В. Г. Шпак, М. І. Яландін Інститут електрофізики Уро РАН, Єкатеринбург

Розвиток релятивістської високочастотної електроніки показало, що в лабораторній практиці можуть ефективно використовуватися малогабаритні сільноточние наносекундні електронні прискорювачі з невисоким енергозапаси – Аж до одиниць джоулів і енергією пучка до 300 кеВ. Починаючи з 1980 року для цих цілей в ІСЕ СО РАН, а надалі – в ІЕФ Уро РАН, були розроблені прискорювачі РАДАН [1]. У сучасних моделях цієї серії забезпечена перебудова вихідних параметрів, вони автономні і мають ресурс більше 107. Модель РАДАН-303 [2] і СВЧ-прилади на її основі були доведені від експериментальних макетів до експортних зразків, які не мають світових аналогів. З використанням нової техніки було виконано ряд пріоритетних досліджень. Створені релятивістські ЛОВ діапазону частот 37-140 ГГц з мультімегаваттним рівнем потужності, перший релятивістський черенковський підсилювач міліметрового діапазону, ЛОВ (70 ГГц) з фокусирующей системою на основі постійних магнітів [3,4]. Важливе місце в дослідженнях займали проблеми підвищення ефективності НВЧ-приладів і збільшення частоти повторення імпульсів. У міру появи широкосмугової цифровий осциллографической техніки і діагностичної апаратури з’явилася можливість на новому рівні продовжити дослідження з генерування субнаносекундной високовольтних імпульсів та електронних пучків [5]. В результаті були створені перші субнаносекундной джерела широкосмугових НВЧ імпульсів з мм-заповненням, що працюють в режимі сверхізлученія [6, 7], а також частотні генератори потужних надширокосмугових радиоимпульсов на основі антенних систем ударного збудження [8].

Сучасний етап робіт з високовольтної імпульсної і прискорювальної техніці в інтересах релятивістської високочастотної електроніки пов’язаний із застосуванням нових наносундних твердотільних генераторів високовольтних імпульсів з індуктивними накопичувачами енергії і напівпровідниковими переривниками струму [9], розроблених в лабораторії імпульсної техніки ІЕФ Уро РАН. Вони відрізняються природною “твердотільної” стабільністю параметрів, великим ресурсом (> 108), Частотами повторення імпульсів більше 3 кГц при вихідній напрузі в сотні кіловольт на навантаженнях в десятки-сотні ом.

Високовольтні генератори РАДАН

Уніфікований імпульсний генератор РАДАН-303 Б являє собою подвійну формуючу лінію (ДФО), заряджається трансформатором Тесла і комутовану на навантаження газовим розрядником (рис. 1, а). Напруга пробою регулюється від 10 до 200 кВ. Його стабільність типова для некерованих розрядників (дисперсія ~ 5%). Прилад забезпечує електронний імпульс тривалістю 5 нс і фронтом 1-1,5 нс. Імпульсна потужність на узгодженої 45-омной навантаженні становить 0,8 ГВт. Навантаженням можуть служити електронні та рентгенівські трубки або коаксіальні магнітоізолірованние вакуумні діоди зі взривоеміссіоннимі катодами (КДМІ) .Для укорочення імпульсу прискорює напруги до 200-300 пс використовується додатковий пристрій (рис. 1, в), принцип дії якого базується на вирізанні короткого імпульсу з довшого за допомогою загострює і зрізати розрядників [5]. Встановлено, що при частоті повторення імпульсів 100 Гц повний розкид напруги спрацьовування розрядника-обострітеля не перевищував 5-6%. Про стабільність генеруються імпульсів говорила сама можливість отримання осциллограмм, накопичених за 500 імпульсів цифровим стробоскопічним осциллографом. З використанням досвіду досліджень субнаносекундной перетворювачів було розроблено індуктивно-ємнісний ланка з газовим розрядником, що забезпечує додаткову компресію енергії наносекундной генератора РАДАН-3 березня [10]. При зарядці короткого ємнісного накопичувача в режимі біжучої хвилі отримано збільшення вихідної напруги з 150 до -200 кВ (рис. 2), що відповідає збільшенню потужності імпульсів в 1,75 рази. Ефективність перетворення енергії досягає 80%.

Рис. 1. Малогабаритний наносекундний генератор РАДАН-ЗОЗБ: а – перетин ДФЛ, б – зовнішній вигляд, в – субнаносекундной обострітель імпульсів.

Рис. 2. Фронт імпульсу наносекундного драйвера і імпульс збільшеною амплітуди на виході ланки стиснення.

Рис. 3. Гістограма розкиду фронту формованого субнаносекундной імпульсу щодо фронту, що запускає розрядник.

