Создание мощных источников электромагнитного излучения ЭЦР диапазона

Объектами исследования являются мощные источники электромагнитного излучения ЭЦР диапазона. 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. Рассмотрены особенности гиротронов терагерцового диапазона, предназначенных для различных спектроскопических и диагностических приложений. Проанализированы преимущества и недостатки, отработанного канонического типа гиротрона с учётом современных требований к источникам терагерцового диапазона. Представлены перспективные неканонические схемы, особенности которых в некоторых отношениях выгодно отличают их от канонической схемы гиротрона в терагерцовом диапазоне. Представлен новый тип гиротрона — многоствольный гиротрон, позволяющий существенно уменьшить стоимость и габариты гиротронной установки. 2. Проведены анализ и оптимизация электродинамической системы 780 ГГц гиротрона на второй гармонике гирочастоты для спектроскопии. 3. Разработан проект МИП для гиротрона 700 ГГц на второй гармонике. 4. Предложены резонаторы с фазовыми корректорами для мощных гиротронов. 5. Теоретически исследована возможность создания источников высокочастотного излучения на основе эффекта умножения частоты в мощных (мегаваттных и суб-мегаваттных) гиротронах, предназначенных для плазменных приложений. В этом случае, достигается увеличение мощности на циклотронных гармониках (ЦГ), как за счет более высокой мощности генерации на основном циклотронном резонансе, так и за счет более точного выполнения условий двойного резонанса для рабочих мод высокого порядка. Выполненное моделирование для гиротрона 170 ГГц/ 2 МВт показало, что мощность излучения на второй ЦГ может достигать сотен ватт при коэффициенте конверсии на порядок выше, чем полученные ранее в экспериментах с гиротронами киловаттного уровня мощности. Аналогичные результаты получены для третьей и четвертой гармоник гирочастоты. Для расширения зоны возбуждения высоких ЦГ в режиме умножения частоты предложено использовать захват гиротрона внешним сигналом, который подавляет паразитную генерацию на основном резонансе в области магнитных полей, оптимальных для режима умножения частоты. Проведенное с учетом предложенного подхода моделирование показало возможность получения излучения с уровнем мощности в несколько Вт на частоте 1.25 ТГц при возбуждении 5ой гармоники гирочастоты в недавно разработанном субмегаваттном гиротроне с частотой 0.25 ТГц. 6. Разработан блок расчёта мощности гиротрона, работающего на основе измерения тепловой энергии, отданной в систему охлаждения гиротронной установки 7. Разработан новый синхронизатор для использования в цепи обратной связи фазовой автоподстройки частоты 8. Выполнены расчеты электронно-оптической системы, позволяющей формировать винтовой электронный пучок с энергией 250 кэВ, током 100 А и питч фактором 1.1 для гиротрона диапазона 0.3 ТГц с рабочей модой ТЕ33,2. На основе усредненных стационарных уравнений с нефиксированной структурой поля выполнена оптимизация профиля резонатора и продемонстрирована возможность получения выходной мощности около 8 МВт с КПД более 30%. В рамках трехмерного моделирования методом крупных частиц рассмотрены процессы установления колебаний и показано, что в интервале магнитных полей от 14.7 до 15.1 Т возможно селективное возбуждение колебаний на рабочей моде с максимальной мощностью около 7 МВт. 9. Разработан и в настоящее время находится в процессе создания высоковольтный импульсный модулятор на основе комбинации тиратронного генератора сильноточных прямоугольных импульсов и высоковольтного импульсного повышающего трансформатора. 10. Исследованы тепловые режимы силовых компонентов импульсных высоковольтных источников питания для СВЧ комплексов: – высоковольтного транзисторного коммутатора, входящего в состав генератора высоковольтных квазипрямоугольлных импульсов напряжения в емкостной нагрузке; – сильноточного воздушного индуктора, выполняющего функцию защиты генератора импульсов тока (ГИТ) при коротком замыкании в нагрузке (пробое в «теплом» соленоиде, в рабочей области которого при протекании импульса тока через него создается импульсное магнитное поле заданной величины и формы, или пробое в кабельной линии, соединяющей ГИТ и соленоид). 11. Испытан короткоимпульсный макет МВт гиротрона с частотой 224 ГГц. Получена выходная мощность 310 кВт в импульсах до 100 мкс. 12. Проведены моделирование и экспериментальные исследования генераторов поверхностной волны W – диапазона с ленточным сильноточным релятивистским электронным пучком формируемым ускорителем СИНУКИ (ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1 кА /600 кэВ/ 17 нс). Использование планарной геометрии пространства взаимодействия позволяет обеспечить эффективную селекцию мод по широкой поперечной координате за счет использования открытого волновода (ширина электродинамической системы ~ 8 длин волн). В эксперименте получен стабильный режим одномодовой генерации на частоте 75 ГГц с длительностью импульса около 5 нс. Выходная мощность, измеренная калориметрическим методом, достигала 50 – 60 МВт, что демонстрирует возможность эффективного электронно-волнового взаимодействия в указанном классе приборов с КПД ~ 10%. Продемонстрирован стабильный режим одномодовой генерации с мультимегаваттным уровнем выходной мощности в генераторе поверхностной волны G – диапазона с двумерной распределенной обратной связью. 