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

1.                                                                                          Введення

Спектр розвиваються і досліджуваних у різних лабораторіях мікрохвильових генераторів з релятивістськими електронними пучками, які здатні працювати в імпульсноперіодіческом режимі, поділяється на сімейства, розрізняються діапазонами генеруються довжин хвиль, механізмами вимушеного випромінювання частинок, типами катодів, специфікою високовольтних джерел живлення [1]. Найпростіше поділ на дві групи можна провести відповідно до того, використовується чи ні в мікрохвильових пристроях зовнішнє магнітне поле для транспортування електронного пучка.

Серед генераторів, що не вимагають витрат енергії на створення зовнішнього магнітного поля, слід назвати релтрони (Reltrons, Titan Pulse Sciences, Inc. [2]). У дециметровому діапазоні довжин хвиль вони можуть забезпечувати імпульсну потужність 400-500 МВт з ефективністю 40% при тривалості імпульсів понад 100 нс в режимі пакетів {burst mode) з частотою повторення близько 100 Гц [3]. Близько параметри мікрохвильового випромінювання, але з меншою ефективністю (~ 5%), забезпечує віркатора зі зворотним зв’язком на частоті

1,5     ГГц (L-band), який продемонстрував працездатність з частотою повторення 20 Гц протягом 20сі50Гц-в пакеті з тривалістю 1 с [4]. Проблеми руйнування сіток і надійності катодів обмежують ресурс таких пристроїв, а з іншого боку, знижують їх конкурентоспроможність в більш короткохвильовому діапазоні довжин хвиль. Саме проблема катодів в значній мірі перешкоджає реалізації імпульсно-періодичних режимів в генераторах типу MILO [5].

У довгохвильовій частині сантиметрового діапазону довжин хвиль (S-band) відносно невеликі магнітні поля (0,4 Т) принципово необхідні для роботи релятивистского магнетрона [6] з потужність ^ до 200 МВт в імпульсах тривалістю 45 нс (в безперервному режимі – до 8 Гц, в пакетному – до 320 Гц). У проведених експериментах магнітне поле створювалося електромагнітом, споживає 40 кВт, а в якості високовольтного джерела застосований модуль лінійного індукційного прискорювача. Пакетний режим використовується і для довгохвильових релятивістських магнетронов і підсилюючих клистронов гігаватного рівня потужності [7, 8].

Для освоєння в імпульсно-періодичному режимі сантиметрового і значної частини міліметрового діапазону довжин хвиль в кращому становищі опиняються генератори черенковского типу. Серед них виділяється достатньо адаптивна до зміни параметрів пучка лампа зворотної хвилі (ЛОВ), цілком закономірно стала першим реалізованим релятивістським генератором в імпульсному [9] та імпульсно-періодичному режимах (Частота повторення 50 Гц) [10].

У даній роботі дано короткий огляд результатів, отриманих в ІСЕ СО РАН протягом кількох останніх років на основі потужнострумових імпульсно-періодичних прискорювачів “Синус” [11-14]. В даний час розроблені прискорювачі з енергією електронів 0,2-2 МеВ, струмом 0,2-20 кА, тривалістю імпульсів 4-50 нс і частотою проходження імпульсів до 1000 Гц. Ці прискорювачі компактні і надійні в силу ряду особливостей побудови схеми. Крім цього, завдяки ряду випробувань і удосконалень окремих вузлів, прискорювачі “Синус” мають ряд переваг перед розвиваються в даний час прискорювачами з іншими схемами формування наносекундних високовольтних імпульсів [15, 16]. Подальше підвищення частоти повторення і стабільності високовольтних наносекундних імпульсів, мабуть, можуть забезпечити модулятори на основі напівпровідникових ключів [17].

Залежність генерується потужності від величини магнітного поля в релятивістських черенковських генераторах має складний вид [18-21]. Відсутність генерації в деякій області магнітних полів пов’язано з циклотронним поглинанням зустрічній електромагнітної хвилі [21]. Даний ефект призводить до порушення стартових умов як в генераторах з фіксованою поздовжньої структурою поля [20, 22], так і у випадку лампи зворотної хвилі [23, 24]. Для ЛОВ з робочою модою ΤΜ0ι і довжиною хвилі λ »3,2 см точному резонансу відповідає індукція поля В« 0,8 Т для енергії електронів 300 кеВ [21] і 1,3 Т для енергії 500 кеВ [19, 24]. Ширина “провалу” досить велика (АВ / В »1), і це характерно для генераторів з Потужнострумові електронними пучками [24, 25], так як параметр силовий угруповання частинок пропорційний струму пучка в ступені 1/2, а параметр інерційної угруповання частинок пропорційний / £/3. Максимальні значення ККД в експериментах досягаються, якщо магнітне поле в 1,5-2 рази перевищує значення, відповідне точному резонансу [26]. В області менших по відношенню до резонансу магнітних полів типові значення генерується потужності виявлялися багато менше, ніж в сильних полях. Однією з причин падіння ефективності генерації в слабких магнітних полях є зростання поперечних швидкостей і збільшення розкиду поздовжніх швидкостей електронів в пучку [24]. Тому при великій частоті проходження імпульсів зазвичай застосовувалися надпровідні магніти [27-29]. В останні роки реалізовані пакетні режими, коли сильне магнітне поле (~ 3 Т) всередині “теплого” соленоїда існує протягом обмеженого проміжку часу ~ 1 с [30].