Аналіз режимів стабілізації пробою субнаносекундной розрядників дозволив створити для ДФЛ-генераторів РАДАН прецизионно-керований трьохелектродний розрядник. Було доведено, що субнаносекундной точність запуску досягається, коли забезпечено випереджаючий розвиток пробою між негативним пусковим електродом і протилежним йому потенційним [11]. Мінімальне відношення енергії керуючого імпульсу до комутованою становило 10 ‘3. Дисперсія моменту запуску не перевищувала тривалості пускового імпульсу 300-400 пс (рис. 3). Кілька ДФЛ-генераторів РАДАН-303 можуть бути запущені взагалі без відносного джиттера за допомогою двохелектродного розрядника, один з електродів якого з’єднує потенційні електроди окремих ДФЛ [12]. Наносекундні генератори з керованими розрядниками також використовувалися для створення модульної сільночной системи. Були випробувані двоканальні генератори з навантаженнями у вигляді субнаносекундной обострітель (див. Рис.1, в), які генерували імпульси тривалістю 500 пс з джиттером 200-400 пс залежно від типу розрядників: об’єднаного або двох керованих. Ці дані показують, що модульні системи надають можливості для досліджень з СВЧ-електроніці із застосуванням складних синхронізуються комплексів: релятивістських підсилювачів з субнаносекундной пучками; установок для вивчення розсіювання НВЧ-хвилі накачування потоком релятивістських електронів. Можуть створюватися системи з когерентним підсумовуванням СВЧ-мощності.Релятівістскіе СВЧ-генератори міліметрового діапазону

Для досліджень з релятивістської НВЧ-електроніці на базі генераторів РАДАН були розроблені наносекундні і субнаносекундной прискорювачі з магнітоізолірованнимі коаксіальними вакуумними діодами. Найбільш енергоємний елемент потужнострумового СВЧ-приладу – імпульсна магнітна система транспортування пучка – в нашому випадку стає компактною. Цьому сприяє зменшення поперечних розмірів через збільшення міцності вакуумної ізоляції КДМІ при часах впливу напружень в одиниці і, тим більше, в частки наносекунд.

У 1980-1990 роки було створено кілька моделей СВЧ-генераторів (релятивістських ЛОВ) з Потужнострумові пучками з енергією від 150 до 200 кеВ [13]. Генератори МГ-1, МГ-2 і МГ-3, що працювали на довжинах хвиль 8 і 4 мм (мода Ε0ι) з частотою повторення імпульсів 0,1-10 Гц, мали вихідну пікову потужність до 10 МВт. Електронний ККД вдалося підняти до 10-15% із застосуванням прискорювача на базі РАДАН-303 (250-300 кеВ), і для ЛОВ, працюючої на частоті 35 ГГц (генератор МГ-4), потужність склала 60 МВт. При тривалості генерації 3-4 нс ЛОВ, що працює на частоті 70 ГГц, був отриманий потік СВЧ-

Рис. 4. Блок релятивістської ЛОВ (70 ГГц) СВЧ- генератора МГ-6.

енергії в замедляющей системі ~ 0,5 ГВт / см2, А електричні поля на стінках одномодової електродинамічної структури генератора МГ-6 склали ~ 2 МВ / см [3]. Досягнення таких високих питомих параметрів ми відносимо до результату збільшення електричної міцності електродинамічного тракту при малому часу впливу СВЧ-полів.

В даний час генератори серії МГ-4 – МГ-6 – найбільш компактні релятивістські СВЧ-прилади. Їх частота повторення імпульсів (до 10-40 Гц) забезпечувалася застосуванням імпульсних соленоїдів з примусовим охолодженням. Компактний вакуумний діод генератора МГ-6 (рис. 4) послужив прототипом для КДМІ релятивістської ЛОВ з фокусирующей системою на основі постійних магнітів Nd-Fe-B [4]. Магнітна система охоплювала зовні корпус діода. Це дозволило зрушити реверс магнітного поля від катода до ізолятора, а уповільнююча система розташовувалася в однорідному полі ~ 14 кЕ. Хоча в експериментах не було досягнуто оптимальне перевищення робочого струму над стартовим, вихідна потужність ЛОВ, що працює на частоті 70 ГГц, досягла 1 МВт, а частота повторення імпульсів 100 Гц лімітувався тільки прискорювачем.