13. Проведены теоретические и экспериментальные исследования возможности создания сверхмощных пространственно-развитых импульсных генераторов черенковского типа с двумерной распределенной обратной связью (РОС) в суб-ТГц диапазоне частот. В качестве рабочего режима генераторов выбран так называемый режим π-вида, в котором имеет место замедление основной гармоники поля и обеспечивается высокий импеданс связи с электронным потоком. Ключевым компонентом электродинамической системы данных генераторов является новый тип замедляющей системы - двумерно-периодическая замедляющая система, реализующая механизм двумерной РОС. В структурах данного типа, в отличие от “традиционных” однопериодических зам.систем, возникают дополнительные азимутальные волновые потоки, приводящие к синхронизации излучения электронного пучка при диаметрах системы D, существенно превышающих длину волны излучения λ. Демонстрационные эксперименты по созданию мощных черенковских генераторов с двумерной РОС начаты в W-диапазоне (рабочая частота 75 ГГц) на базе ускорителя «Синус-6» 0.5 МэВ / 5 кА / 25 нс, формирующего электронный пучок трубчатой геометрии диаметром ~ 40 мм. В проведенных экспериментах получена стабильная узкополосная генерация с рекордной для генераторов данного типа выходной мощностью ~ 150 МВт и сверхразмерностью пространства взаимодействия D/λ ~ 10. В соответствии с результатами моделирования в экспериментах наблюдалось возбуждение основной моды двумерно-периодической зам. системы, обеспечивающей азимутально-симметричную структуру выходного излучения. В настоящее время экспериментальные исследования релятивистских черенковских мазеров перенесены в G-диапазон (рабочая частота 150 ГГц), сверхразмерность генераторов составляет D/λ ~ 20. В начальных экспериментах в расчетной области параметров получена мощная узкополосная генерация, проводится оптимизация параметров, а также измерения спектрального состава и мощности выходного излучения. Следует отметить, что уровень сверхразмерности в реализованных генераторах сопоставим с достигнутой в настоящее время сверхразмерностью гиротронов, разрабатываемых для установок УТС. 14. Предложена новая схема брэгговских резонаторов, которые реализуют трехмерную распределенную обратную связь путем взаимного рассеяния парциальных волновых потоков, распространяющихся в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. Исследование электродинамических характеристик предложенных резонаторов проведено в рамках метода связанных волн, а также трехмерного моделирования с использованием коммерческого кода CST Microwave Studio. Продемонстрированы их высокие селективные свойства по трем индексам мод в условиях существенной сверхразмерности. Рассмотрены возможные конструктивные схемы для реализации подобных резонаторов в суб-ТГц диапазоне частот. Проведена оценка параметров для их использования в различных типах мощных релятивистских мазеров (МСЭ/ЛСЭ, черенковские генераторы, гиротроны). 15. На основе численного моделирования исследована возможность реализации высокоэффективного мегаваттного гиротрона, предназначенного для нагрева плазмы в перспективных установках УТС. Для повышения КПД предложено использовать электронный пучок с высоким питч-фактором и низким скоростным разбросом, который может быть сформирован в неадиабатической электронно-оптической системе (ЭОС). Показано, что в этом случае даже с учетом сильной конкуренции мод удается существенно увеличить КПД электронно-волнового взаимодействия, а также обеспечить высокую эффективность одноступенчатой рекуперации остаточной энергии. Разработан дизайн неадиабатической ЭОС для мегаваттного гиротрона с рабочей частотой 230 ГГц. Показано, что в оптимальных условиях удается сформировать электронный пучок с энергией 80 кэВ, током 30-35 А, повышенным значением питч-фактора 1.8-2 начальным разбросом по поперечным скоростям 10-12%. Для сравнения в традиционных адиабатических магнетронно-инжекторных пушках (МИП) питч-фактор не превышает значения 1.2-1.3, а разброс находится на уровне 20-25% и увеличивается с ростом частоты. Разработанная неадиабатическая ЭОС исследована на устойчивость к изменению параметров; показано, что при любом разумном нарушении геометрии и режимов работы пушки изменение значения разброса по скоростям не превышает 0.5-1%. Более выраженное изменение значения питч-фактора может быть скомпенсировано соответствующим изменением потенциала электродов. Выполнены расчеты режимов работы мегаваттного гиротрона с рабочей частотой 230 ГГц на моде TE25,16 с параметрами электронного пучка, обеспечиваемые разработанной неадиабатической ЭОС. Показано, что КПД гиротрона может составлять ~45%. а после применения одноступенчатой системы рекуперации остаточной энергии частиц значение КПД может превышать 75%. Полученные параметры с запасом соответствует требованиям к гиротронам для нагрева плазмы в планируемых к разработке установках УТС типа DEMO. 16. Разработаны уточненные многомодовые укороченные уравнения гиротрона с произвольным поперечным сечением резонатора и электронного пучка. В отчете приведен вывод полученных уравнений, а также пример их использования для расчета гиротрона с рабочей частотой 263 ГГц на основе двухзеркального конфокального резонатора с цилиндрическими зеркалами. 17. Рассмотрена перспективность использования специального двунаправленного квазиоптического преобразователя для вывода излучения на нескольких частотах. Подход исследуется на базе успешно испытанного в ИПФ РАН/ГИКОМ гиротрона с частотой 250 ГГц и мощностью до 330 кВт. Спроектированная система вывода позволяет выводить излучение с минимальными потерями на шести частотах в диапазоне 176–250 ГГц при эффективности на уровне оптимизированных одночастотных гиротронов.