С. Д Коровін, І. В. Пегель, С. Д. Полевін, В. В. Ростов Інститут потужнострумової електроніки СО РАН, Томськ

Найбільш інтенсивні дослідження НВЧ-генераторів з віртуальним катодом проводилися в 80-ті та на початку 90-х років [1-6]. Саме в цей час були отримані рекордні потужності генерації на установці “Aurora”, Harry Diamond Labs, США (середня потужність за імпульс – до 4 ГВт на частотах нижче 1 ГГц [7]). В даний час у пресі і раніше з’являється значна кількість публікацій, присвячених теоретичним дослідженням віркаторних систем. Разом з тим, коло лабораторій, провідних експериментальні дослідження в цій області, помітно звузився. Частково це, мабуть, пов’язано з яких місце у світі спадом інтересу до потужних джерел мікрохвильових імпульсів. З іншого боку, отримана в більшості експериментів з віркатора невисока ефективність генерації (-1%) приводила до необхідності використовувати в якості джерел високовольтних імпульсів надпотужні, а тому громіздкі, дорогі і складні в роботі лабораторні установки, при зростаючому інтересі до компактних, недорогим і, по можливості, імпульсно-періодичним пристроям.

Нижче представлений короткий огляд деяких експериментальних досліджень СВЧ- генераторів з віртуальним катодом, виконаних в останні роки. У сформованій класифікації виділяють відбивні тріоди, в яких віртуальний катод формується в гальмуючому потенційному полі (рис. 1, а), і власне віркатора, в яких формування віртуального катода відбувається в області з еквіпотенціальними кордонами (Рис. 1, б, в). В окрему групу іноді відносять редітрони – віркатора з магнітним полем, в яких потік електронів, відбитих від віртуального катода, відсікається коліматором для запобігання його повернення в доданий проміжок (рис. 1, г).

Рис. 1. Зміни СВЧ-приладів з віртуальним катодом: а – відбивний триод, б – аксіальний Віатор, в – радіальний віркатора, г – редітрон.1. Відбивні тріоди з віртуальним катодом

Дослідження триодов з віртуальним катодом тривають в Інституті ядерної фізики при Томському політехнічному університеті, де в кінці 70-х років почалися дослідження в даній області [2]. В експериментах з використанням надрозмірні циліндричного резонатора збільшення ефективності генерації було досягнуто шляхом оптимізації розподілу ВЧ-поля в резонаторі допомогою установки в його обсязі поглинаючих і відображають поверхонь. У дециметровому діапазоні (S-band) були отримані мікрохвильові імпульси потужністю до 1,2 ГВт і тривалістю більше 50 нс при ККД по потужності до 12%. Імпеданс системи становив близько 30 Ом. Було показано, що найкраща якість фазової сепарації електронів в тріоді досягається при цілком певній величині прозорості анодної сітки. Результати експериментів дозволили сформулювати вимоги до параметрів електронного пучка, необхідні для ефективної роботи тріода: наявність вираженої плоскої частини у імпульсу напруги і його мінімальна тривалість в десятки наносекунд (при роботі в S-band) [8].

Тріод з віртуальним катодом був використаний у складі джерела НВЧ-імпульсів на основі взривомагнітних генератора [9]. У даних експериментах отримані імпульси потужністю -100 МВт і тривалістю 100-200 нс на частоті -3 ГГц, при ефективності генерації -1%.

2. Аксіальні і радіальні віркатора

У РФЯЦ – ВНІІЕФ (м Саров) в аксіальному віркатора з високою (10-12-кратної) сверхкрітічно струму були отримані імпульси випромінювання з довжиною хвилі 3 см, з піковою потужністю -160 МВт при ефективності до 11% і тривалості імпульсу 15-20 нс [4]. У віркатора з стрічковим електронним пучком були отримані імпульси піковою потужністю -150 МВт і тривалістю більше 120 нс, причому генерація протягом імпульсу спостерігалася послідовно на частотах 1,7, 3,2 і 4,2 ​​ГГц [10]. В інших експериментах [11] була продемонстрована можливість отримання генерації в 3-см діапазоні з ефективністю до 16% в лампі біжить хвилі, забезпеченою анодної сіткою і працює в режимі віртуального катода.