Генерування субнаносекундной СВЧ-імпульсів міліметрового діапазону в режимі сверхізлученія

Субнаносекундной електронні прискорювачі [14] дали можливість дослідити різні механізми сверхізлученія короткого потужнострумового електронного пучка в діапазоні від 38 до 150 ГГц [6, 7, 15]. Найбільші потужності були отримані в експериментах з генерування широкосмугових (> 5%) когерентних імпульсів НВЧ при проходженні електронного пучка (0,5-1,5 нс, 1-2 кА, 200-300 кеВ) в гофрованих уповільнюють системах типу ЛОВ. Пікова потужність на частоті 38 ГГц досягала 140 МВт при тривалості імпульсу 300 пс і темпі зростання потужності на фронті 0,3 ГВт / нс (рис. 5). Також спостерігалися імпульси з центральною частотою 75 ГГц і потужністю 10-15 МВт при тривалості менше 150 пс і піки сверхізлученія 150 ГГц з фронтом 75 пс. Важливо та обставина, що в експериментах [7] була продемонстрована фундаментальна особливість механізму сверхізлученія –квадратична залежність пікової потужності від заряду електронного пучка (рис. 6). Сам же новий СВЧ-прилад допускав частоту повторення імпульсів 25-100 Гц, будучи обладнаним сверхпроводящей фокусирующей магнітною системою.

Рис. 6. Залежність пікової СВЧ-потужності від квадрата повного заряду частинок в електронному згустку.

Рис. 5. Осцилограми імпульсів прискорює напруги (а), струму пучка (б) і СВЧ-випромінювання частотою 38 ГГц (в).

Джерела надширокосмугових субнаносекундной радиоимпульсов

Генерувати надширокосмугові випромінювання радіочастотного, а в принципі і СВЧ- діапазону, можна без “участі” електронного пучка. Для цього хвиля напруги імпульсного генератора перетворюється в електромагнітну при порушенні ТЄМ-антен. Через проблеми електричної міцності трактів антен найбільш компактними виявляються системи з коротким збудливим імпульсом “фронт-спад”. Субнаносекундной генератори на основі драйверів РАДАН задовольняють цій вимозі і використовуються для створення випромінювачів з характеристичною частотою в одиниці гігагерц при підводиться до антени потужності -200-400 МВт [8]. Субнаносекундной уніполярний імпульс може бути попередньо перетворений спеціальними пристроями в біполярний, більш вигідний енергетично при випромінюванні ТЄМ-антеною [8]. За допомогою керованих розрядників [11] імпульсні генератори можуть запускатися з високою точністю, що дозволяє створювати багатоелементні надширокосмугові випромінювачі типу імпульсних антенних решіток із збільшеними потужністю і спрямованістю (рис. 7).

Рис. 7. Діаграми спрямованості надширокосмугових антен: а – одиночний ΤΕΜ-рупор; б – система двох рупорів з базою 1,35 м.

Перспективи збільшення частоти повторення імпульсів

У міру просування досліджень з генерування потужних НВЧ-імпульсів в суаносекундном діапазоні загострюється проблема метрології. У всіх зазначених вище експериментах [5, 7, 11, 14, 15] були обмеження по смузі реєстрації (5-6 ГГц) навіть при використанні найбільш сучасних осцилографів реального часу, наприклад Те250. Оскільки подібна вимірювальна техніка вже близька до фізичного обмеження по смузі реєстрації, то перспективи осциллографии процесів з тимчасовим дозволом краще 100 пс пов’язані з використанням стробоскопічних цифрових реєстраторів, що застосовуються для запису тільки стабільних сигналів при їх великій частоті повторення. Тобто до практичного аспекту вимог збільшення частоти повторення імпульсів і стабільності короткоімпульсних релятивістських СВЧ-приладів додається метрологічний.

Відповідно до цих тенденцій в ІЕФ Уро РАН виконані дослідження і розробки, що дозволили створити генератор РАДАН-Н110, що допускає частоту повторення імпульсів до 1000 Гц в пакетному режимі [16]. Імпульс тривалістю 2 нс і напругою 100-120 кВ після 20-омного виходу може бути трансформований для отримання в діоді прискорювача пучка з енергією до 150-180 кеВ і струмом до 1 кА.

Рис. 8. Квазіпрямоугольний імпульс з тривалістю на напіввисоті 720 пс, отриманий на частоті повторення 3,5 кГц, при середній потужності на виході модулятора до 1,4 кВт.

Ще більші можливості відкриваються із застосуванням високовольтних твердотільних модуляторів з індуктивними накопичувачами енергії і напівпровідниковими переривниками струму [9]. В роботі [17] представлено результати дослідження ЛОВ (38 ГГц, 4 нс, 40 МВт), де вперше використаний інжектор електронного пучка на основі повністю твердотільного модулятора SM-3NS. В даному випадку частота повторення імпульсу (20 Гц) обмежувалася тільки імпульсним фокусирующим соленоїдом.

Драйвер (SM-3NS), доукомплектований субнаносекундной обострітель з водневими розрядниками (100 атм.), Дозволяє формувати стабільні квазіпрямоугольние імпульси з амплітудами 180-200 кВ при частотах повторення 1-3,5 кГц і середньої вихідної потужності до 1,4 кВт на 45-омном виході (рис. 8). Такий суаносекундний модулятор застосуємо як для харчування ТЄМ-антен ударного збудження, так і (у разі застосування надпровідного або квазістаціонарного соленоїда) для генерування пакетів імпульсів сверхізлученія з піковою потужністю 100 МВт і вище зразок тих, що були отримані в експериментах [15].

