные исследования и инновационная деятельность", Санкт-Петербург, 2008. С. 318-323.

276. А54. Лукша О.И. Низкочастотные коллективные процессы в электронных потоках гиротронов: эксперимент и численное моделирование // Материалы 14-ой международной зимней школы-семинара по электронике СВЧ и радиофизике, Саратов, 2009. С. 71:

277. А55. Лукша О.И. Моделирование низкочастотных коллективных процессов в электронных потоках гиротронов // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 5-6. С. 425-437.

278. А56. Лукша О.И., Самсонов Д1Б., Соминский Г.Г., ЦаповА.А. Применение ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов // Научно-технические ведомости1 СПбГТУ. Физико-математические науки. 2009. № 4 (88). С. 133-140.

279. А57. Louksha О. Numerical simulation of low-frequency collective processes in gyrotron electron beams // Dig. 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Rome, Italy, 2010. No. Tu-E3.4.