ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НОВОГО ТИПА ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ГИРОТРОНОВ МИЛЛИМЕТРОВОГО И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

Современная СВЧ-электроника сталкивается с рядом актуальных задач, связанных с повышением эффективности и улучшением эксплуатационных характеристик гиротронов терагерцового и субтерагерцового диапазонов. Данный проект направлен на решение этих задач путем разработки и внедрения инновационных методов, которые позволят существенно повысить эффективность работы гиротронов, используемых в рамках международных программ, таких как ITER и DEMO, а также в современных технологических приложениях. В период 2016–2018 годов авторами проекта были предложены оригинальные подходы к реализации многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов и повышению качества винтовых электронных пучков. Эти разработки открывают новые возможности для увеличения КПД мощных гиротронов, что особенно важно для их применения в термоядерных реакторах и других высокотехнологичных областях. Параллельно в рамках проекта были разработаны методы создания электронно-оптических систем (ЭОС) с полевыми эмиттерами, предназначенных для спектроскопических и диагностических гиротронов умеренной мощности (десятки ватт). Такие устройства представляют значительный интерес для применения в физике, химии, биологии и медицине. Особое внимание в проекте уделено разработке и испытанию полевых эмиттеров нового типа, включая многоострийные эмиттеры с двухслойными металл-фуллереновыми покрытиями и наноструктурированные многослойные эмиттеры. Эти решения позволяют использовать их в высоковольтных гиротронах, работающих в условиях технического вакуума. Замена традиционных термокатодов на холодные полевые эмиттеры в системах формирования электронных потоков не только упрощает эксплуатацию гиротронов, но и обеспечивает возможность их безынерционного включения и выключения, что открывает перспективы для создания приборов, работающих на более высоких частотах. Несмотря на то что аналогичные исследования ведутся как в России, так и за рубежом, авторы проекта занимают лидирующие позиции в данной области. Продолжение работы над проектом позволит не только сохранить эти позиции, но и внести значительный вклад в совершенствование существующих источников терагерцового и субтерагерцового излучения, а также наметить пути создания новых, более эффективных устройств. В рамках проекта уже получены подтверждения возможности использования разработанных методов рекуперации для повышения эффективности мощных гиротронов. Кроме того, продемонстрированы перспективы улучшения эксплуатационных характеристик спектроскопических и диагностических гиротронов при использовании ЭОС с полевыми эмиттерами нового типа. Однако результаты проведенных расчетов и экспериментов указывают на наличие значительных резервов для дальнейшего совершенствования разработанных электронно-оптических систем. В связи с этим продолжение исследований в рамках данного проекта представляется крайне важным и целесообразным. Одним из ключевых направлений проекта является исследование возможности формирования протяженных электронных потоков кольцевого сечения с высокими токами, что необходимо для обеспечения работы диагностических гиротронов терагерцового и субтерагерцового диапазонов. Экспериментальные данные, полученные на прототипе электронной пушки СПбПУ, подтверждают возможность создания таких потоков, что открывает новые горизонты для разработки компактных и высокоэффективных источников излучения. Кроме того, в рамках проекта активно изучаются возможности формирования винтовых электронных потоков, которые могут быть использованы для повышения эффективности гиротронов. Измерения характеристик электронных пучков, формируемых полевыми эмиттерами в импульсных гиротронах, демонстрируют перспективность данного подхода. Это особенно важно для создания гиротронов, работающих в условиях высоких мощностей и частот. Важным аспектом проекта является также разработка гиротронов для спектроскопии и диагностики различных сред, использующих приосевые электронные пучки, формируемые электронно-оптическими системами с полевыми эмиттерами. Такие устройства, работающие при рекордно низких значениях тока эмиссии (десятки миллиампер), могут стать основой для создания новых инструментов в научных исследованиях и промышленных приложениях. В заключение стоит отметить, что проект включает в себя разработку двухлучевого гиротрона на основе электронно-оптических систем с полевыми эмиттерами. Это направление является перспективным для создания устройств с повышенной мощностью и эффективностью, что может существенно расширить область применения гиротронов в современных технологиях. Таким образом, реализация данного проекта позволит не только решить актуальные задачи в области СВЧ-электроники, но и создать новые технологии, которые будут востребованы в термоядерных исследованиях, спектроскопии, диагностике и других высокотехнологичных отраслях.