* * *

Вкорочення тривалості прискорює імпульсу і струму електронного пучка до часток наносекунд дозволяє не тільки миниатюризировать потужний електрофізичний СВЧ- прилад, але і визначає можливість проведення принципово нових досліджень. Спрощуються проблеми створення систем з великою частотою повторення імпульсів. У ряді випадків основні параметри (щільності струму пучка і СВЧ-потужності, інтенсивність випромінювання і т. д.) для компактних нан субнаносекундной релятивістських високочастотних приладів можуть значно перевершувати аналогічні характеристики великих Длінноімпульсний установок. Це дає можливість широко застосовувати відносно недорогі компактні прилади в дослідницькій практиці.

Література

1.        Загулів Ф. Я. та ін. РАДАН – малогабаритні сільноточние прискорювачі електронів імпульсно-періодичної дії // ПТЕ. 1989. № 2. С. 146-149.

2.        Mesyats G. A. et al. Compact high-current accelerators based on the RADAN SEF-303 pulsed power source // Proc. of the 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1993. V. 2. P. 835-838.

3.        Yalandin M. /. et al High-power repetitive millimeter range back-wave oscillators with nanosecond relativistic electron beam // Proc. of the 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1993. V. 1. P. 388-391.

4.        Shpak V. G. et al. A 70-GHz High-Power Repetitive Backward Wave Oscillator with a Permanent-Magnet-Based Electron-Optical System // Proc. BEAMS’96 – 11th Int. Conf. on High Power Particle Beams. Prague, Czech Republic. 1996. V. 1. P. 473-476.

5.        Mesyats G. A. et al. Desk-top subnanosecond pulser research, development and applications // Proc. of SPIE Int. Symp.: Intense Microwave Pulses. Los Angeles, CA, USA. 1994. V. 2154. P. 262-268.

6.        Shpak V. G. et al. A New Source of Ultrashort Microwave Pulses Based on the Effect of Superradi-ation of Subnanosecond Electron Bunches // Doklady Physics. 1999. V. 365, № 1-3. P. 143-146.

7.        Ginzburg N. S. et al. Generation of powerful subnanosecond microwave pulses by intense electron bunches moving in a periodic backward wave structure in the superradiative regime // Phys. Rev. E. 1999. V. 60. P. 3297-3304.

8.        Shpak V. G. et al. Generation of high-power broadband electromagnetic pulses with PRF of 100 pps // Proc. of the 10th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1995. P. 666-671.

9.        Rukin S. N. High-power nanosecond pulse generators based on semiconductor opening switches // Instr. Exper.Tekh. 1999. 42(4). P. 439^67.

10.     Shpak V. G. et al. Amplitude Compression of High-Voltage Pulses in Subnanosecond Formers on Gas Spark Gaps // In Digest of Technical Papers of the 12th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Monterey, California, USA. 1999. V. 2. P. 692-695.

11.     Shpak V. G. et al. Investigations of compact high-current accelerators RAD AN 303 synchronization with nanosecond accuracy // Proc.of the 10th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1995. P. 544-549.

12.     Shpak V. G. et al. Synchronously Operated Nano- and Subnanosecond Pulsed Power Modulators. In Digest of Technical Papers of the 12th IEEE Int. Pulsed Power Conference. June 27-30. 1999. Monterey, California, USA. V. 2. P. 1472-1475.

13.     Elchaninov A. S. et al. Generation and amplification of microwave radiation with the use of high-current small-size accelerators // Proc.VI Int. Conf. BEAMS’86. Kobe, Japan. 1986. P. 552-555.

14.     Shpak V. G. et al. Compact High-Current, Subnanosecond Electron Accelerator // Proc. XI Int.Conf. BEAMS’96. Prague, Czech Republic. 1996. V. 2. P. 913-916.

15.     Yalandin Μ. I. et al. Generation of Powerful Subnanosecond Microwave Pulses Thorough the Band of 38-150 GHz // In Digest of Technical Papers of the 12th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Monterey, California, USA. 1999. V. 2. P. 863-866.

16.     Shpak V. G. et al. 1000-pps Subnanosecond High-Voltage Generator // Proc. of the 11th IEEE International Pulsed Power Conf. Baltimore, ML, USA. 1997. V. 2. P. 1575-1580.

Lyubutin S. K. et al. 38-GHz relativistic backward-wave tube based on a modulator with an inductive energy accumulator and a semiconductor current interrupter // Tech. Phys. Letters. 1999. V. 25. № 5. P. 377-379.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.