Інший напрям досліджень було пов’язано зі спробами підвищення ККД в слабких магнітних полях (у межі таких, які можуть бути створені постійними магнітами) за рахунок модифікації релятивістської ЛОВ, пов’язаної з переходом до пространственноразвітой замедляющей системі [25].

2.                                                                                    Пакетний режим

Для створення магнітного поля з індукцією ~ 3 Т в обсязі ~ 1 дм3 на основі часткового розряду ємнісного накопичувача запасна в ньому енергія повинна складати ~ 1 МДж,

Рис. 1. Пакет з 100 імпульсів, що реєструються мікрохвильовим детектором щоб спад поля не перевищував ΙΟΙ 5%. Накопичувач на основі молекулярних конденсаторів (типу ике 57/160), що володіють досить високим значенням щільності енергії, що запасається (~ 2,5 кДж / кг), має цілком прийнятні розміри. Такий підхід дозволив створити кілька мікрохвильових генераторів з максимальною випромінюваної потужністю до 700 МВт в діапазоні 9-10 ГГц. Тривалість імпульсів знаходилася в межах від 15 до 30 нс, частота повторення – до 200 Гц при тривалості магнітного поля 1-3 с (рис. 1). Пауза між пакетами им-

пульсов перевищувала 30-40 с, а середня розсіює в соленоїді потужність могла становити одиниці кіловат.

У пакетному режимі полегшується рішення таких технічних завдань, як охолодження соленоїда і деяких вузлів прискорювача, і стає можливою реалізація в режимі пакетів частот повторення імпульсів 600-1000 Гц [28]. Максимальна частота повторення в цих випадках обмежується зростанням розкиду амплітуд напруги, при яких відбувається пробій газу в розряднику.

Один із створених мікрохвильових генераторів з імпульсною потужністю до 500 МВт і тривалістю імпульсів 15 нс розміщувався в транспортному контейнері, причому обсяг, займаний джерелом живлення соленоїда, не перевищував 0,5 м3. Для формування гауссова пучка використовувалася електродинамічна система, що забезпечує порівняно малі втрати енергії (2-4%) в кроссполярізованное випромінювання.

3.                                                                  Режим слабких магнітних полів

Якість потужнострумового електронного пучка може бути покращено, якщо при заданому зовнішньому магнітному полі зменшити електричне поле на катоді, наприклад, шляхом збільшення поперечних розмірів катода, анода і сповільнює системи. Примітно, що такий крок одночасно призводить до ослаблення ролі поперечного взаємодії в ЛОВ (звуження смуги магнітотормозного резонансу) при збереженні робочого типу хвилі ΤΜ0ι [25]. Однак в традиційною схемою побудови ЛОВ з хвилею ΤΜ0ι така мета важкодосяжним, оскільки розмір пучка обмежений зверху діаметром відрізка позамежного звуження («2 см для λ« 3 см). Іншою проблемою, що виникає при переході до надрозмірні системам, є проблема селекції типів хвиль. Один з можливих рецептів вирішення даного завдання був відомий і полягав у використанні робочої хвилі більш високого типу, коли для певного радіуса пучка можна, теоретично, звести до нуля ефект циклотронного поглинання [31]. Виправдовуючи себе як метод циклотронної селекції хвиль, цей спосіб обмежує можливості підвищення ККД в силу значного видалення частинок пучка від стінок ЗС. Обмежені і можливості подальшого зниження магнітного поля. Зазначені вище проблеми можуть бути дозволені при збереженні робочої хвилі ТМ0ь якщо для виведення випромінювання використовувати селективний резонансний відбивач, одночасно грає роль модулюючим секції [25, 32, 33]

(Рис. 2). Зростання амплітуди поля в області рефлектора пов’язано з наявністю замкненою моди ТМ02- Відстань між замедляющей системою і рефлектором (L & на рис. 2) задає фазу високочастотного струму щодо синхронної гармоніки хвилі. Теоретичні та експериментальні дослідження схеми показали можливість підвищення ККД в слабких магнітних полях [25]. В експерименті з використанням імпульсного соленоїда (напруга на катоді 600 кВ, струм пучка 5,5 кА) потужність СВЧ-випромінювання з довжиною хвилі λ «3 см могла становити 0,8 ГВт при індукції магнітного поля 0,6 Т. Отриманий результат дозволив реалізувати імпульсно-періодичний режим релятивістської ЛОВ з імпульсною потужністю до 500 МВт (енергія електронів – до 530 кеВ, струм – до 5 кА) і частотою повторення до 150 Гц на основі охлаждаемого соленоїда постійного струму (0,6 Т) з споживаної потужністю 20 кВт [30, 33].

