Разработка и исследование релятивистских гиротронов миллиметрового диапазона длин волн

Повышение мощности и частоты выходного излучения генераторов электромагнитного излучения является магистральной линией развития высокочастотной вакуумной электроники. На современном этапе речь идет, в частности, о получении в миллиметровом диапазоне длин волн импульсной мощности субгигаваттного уровня. Такие источники представляются перспективными для ряда приложений, таких как создание микроволновых ондуляторов для мощных рентгеновских ЛСЭ, импульсная спектроскопия, мониторинг атмосферного озона и других. С повышением рабочей частоты значительный интерес представляют именно гиротроны, обладающие рядом преимуществ, в частности перед черенковскими приборами, поскольку не имеют мелкомастштабных элементов по сравнению с длиной волны и обладают хорошей модовой селективностью, позволяющей использовать для эффективной работы моды высокого порядка. Таким образом, проблема повышения рабочей частоты и эффективности гиротронов с сильным релятивизмом представляется достаточно актуальной. В рамках диссертационной работы Разработан и экспериментально реализован релятивистский гиротрон с термоэмиссионым инжектором, работающий в 3-мм диапазоне длин волн. Мощность выходного излучения гиротрона в импульсах длительностью 300 нс составила более 5 МВт при КПД порядка 20%. Для реализации суб-ГВт релятивистских гиротронов разработана и экспериментально протестирована электронно-оптическая система с взрыво-эмиссионным катодом, способная формировать винтовые электронные пучки с энергией частиц 500 кэВ, током до 2 кА, питч-фактором порядка 1 и разбросом по поперечным скоростям порядка 40%. Для оптимизации условий электронно-волнового взаимодействия в сильноточных релятивистских гиротронах предложено использовать резонаторы в виде набора радиально ориентированных металлических пластин, в которых обеспечивается эффективная дискриминация вращающихся мод ТЕ-типа. В результате оказывается возможным селективное возбуждение ТМ-мод, имеющих сравнительно низкий импеданс связи с электронами, что, как показывает численное моделирование, позволяет освоить высокие (килоамперные) токи с сохранением высокой (~20%) эффективности генерации. Экспериментально продемонстрирована работоспособность релятивистских гиротронов 8-мм-диапазона с рабочими токами, составляющими около 40% от предельного тока транспортировки, при возбуждении мод ТЕ- и ТМ-типов. В результате получено выходное излучение с импульсной мощностью ~40 МВт. Предложен новый тип сверхразмерных продольно-щелевых резонаторов, в которых обеспечивается связь ТЕ-мод с разностью азимутальных индексов кратной числу щелей. В результате формируется высокодобротная собственная мода с малыми радиальными потерями на критических частотах. В рамках трехмерного численного моделирования показано, что при использовании резонаторов такого типа возможна реализация субтерагерцовых сильноточных релятивистских гиротронов с мощностью выходного излучения в десятки мегаватт. На основе численного моделирования исследован режим умножения частоты в релятивистских гиротронах. Показано, что при возбуждении высоких циклотронных гармоник в гиротронах с рабочими частотами 35 и 100 ГГц отношение мощности высокочастотного излучения к мощности излучения на основной гармонике составляет ~0.4–0.5% для третьей гармоники и ~0.1% для пятой гармоники, что на несколько порядков выше величин, характерных для традиционных гиротронов со слаборелятивистскими пучками.