У Техаському технологічному університеті (США) проводяться дослідження вірката з радіально сходящимся електронним пучком [12]. Збільшення добротності напіввідчиненого резонатора з хвилею, що біжить за рахунок введення додаткових віддзеркалень дозволило збільшити потужність генерації на частоті -2 ГГц з 400 до 900 МВт при ефективності по потужності 5,5% і тривалості імпульсу близько 30 нс на напіввисоті [13]. Імпеданс вакуумного діода віркатора становив близько 12 Ом.

3. віркатора з попередньою модуляцією електронного пучка

Перші експериментальні дослідження в даній області були виконані в ХФТІ АН України [14]. Реалізація електродинамічної зворотного зв’язку шляхом відгалуження частини генерується потужності в прискорює проміжок вакуумного діода (рис. 2, а) дозволила отримати СВЧ-імпульси потужністю до 600 МВт в сантиметровому діапазоні довжин хвиль. У приладі було використано зовнішнє магнітне поле напруженістю 2-6 кЕ. Ефективність генерації досягала 17%, імпеданс вакуумного діода становив 30-35 Ом.

З 1996 року дослідження віркатора з попередньою модуляцією електронного пучка і двосекційними електродинамічними системами проводяться в ІСЕ СО РАН [15-17]. Був проведений теоретичний аналіз основних механізмів генерації НВЧ-випромінювання в приладах з віртуальним катодом (пряма модуляція струму, пов’язана з коливаннями потенціалу віртуального катода в ВЧ-поле, механізм угруповання електронів типу “отражательногоРіс. 2. віркатора з попередньою модуляцією електронного пучка в вакуумному діоді (а) [14] і в модулюючим секції електродинамічної системи (б) [15-17]: 1 – короткозамикающего поршні, оллектор електронів, 3 – фазообертач, 4 – соленоїд, 5 – модулирующий зазор, 6 – отвір зв’язку.

клистрона “, обумовлений позиційними коливаннями ВК, і інерційна угруповання відображених частинок, істотна при нерелятівістскіх енергіях електронів). Було показано, що використання в віркатора двухзазорной електродинамічної системи теоретично дозволяє за рахунок зсуву фаз між ВЧ-коливаннями в секціях (і здійснення таким чином сприятливого розподілу ВЧ-поля вздовж траєкторії електронів) досягти при невеликій (-30%) надкритичність струму і γ -2-3 ефективності генерації до -20% в треерой моделі і -40% в одновимірної моделі, що більш ніж втричі перевищує ефективність однозазорной системи при аналогічних умовах. Значна (-20%) ширина смуги електронної сприйнятливості поблизу частоти релаксаційних коливань електронного потоку з віртуальним катодом дає можливість зміни частоти генерації за рахунок відповідної настройки електродинамічної системи.

Досягнення зазначеної високої величини ефективності в реальному експерименті стримується необхідністю одночасного задоволення великого числа взаємопов’язаних фізичних умов (ширина зазорів, фазировка і співвідношення амплітуд ВЧ-полів у секціях, формування потужнострумового електронного пучка з заданими параметрами).

На основі результатів чисельного експерименту, виконаного із залученням тривимірної версії електромагнітного PIC-коду KARAT, був розроблений експериментальний макет двосекційного віркатора без зовнішнього магнітного поля, з синфазними полями в секціях (рис. 2, б). На відміну від генератора, описаного в [14], попередня модуляція пучка в даному приладі відбувається не в вакуумному діоді, а в першій секції електродинамічної системи. Робоча сверхкрітічно струму пучка в приладі становить 30-50%.

Рис. 3. Залежність потужності й ефективності генерації дециметрового віркатора від потужності електронного пучка.

В експериментах з використанням потужнострумового імпульсно-періодичного електронного прискорювача в дециметровому діапазоні довжин хвиль (2,65 ГГц) була отримана одномодова генерація потужністю до 1 ГВт і тривалістю -25 Нс при ефективності генерації -5%. При варіюванні потужності електронного пучка ефективність генерації віркатора практично не змінювалася (рис. 3). Ширина спектра склала близько 50 МГц, т. Е. Була близька до природної. Одним з факторів, що обмежили величину ефективності, виявився істотний дрейф параметрів електронного пучка протягом імпульсу, властивий потужнострумових диодам без магнітного поля. Разом з тим, частота генерації змінювалася як протягом імпульсу, так і від імпульсу до імпульсу, що доводить визначальний вплив Резо-нансних властивостей електродинамічної системи. За рахунок варіювання параметрів резонатора вдалося реалізувати безперервну перебудову частоти генерації віркатора в смузі ~ 15% на половинному рівні потужності.