Рис. 2. Схема релятивістської ЛОВ з резонансним рефлектором

Як показали випробування, розроблений релятивістський СВЧ-генератор має високий ресурс роботи, порядку 108 імпульсів [34]. Обмеження ресурсу може бути пов’язано з винесенням матеріалу катода. Для графіту в умовах експериментів ця величина склала 1,7 · 10-4 г / Кл. На рис. 3 наведені типові осцилограми напруги (а), струму (б) і сигналів, що реєструються мікрохвильовим детектором (в) .Ріс. 3. Вибірка з 15 послідовно чергуються сигналів в режимі роботи релятивистского СВЧ-генератора з частотою проходження імпульсів 150 Гц.

Таким чином, в результаті проведених досліджень створено ряд потужних мікрохвильових джерел, здатних працювати з великою частотою повторення імпульсів.

Література

1.        Gold S. H.f Nusinovich G. S. Review of high-power microwave source research // Rev. Scient. Instr. 1997. V. 68, № 11. P. 3945-3974.

2.        Miller R. B., Muehlenweg C. A., Habiger K. W., and Clifford J. R. Super-reltron progress // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. V. 22, № 5. P. 701-705.

3.        Schamiloglu E., Barker R. J. Recent achievements in the university HPM research program in the United States // Proc. 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Tomsk, Russia. 2000. V. 2. P. 393-398.

4.        Kitsanov S. A., Klimov A. /., Korovin S. D., et al. Tunable L-band and S-band Gigawatt Vircators with feedback // Proc. 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Tomsk, Russia. 2000. V. 2. P. 423-428.

5.        Haworth M., Baca G., Benford J., et al Significant pulse-lengthening in a multigigawatt magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. V. 26, № 5. P. 698-703.

6.        Бутаков Л. Д., Вінтізенко І. І., Гусельников В. І. та ін. Імпульсно-періодичний релятивістський магнетрон // Листи в ЖТФ. 2000. Т. 26, вип. 13. С. 66-70.

7.        Benford J. N., Cooksey N. J., Levine J. S., and Smith R. R. Techniques for high                power microwave sources at high

average power // IEEE Trans. Plasma Sci. 1993. V. 21, № 4. P. 388-392.

8.        Levine J. S., Harteneck B. D. Repetitively pulsed relativistic klystron amplifier               // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65,

№ 17. P.2133-2135.

9.        Ковальов Η Ф., Петелин M. H, Райзер M. Д. та ін. Генерація потужних імпульсів електромагнітного випромінювання потоком релятивістських електронів // Листи в ЖЕТФ. 1973. Т. 18, № 4. С. 232-235.

10.     Білоусов В. І., Бункин Б. В., Гапонов-Гріхів А. В. та ін. Генерація потужного мікрохвильового випромінювання потоком релятивістських електронів в режимі періодичного проходження імпульсів // Листи в ЖТФ. 1978. Т. 4, № 23. С. 1443-1448.

11.     Місяць Г. А. Генерування потужних наносекундних імпульсів. М .: Сов. радіо, 1974. 256 с.

12.     Загулів Ф. Я., Борисов І. Я., Власов Г. Я. та ін. Імпульсний наносекундний потужнострумовий прискорювач електронів з частотою спрацьовування 100 Гц // ПТЕ. 1976, № 5. С. 18-20.

13.     Єльчанінов А. С., Загул Ф. Я., Коровін С. Д. та ін. Потужнострумові імпульсно-періодичні прискорювачі електронів для генераторів СВЧ-випромінювання // Релятивістська високочастотна електроніка. Горький: ІПФ АН СРСР, 1981. Вип. 2. С. 5-21.

14.     Коровін С. Д, Ростов В. В. Потужнострумові наносекундні імпульсно-періодичні прискорювачі електронів на основі трансформатора Тесла // Изв. вузів. Фізика. 1996, № 12. С. 21-30.

15.     Wilson С. R., Erickson GA, and Smith Р. W. Compact, repetitive, pulsed power generators based on transmission line transformers // Proc. 7th IEEE Pulsed Power Conf. Monterey, 1989. P. 108-112.

16.     Schneider L., Reed K, Harjes H., et al. Status of repetitive pulsed power at Sandia National Laboratories // Proc. 12th IEEE Pulsed Power Conf. Monterey, 1999. V. 1. P. 523-527.

