Создание и экспериментальное исследование новой неадиабатической электронно-оптической системы для мощных высокоэффективных длинноимпульсных и непрерывных гиротронов, способных работать в диапазоне частот 30-300 ГГц.

Разработана концепция неадиабатической системы формирования винтового электронного пучка (ВЭП), где влияние тепловых скоростей электронов и шероховатости эмиттирующей поверхности может быть существенно уменьшено по сравнению с традиционными электронно-оптическими системами гиротронов, что делает возможным существенное повышение питч-фактора и за счет этого КПД гиротрона. Развита приближенная аналитическая теория формирования винтового электронного пучка в неадиабатической триодной электронно-оптической системе (ЭОС). Для более гибкого управления величиной питч-фактора электронного пучка предложено включать в магнитную систему пару катушек Гельмгольца со встречными направлениями собственных осевых магнитных полей. Развита методика синтеза указанных электронно-оптических систем, позволяющая получить исходную геометрию электродов и магнитной системы для последующего траекторного анализа. Выполнены траекторный анализ и оптимизация неадиабатичесой ЭОС для проекта технологического низковольтного (15 кВ) гиротрона с рабочим магнитным полем 6,5 кГс и током пучка 3 А. Показано, что в оптимизированной ЭОС разброс осцилляторных скоростей уменьшается в 1,5 - 2 раза по сравнению с традиционной магнетронно-инжекторной пушкой гиротрона, что позволяет достичь питч-фактора, равного 2, без отражения электронов магнитным зеркалом. Произведены расчеты неадиабатических ЭОС для технологического гиротрона на частоте 24 ГГц с выходной мощностью 10 кВт и гиротрона для нагрева термоядерной плазмы на частоте 170 ГГц с выходной мощностью 1 МВт. Траекторный анализ проведен для ЭОС в режимах температурного ограничения эмиссии (Т-режим) и ограничения тока пространственным зарядом (ОТПЗ-режим). В технологическом гиротроне на частоте 24 ГГц с напряжением пучка 15 кВ при токе 3 А и среднем питч-факторе (отношении вращательной скорости электронов к их поступательной скорости) g = 1,6 разброс вращательных скоростей в Т-режиме составил dv = 12 - 15%. В ОТПЗ-режиме разброс скоростей существенно превышает эти значения уже при токе 2 А. Синтез и последующая оптимизация геометрии ЭОС для мощного 170 ГГц/80 кВ/30 А-гиротрона с триодной электронной пушкой показывают, что большее магнитное поле на катоде позволяет реализовать приемлемое качество электронного пучка как в Т-режиме (питч-фактор g = 1,6; разброс осцилляторных скоростей dv = 30%), так и ОТПЗ-режиме. В последнем случае качество пучка оказывается даже несколько выше (g = 1,6; dv = 23%). Разработана конструкция неадиабатической ЭОС для технологического гиротрона, работающего в Т-режиме, на основе расчетов поля температур, термомеханических напряжений и распределения электрического поля в области диэлектрических вставок, которая обеспечивает хорошую прочность и отсутствие пробоев, позволяет проводить юстировку электронно-оптической системы. Учтены технологические ограничения по размещению элементов откачки, подачи высокого напряжения и охлаждения конструкции. Найдена оптимальная геометрия магнитной системы, состоящая из основного соленоида и регулирующих магнитное поле вблизи катода катушек и обеспечивающая минимальное энергопотребление. Для снижения мощности питания катодных катушек предложено использовать специальную ферромагнитную вставку между катушками. Для оценки погрешностей экспериментального измерения параметров ВЭП методом тормозящего электрического поля разработана методика трехмерного численного моделирования анализатора ВЭП, основанная на использовании препроцессора для дискретизации параметров пучка на входе в анализатор и постпроцессора для обработки данных траекторного анализа. Траекторный анализ выполнен при помощи коммерческого кода CST STUDIO SUITE. Оценка погрешности, вносимой анализатором, проведена на основе сравнения функций распределения по вращательным скоростям, задаваемых на входе в анализатор и рассчитанных по полученной кривой отсечки коллекторного тока. Рассмотрены наиболее типичные для ВЭП одно- и двугорбая функции распределения. Показано, что форма восстановленной функции близка к задаваемой на входе. Отмечено небольшое смещение правого склона функций в сторону больших вращательных скоростей, что приводит к завышению питч-фактора и скоростного разброса на 2 - 3% уже при питч-факторах более 1,2. Вносимые анализатором искажения увеличиваются по мере увеличения питч-фактора. Разработаны чертежи анализатора параметров ВЭП на основе метода тормозящего поля и чертежи неадиабатической ЭОС. Подготовлен экспериментальный стенд для тестирования неадиабатической ЭОС технологического гиротрона с рабочей частотой 24 ГГц и последующего проведения экспериментов в режиме генерации.