Безруков М. Ю., Горбачов К. В., Коровін С. Д. *, Місяць Г. А. *, Нестеров О. В., Петров В. Ю., Плаксина С. Д., Полевін С. Д. * Рощупкин С. А., Строганов В. А., Сухов М. Ю. *, Черних Є. В., Фортов В. Е.

Інститут теплофізики екстремальних станів Об’єднаного інституту високих температур Російської академії наук (ІТЕС ОІВТРАН) Ижорская 13/19, Москва – 125412, Росія Тел.: +7 (095) 4841877; e-mail: nst@ihed.ras.ru

* Інститут потужнострумової електроніки СО РАН Академічний проспект, 4, 634055 – Томськ, Росія

Анотація – Наведено опис установки і результати експериментів по генерації потужного НВЧ випромінювання з використанням резонансної релятивістської ЛОВ (3,6 ГГц, ТМ01,) [1], живиться від високовольтного генератора на основі індуктивного накопичувача (кабельна лінія) і електровибухового переривника. В якості первинного джерела використовувався або ємнісний накопичувач (ГІТ), або взривомагнітних генератор (ВМГ). При напрузі на катоді 700 кВ, струмі в діоді 9 кА пікова потужність СВЧ випромінювання склала ~ 0,5 ГВт, тривалість імпульсу – близько 50 не.

I. Вступ

Розробка і створення універсального генератора високовольтних потужнострумових наносекундних імпульсів за схемою з одинарною формує лінією з твердотілим діелектриком, заживлюємо струмом або ємнісного накопичувача, або багатокаскадного ВМГ з крайовим каскадом у вигляді динамічного трансформатора [2], дозволили використовувати його для заживлення резонансної релятивістської ЛОВ. Необхідна в цьому випадку зовнішнє транспортує магнітне поле напруженістю ~ 1,5 Тл створювалося за допомогою однорідного соленоїда, який також им-імпульсні живиться (тривалість імпульсу ~ 150 мкс) або від Гіта, або від ВМГ.

II. Опис установки

Схема установки представлена ​​на рис.1.

Рис. 1. Схема установки по генерації потужного НВЧ-випромінювання з використанням резонансної ЛОВ.

Fig. 1. Schematic diagram of high power microwave generator based on resonant BWO

ВМГ (1) використовувався для створення високовольтного імпульсу на діоді ЛОВ (7), ВМГ (1а) – для живлення соленоїда (9), що створює магнітне поле, при цьому можливе поєднання цих пристроїв в одному ВМГ, або використання двох незалежних ВМГ з системою синхронізації. І якщо ВМГ для отримання високовольтних імпульсів були нами вже відпрацьовані, то створення ВМГ для отримання магнітного поля всередині тонкостінної структури ЛОВ з нержавіючої сталі за короткий проміжок часу (~ 150 мкс) представляло собою окрему задачу, яка була успішно вирішена. Гіти (2,3) використовувалися в налагоджувальних експериментах: ГІТ (2) з параметрами – 90 кВ, 1,6 мкФ – служив для заживлення розподіленого індуктивного накопичувача LK~ 5 мкГн і електрично вибухає переривника (4); ГІТ

(3) – 10 кВ, 5 кДж – для створення магнітного поля В ~ 1,5 Тл в обсязі ~ 5 л протягом ~ 150 мкс. Загострює розрядник (5) розрахований на напругу 500кВ, прохідний секціонірованние ізолятор – На напругу мегавольтной рівня. В якості генератора СВЧ використовувалася резонансна релятивістська ЛОВ [1]. В резонансної релятивістської ЛОВ за рахунок поліпшення поздовжнього розподілу ВЧ поля за допомогою відображення робочої моди TMoi від кінців електродинамічної системи та оптимізації взаємодії електронного пучка як із зустрічною, так і з попутним хвилями, вдалося підвищити ефективність генерації. Важливим гідністю резонансної ЛОВ в порівнянні із звичайною релятивістської ЛОВ є також менша довжина простору взаємодії (~ 3 Л), що вимагає менших витрат енергії на створення фокусуючого магнітного поля.

Установка також оснащена вакуумної та газової системами (11), системами виведення випромінювання (рупорна антена з діаметром поліетиленового вікна ~ 350 мм) і вимірювання (10).

Загальний вид установки представлений на фото рис.2.

Рис. 2. Загальний вид установки.

Fig. 2. General appearance of installation

III. Результати експериментів

В експериментах СВЧ випромінювання вимірювалося за допомогою каліброваного детектора і калориметра. Характерні осцилограми напруги і струму діода (U і Idiode), струму через електропідривної переривник (lis) І сигнал з НВЧ детектора представлені на ріс.З. При роботі від гітови і від ВМГ вид осцилограм ідентичний. Напруга на вакуумному діоді становило ~ 700 кВ, струм ~ 9 кА, тривалість

імпульсу -50 нс. В експериментах з ГІТамі виміряна потужність випромінювання склала близько 450 МВт. В експерименті з живленням від ВМГ потужність СВЧ випромінювання була навіть трохи більше, ніж в експериментах від імітатора. Енергія випромінювання склала 9 Дж. Була також виміряна діаграма спрямованості випромінювання. Максимум випромінювання відповідає куті 10 градусів.

