Теоретическое и экспериментальное исследование перспективных схем мощных электронных генераторов и усилителей, работающих от микроволнового до терагерцового диапазона

Объектами исследования являются мощные микроволновые генераторы и усилители для перспективных и актуальных приложений. Целями работы являются разработка мощных микроволновых генераторов и усилителей для актуальных приложений, расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, направленные как на улучшение характеристик данных приборов, так и на создание новых схем таких генераторов и усилителей. В результате выполнения данного этапа НИР были получены следующие основные результаты: 1. Исследован процесс стабилизации частоты двух гиротронов с внешним высокодобротным резонатором. Рассмотрены пары гиротронов для двух частотных диапазонов: разработанные для ITER гиротроны на частоте 170ГГц с рабочей модой ТЕ28.12, генерирующие излучение на 1-й гармонике гирочастоты, и созданные для технологических применений гиротроны на частоте 28ГГц c рабочей модой ТЕ02, излучающие на 2-й гармонике гирочастоты. 2. Развит метод синтеза эффективных гиротронных квазиоптических преобразователей, основанный на симбиозе метода интегрального уравнения электрического поля (EFIE) и процедуры синтеза многомодовых волноводных систем и адаптирован для расчета квазиоптических преобразователей излучения в узконаправленные волновые пучки 3. Разработана и испытана автоматизированная система управления и защиты гиротронного комплекса мегаваттного уровня мощности 4. Выполнены экспериментальные исследования нестационарных процессов в лампе бегущей волны сантиметрового диапазона длин волн со спиральной замедляющей системой. В условиях глубокой обратной связи продемонстрировано существование режимов самосинхронизации, в которых выходное излучение имеет вид последовательности коррелированных импульсов малой длительности. 5. Проведены теоретические исследования лампы бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн с замедляющей системой типа "петляющий волновод" с запаздывающей обратной связью. Расчеты выполнены как на основе усредненных уравнений, так и в рамках прямого численного моделирования уравнений Максвелла в сочетании с уравнениями движения макрочастиц. Показано, что на основе экспериментально реализованных ЛБВ W-диапазона могут быть реализованы источники шумоподобного излучения с относительной шириной спектра около 10%. 6. Выполнены экспериментальные исследования гирорезонансных ламп бегущей волны (гиро-ЛБВ) К-диапазона с киловаттным уровнем выходной мощности, в которых за счет формирования отражений выходного сигнала осуществлен переход к многочастотным режимам генерации. Показано существование режимов, представляющих значительный интерес для задач многочастотного нагрева плазмы, при которых уровень второй по интенсивности спектральной компоненты соизмерим с уровнем основной спектральной компоненты. Обсуждается проблема перегрева вакуумного окна при работе в условиях сильных отражений выходного излучения, формируемых широкополосным рефлектором брэгговского типа. 7. Разработана электродинамическая система ввода-вывода десятиствольной гиро-ЛБВ с десятью параллельными спирально-гофрированными волноводами, позволяющая, достичь импульсной мощности 200-400 кВт в полосе частот 92-98 ГГц. 8. Исследована возможность генерации шумоподобного излучения терагерцового диапазона в гиротронах в режиме умножения частоты. Показано, что при типичных для высокочастотных гиротронов значениях рабочего тока пучка необходимый уровень надкритичности может быть достигнут при снижении энергии электронов. На примере гиротрона диапазона 0.25 ТГц в моделировании продемонстрировано, что в режиме умножения частоты излучение с шириной спектра более 20 ГГц может быть получено на удвоенной частоте в диапазоне 0.5 ТГц. 9. Исследованы возможность СВЧ-переработки улеводородов (пиролиз) и методы диагностики диэлектрических параметров нефтесодержащих структур в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. 10. Рассмотрены варианты многопучковых гиротронных систем, перспективных для ДПЯ/ЯМР спектроскопии высокого разрешения. Проведен траекторный анализ многолучевых пушек, а также рассмотрено электронно-волновое взаимодействие в многоствольных гиротронах на высоких гармониках. 11. Теоретически и экспериментально исследовались прототипы генераторов поверхностной волны (ГПВ) с различными замедляющими структурами. Экспериментально получена стабильная селективная генерация поверхностной волны с уровнем мощности порядка 25 МВт на частоте 75 ГГц. Результаты предварительных экспериментов продемонстрировали возможность создания в дальнейшем ГПВ с выходной мощностью 100 МВт на частоте 200 ГГц 12. Исследована динамика гетеролазеров с планарными брэгговскими структурами. На основе анализа дисперсионного уравнения, описывающего распространение собственных волн в брэгговской структуре конечной ширины, дана физическая интерпретация механизма селекции мод, частоты которых расположены выше полосы запрещенной зоны. Показано, что стабильность повышается при использовании брэггговских структур с поперечными размерами, меньшими размеров активной зоны гетеролазеров с распределенной обратной связью, в результате чего режим одномодовой генерации поддерживается для большого диапазона уровней накачки и, соответственно, мощности излучения. 13. Исследованы режимы работы релятивистского гиротрона на второй и более высоких гармониках, а именно: - работа релятивистского гиротрона с модой ТЕ6.3 на второй гармонике; - возможные режимы генерации релятивистского гиротрона со связанными резонаторами на третьей гармонике гирочастоты; - влияние токов Фуко на возмущение магнитного поля и динамику формирования винтового пучка релятивистского импульсного гиротрона; - возможности существования мультипактора в скрещенных полях в 8-мм диапазоне длин волн.