Мощные микроволновые генераторы и усилители для актуальных приложений

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) Представлены результаты экспериментов по управлению параметрами излучения технологического гиротрона с рабочей частотой 28 ГГц при помощи отражения выходного сигнала от удаленной нерезонансной нагрузки. Продемонстрирована возможность двукратного уменьшения чувствительности частоты излучения гиротрона к колебаниям технических параметров установки, таких как величина магнитного поля или ускоряющее напряжение. Предложен метод плавного управления параметрами излучения гиротронов за счет использования подвижного нерезонансного отражателя. 2) Проведено исследование взаимодействия мод в гиротроне с рабочими модами высокого порядка (при плотном спектре взаимодействующих мод). Найдены предельные значения параметров тока и плотности модового спектра, при которых еще возможна одномодовая генерация рабочего режима. 3) Предложена методика измерений параметров поляризации квазиоптических волновых пучков с помощью специально разработанного для этого секционированного волноводного анализатора поляризации. 4) Завершена сборка, наладка и тестирование основных элементов стенда для экспериментальных исследований гироприборов со сложной временной динамикой. Основными элементами стенда являются 2 электровакуумных прибора гирорезонансного типа и квазиоптическая система, обеспечивающая регулируемую 6 микроволновую связь между этими приборами и поглощение части излучения в калориметрической нагрузке. 5) Освоена новая технология изготовления винтовых структур для гироприборов коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн. 6) Проведены теоретическое и экспериментальное исследования полосовых свойств гироклистронов и проанализированы основные причины ограничения ширины полосы усиливаемых частот. 7) Проведено моделирование гиротрона с рабочей частотой 1.2 ТГц и режимом генерации на третьей циклотронной гармонике. 8) В ТГц гиротроне с импульсным магнитным полем выполнены теоретические и экспериментальные исследования динамики возбуждения мод с частотами генерации порядка 0.5 ТГц. Впервые проведены детальные измерения частот генерации паразитных мод, возникающих на переднем и заднем фронтах импульса напряжения, а также динамики изменения частоты рабочей моды ТГц гиротрона с импульсным магнитным полем. Показано качественное совпадение результатов численного моделирования и экспериментального исследования многомодовой динамики гиротрона. Полученные данные будут полезны для проектирования ТГц импульсных гиротронов, в частности при разработке квазиоптических преобразователей выходного излучения, которые должны обеспечивать вывод не только рабочей, но и паразитных мод, возникающих на фронтах импульсов напряжения. Гиротроны с частотой выходного излучения порядка 0.5 ТГц перспективны для использования в качестве источников для динамической поляризации ядра в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (dynamic nuclear polarization enhanced nuclear magnetic resonance (DNP-NMR) spectroscopy). 9) Разработан новый открытый резонатор Фабри-Перо для повышения чувствительности магнитно-резонансной томографии (МРТ) методом динамической поляризации ядер (ДПЯ) на частоте 42 ГГц с использованием эффекта Оверхаузера при температуре окружающей среды. Гиперполяризация протонов воды достигается при протекании водного раствора через микроволновой резонатор, расположенный непосредственно в отверстии магнита томографа. Резонатор обеспечивает больший облучаемый объем протекающей жидкости для по сравнению с цилиндрическим резонатором на моде TE013. Геометрия резонатора Фабри-Перо была разработана с использованием квазиоптической теории и проверена численным моделированием методом конечных элементов. Работоспособность нового поляризатора была протестирована с помощью экспериментов по ДПЯ-МРТ на водном растворе TEMPOL с использованием фантома 7 кровеносных сосудов. Резонатор Фабри-Перо показал увеличение ДПЯ в 2 раза по сравнению с цилиндрическим микроволновым резонатором с увеличенной в 4 раза скоростью потока. Это увеличение выхода гиперполяризованной жидкости позволяет применять МРТ на более крупных объектах-мишенях 10) Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования магнитобронированной системы (м.б.с.), предназначенной для непрерывных гироприборов, работающих на основном циклотронном резонансе с рабочей частотой 24−50 ГГц. 11) Разработана новая система высоковольтного питания гиротронов с рекуперацией. 12) Проведены апробация лабораторного высокоэффективного СВЧ-реактора для переработки торфа и анализ продуктов низкотемпературного пиролиза торфа под воздействием СВЧ-излучения. 13) Проведены теоретические и экспериментальные исследования взрывоэмиссионных инжекторов и катодов. Ведется разработка релятивистского черенковского генератора, обладающего высоким энергетическим КПД. Приведены результаты исследований влияния внешнего управляющего сигнала на параметры выходного излучения релятивистской ЛОВ. 14) Проведено теоретическое и экспериментальное исследование циклотронных умножителей частоты в том числе и с несимметричными электронными пучками. Предложены способы повышения стабильности поперечной структуры излучения при генерации импульсов черенковского сверхизлучения в двумерно-гофрированных волноводах. Исследована генерация импульсов сверхизлучения терагерцового диапазона в процессе вынужденного рассеяния лазерного излучения на попутном сильноточном релятивистском электронном пучке. 15) В рамках проведенного теоретического анализа и компьютерного моделирования исследована возможность стабилизации фазового размера плотного короткого электронного сгустка в режиме отрицательной массы. Рассмотрены режимы спонтанного когерентного сверхизлучения и последующего усиления ультракороткого терагерцового электромагнитного импульса. Проведены расчеты ЛСЭ в режиме многоступенчатого нерезонансного захвата, основанных на использовании как традиционных магнитостатических ондуляторов, так и секционированных системах СВЧ ондуляторов с профилированными секциями. Полученные результаты могут быть использованы для создания коротковолновых генераторов новых типов.