З використанням віркатора дециметрового діапазону на основі електронного прискорювача СИНУС-7 був продемонстрований пакетний імпульсно-періодичний режим генерації. Потужність випромінювання в кожному імпульсі становила близько 100 МВт, тривалість – 20-25 нс. Максимальна кількість імпульсів у пакеті було обмежено руйнуванням сітки, що розділяє секції віркатора, і було дорівнює приблизно близько 50 при частоті проходження імпульсів 50 Гц і 400 при частоті 20 Гц.

Віркатора з робочою частотою 2,65 ГГц успішно працював у складі компактного мікрохвильового джерела з генератором високовольтних імпульсів на основі індуктивного накопичувача і розмикача на вибухають провідниках [17]. У цих експериментах були отримані СВЧ-імпульси з піковою потужністю -300 МВт та ефективністю -5% при тривалості -50 нс. Частота генерації була постійною, незважаючи на зміну імпедансу вакуумного діода протягом імпульсу більш ніж в 2 рази.

* * *

Аналіз тенденцій досліджень, що проводяться в останні роки, дозволяє зробити висновок, що прогрес робіт в області створення конкурентоспроможних СВЧ-джерел з віртуальним катодом слід пов’язувати з вирішенням наступних завдань:

1)       розробка електродинамічних систем з оптимальними характеристиками з точки зору досягнення максимальних ККД і здійснення управління частотою генерації;

2)       поліпшення просторово-часових характеристик сільноточних електронних пучків, формованих у вакуумних діодах зі взривоеміссіоннимі катодами без магнітного поля. Однією з можливостей цього є використання високовольтних імпульсів з коротким фронтом;

3)       вдосконалення компактних генераторів високовольтних імпульсів;

4)       реалізація умов транспортування сільноточних електронних пучків в електродинамічних системах, що забезпечують можливість імпульсно-періодичної роботи віркатора.

Література

1.        Granatstein V. L., AlexeffL High-Power Microwave Sources. Artech House. Boston. London, 1987.

2.        Діденко A. H. і dp. // Плазмова електроніка. Київ: Наукова думка, 1989. С. 112-131.

3.        Рухадзе А. А. та ін. І Радіотехніка та електроніка. 1992, № 3. С. 385-396.

4.        Селемір В. Д. та dp. І Фізика плазми. 1994. Т. 20. Вип. 7, 8. С. 689-708.

5.        Дубина А. Е., Селемір В. Д. І Зарубіжна радіоелектроніка. 1995, № 4. С. 54-55.

6.        GoldS. Я, Nusinovich G. S. І Rev. Sci. Instr., 1997. V. 68, № 11. Р. 3945-3974.

7.        Huttlin G. A., et al. H IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V. 18. P. 618.

8.        Didenko A. N., et al. / Proc. 12th Int. Conf. on High Power Particle Beams (BEAMS’98). Haifa, Israel. June 7-12, 1998. P. 65-68.

9.        Азаркевич E. І. та dp. І Теплофизика високих температур. 1994. T. 3. С. 127.

10.     Дубина А. Е. і dp. І Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22, вип. 1. С. 16-20.

11.     Селемір В. Д., Дубина В. Д. І Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, вип. 14. С. 25-29.

12.     Jiang W., et al. І IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V. 27, № 5. P. 1538-1542.

13.     Jiang W., et al. H IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V. 27, № 5. P. 1543-1544.

14.     Гадецький Η. П. та ін. І Фізика плазми. 1993. T. 19, вип. 4. С. 530-538.

15.     Korovin S. D„ et al. / Proc. 11th IEEE Pulsed Power Conf. Baltimore. June 29 – July 2, 1997. P. 736-741.

16.     Kitsanov S. A., et al. / Proc. 1st Int’l Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. 24-29 Sept 2000. Tomsk, Russia. V. 2. P. 423—428.

17.     Єфремов A. M. і dp. // Листи в ЖТФ. 2001. T. 27, вип. 7. С. 57-63.

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