Рис. 3. Осцилограми напруги і струму діода (U і Idiode), струму через ЕВП (lis) І сигнал з НВЧ детектора.

Fig. 3. Waveforms of voltage (U), diode current (Idiod), current through EEOS(ljS) and microwave detector output signal

IV. Висновок

Таким чином, проведені дослідження по генерації потужного НВЧ випромінювання з використанням резонансної релятивістської ЛОВ, живиться від високовольтного генератора на основі індуктивного накопичувача і електровибухового переривника, які продемонстрували можливість використання як первинного джерела взривомагнітних генератора, як для формування високовольтного імпульсу, так і для запіткі соленоїда магнітного поля супроводу. При напрузі на катоді 700 кВ, струмі в діоді 9 кА пікова потужність СВЧ випромінювання склала ~ 0,5 ГВт, тривалість імпульсу – близько 50 нс.

V. Список літератури

[1]  Kitsanov S. A., et al., Proc. of the 14th Int. Conf. on High Power Particle Beams, Albuquerque, 2002, pp. 255-258.

[2] Горбачов К. В. та ін Універсальний компактний генератор високовольтних потужнострумових імпульсів, Праці 12 Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», Севастополь, Вебер, 2002, С. 482-483.

НРМ GENERATION BY USE OF RESONANT RELATIVISTIC BWO DRIVEN BY COMPACT INDUCTIVE ENERGY STORAGE

Bezrukov M. Yu., Gorbachev К. V., Korovin S. D. *, Mesyats G. A. *, Nesterov E. V., Petrov V. Yu., Plaksina S. D., Polevin S. D. *, Roschupkin S. A., Stroganov V. A., Sukhov M. Yu. *, Chernykh E. V., Fortov V. E.

Institute for High-Energy Densities (IHED) RAS Izhorskaya St. 13/19, Moscow, Russia, 127412,

Tel.:(095)-484-18-77, E-mail: nst@nictiv.ivtan.msk.su

* Institute of High Current Electronics, SD, RUS

4,  Akademichesky Ave., 634055, Tomsk, Russia

Abstract – Installation and experimental results of high- power microwave generation by resonant relativistic BWO (3.6 GHz, TM0i) [1] driven by high-voltage generator based on inductive storage (cable line) and electro-explosive opening switch are described. As a primary source either a capacitive storage (surge current generator) or magnetic cumulative generator (MCG) was used. For cathode voltage of 700 kV and diode current of 9 kA the peak microwave power reached ~ 0.5 GW and pulse duration was about 50 ns.

I.  Introduction

For supply of resonant relativistic BWO we used a universal high-voltage generator of high current nanosecond pulses [2] designed beforehand and connected in a circuit with a single forming line with a solid dielectric, which was driven either by a capacitive storage or a multi-stage MCG including dynamic transformer as a final stage. Required applied leading axial magnetic field with intensity of ~ 1.5 T was created by uniform solenoid with pulsed power supply (~ 150 jlxs pulse length), which also could be delivered either by surge current generator or MCG.

II.  Experimental results

Schematic diagram of installation is given in Fig. 1. MCG (1) was used for high voltage pulse generation on BWO diode while MCG (1a) delivered power to solenoid. They either could be integrated into one MCG or used as separate units combined with synchronizing system. Surge current generators (SCG) were employed for debugging tests: SCG (2) with capacitance of 1.6 jlxF and charging voltage of 90 kV supplied power to both distributed inductive storage of 5 |uH and fuse opening switch

(4)   , while SCG (3) of 10 kV charging voltage and 5 kJ energy capacity – served for magnetic field generation.

A resonant relativistic BWO was used as microwave generator. Important features of resonant relativistic BWO are higher generation efficiency and shorter length of interaction space (~ 3X) in comparison with common BWO. Magnetically insulated coaxial diode with explosive emission graphite cathode served for electron beam generation. Radiation was extracted through horn antenna with a polyethylene window of -35 mm in diameter. Appearance of the installation is given in photo (Fig. 2).

Microwave radiation was registered with a microwave calorimeter and calibrated detector. Characteristic waveforms are given in Fig. 3. Voltage on the vacuum diode was ~ 700 kV, current ~ 9 kA and pulse length of ~ 70 ns. For surge current generators power supply the radiated power was about 450 MW. For MCG power supply the radiated power was even higher. Radiated energy reached 9 J.

III.  Conclusion

Experimental study of powerful microwaves generation by resonant relativistic BWO driven by high voltage generator based on inductive storage and electro-explosive opening switch with MCG as a primary energy source was carried out. For cathode voltage of 700 kV and diode current of 9 kA the peak microwave power ran into ~ 0.5 GW and pulse length – about 50 ns.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»