17.     Lyubutin S. K, Mesyats G. A., Rukin S. N., et al. Nanosecond microwave generator based on the relativistic 38-GHz В WO and all-solid-state pulse power modulator // Proc. 12th IEEE Pulsed Power Conf. Monterey, 1999. V. 1. P. 2005.

18.     Іванов В. С., Кременцов С. І., Куценко В. A., et al. Дослідження релятивистского черенковского автогенератора // ЖТФ. 1981. Т. 51, № 5. С. 970-975.

19.     Mesyats G. A., Zagulov F. Y., Elchaninov A. S., et al. The reb pulse-periodic microwave generators //Proc. 4th Int. Conf. on High Power Electron and Ion Beam Research and Technology. Palaiseau. 1981. V. 2. P. 847-852.

20.     Александров А. Ф., Афонін А. М., Галузо С. Ю. та ін. Релятивістські черенковськие генератори з резонансними замедляющими системами // Релятивістська високочастотна електроніка. Горький: ІПФ АН СРСР, 1981. Вип. 2. С. 145-169.

21.     Зайцев Н. І., Ковальов Η. Ф., Кольчугин Б. Д., Фукс М. І. Експериментальне дослідження релятивістського карсінотрона // ЖТФ. 1982. Т. 52, вип. 8. С. 1611-1617.

22.     Зайцев Н. І., Ковальов Η. Ф., Кольчугин Б. Д. та ін. Генерація мод шепоче галереї релятивістським електронним пучком в умовах черенковского синхронизма // Тез. доп. 4-го Всесоюз. симпозіуму з сільночной електроніці. Томськ. 1982. Т. 2. С. 136-138.

23.     Буніна Н. К, Коровін С. Д, Ростов В. В. Стартові умови ЛОВ поблизу циклотронного резонансу // Тез. доп. 6-го Всесоюз. симпозіуму з потужнострумової електроніці. Томськ. 1986. Т. 3. С. 23-25.

24.     Биков Η. М., Губанов В. П., Бунін А. В. та ін. Релятивістські імпульсно-періодичні СВЧ-генератори сантиметрового діапазону довжин хвиль // Релятивістська високочастотна електроніка. Горький: ІПФ АН СРСР, 1988. Вип. 5. С. 101-124.

25.     Куркай І. К, Ростов В. В., Тотьменінов В. І. Про можливість зниження магнітного поля в релятивістській ЛОВ // Листи в ЖТФ. 1998. Т. 24, № ю. С. 43-47.

26.     Єльчанінов А. С., Загул Ф. Я., Ковальов Η. Ф. та ін. Високоефективний релятивістський карсінотрон // Листи в ЖТФ. 1980. Т. 6, № 7. С. 1443-1447.

27.     Коровін С. Д., Ростов В. В., Сморгонский А. В. Імпульсно-періодичний релятивістський карсінотрон // Изв. вузів. Радіофізика. 1986. Т. 29, №10. С. 1278-1280.

28.     Биков Η. М., Губанов В. П., Бунін А. В. та ін. Релятивістський карсінотрон з високою середньою потужністю // ЖТФ. 1989. Т. 59, № 5. С. 32-38.

29.     Bunkin В. V., Gaponov-Grekhov А. V., Elchaninov AS, et al. Nanosecond Radar System based on Repetitive Pulsed Relativistic В WO // Proc. 9 Int. Conf. on High Power Particle Beams. 1992. V. 1. P.192-205.

30.     Rostov V. V., Gunin A. V., Korovin S. D., et al. Repetitively-Pulsed Operation of the Relativistic В WO // Proc. 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Tomsk, Russia. 2000. V. 2. P. 408-411.

31.     Абубакіров 3. Б., Бєлоусов В. І., Варганов В. Н. та ін. Експериментальна реалізація методу ціклотроннорезонансной селекції мод в релятивістських електронних високочастотних генераторах черенковского типу // Листи в ЖТФ. 1983. Т. 9, № 9. С. 533-536.

32.     Gunin А. V., Korovin S. D., Kurkan I. К, et al. Relativistic В WO with electron beam pre-modulation // Proc. 12th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Haifa. 1998. P. 849-852.

33.     Коровін С. Д., Куркай І. К, Ростов В. В., Тотьменінов Є. М. Релятивістська ЛОВ із зосередженим резонансним рефлектором // Изв. вузів. Радіофізика. 1999. Т. 42, № 12. С. 1189-1196.

Gunin А. V, Landl V. Б., Korovin S. D., et al. Experimental studies of long-lifetime cold cathodes for high power microwave oscillators // IEEE Trans. Plasma. Sci. 2000. V. 28, № 3. P. 437-541.

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