Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, Нижний Новгород
На правах рукописи
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук
, член-корреспондент РАН Трубецков Дмитрий Иванович доктор физико-математических наук, профессор ГЛЯВИН Михаил Юрьевич Соминский Геннадий Гиршевич доктор физико-математических наук ГИРОТРОНЫ Нечаев Владислав Евгеньевич ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Ведущее предприятие:
01.04.04 - физическая электроника ФГУП УГНПП ИстокФ, Фрязино, Московская область
Защита состоится У Ф марта 2009 года в ______ часов на заседании А в т о р е ф е р а т диссертационного совета Д 002.069.02 при Институте прикладной физики диссертации на соискание ученой степени РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул.Ульянова, доктора физико-математических наук
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул.Ульянова,
Автореферат разослан У Ф 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук Ю.В.Чугунов Нижний Новгород - 20
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
[1,А45]. Мелкозернистая структура, необходимая для реализации
Актуальность темы поликристаллических материалов высокой прочности, может быть получена Последние десятилетия характеризуются широким использованием спеканием нанометровых порошков в условиях микроволнового нагрева.
электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения Основными особенностями этого метода являются: возможность объемного миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн в различных нагрева диэлектриков; уменьшение времени технологических процессов;
областях физики и техники [1]. По уровню выходной мощности в этом возможность локального нагрева сфокусированными волновыми пучками и диапазоне несомненное лидерство принадлежит гирорезонансным генераторам уменьшение масштаба температурной неоднородности при снижении длины (гиротроны, гиро-ЛОВ) и усилителям (гироклистроны, гиро-ЛБВ), основанным волны излучения.
на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями Гиротроны, разрабатываемые для технологических комплексов электродинамических систем, не содержащих малых, по сравнению с длиной микроволновой обработки материалов, должны сочетать в себе возможность волны, элементов (см, например, обзоры [2,3]). Последнее обстоятельство долговременной (до нескольких сотен часов) работы с высоким КПД в позволяет избежать минитюаризации пространства взаимодействия и непрерывном режиме генерации с надежной и дешевой конструкцией и относительно просто реализовать системы с большой запасенной энергией быстрым управлением выходной мощностью в широких пределах. Желание активной среды (электронный пучок) и приемлемыми тепловыми нагрузками на упростить и удешевить технологические комплексы привело к тому, что элементы прибора. Несмотря на значительные успехи в развитии гиротронов, магнитные системы технологических гиротронов, как правило, строятся на достигнутые за время исследований, проблемы повышения КПД гиротронов и основе "теплых" соленоидов с водяным или масляным охлаждением.
освоение гиротронами субмиллиметрового диапазона длин волн продолжают Естественно, что с целью снижения энергопотребления соленоида размер его оставаться актуальными. рабочего пространства требуется минимизировать, что, в свою очередь, В настоящий момент можно выделить три основных области вызывает необходимость миниатюризации всех элементов гиротрона. На использования гироприборов [1]: современном этапе лабораторных исследований с использованием относительно небольших объемов вещества требуемая выходная мощность составляет Х управляемый термоядерный синтез (УТС);
несколько киловатт. При переходе к промышленному использованию подобных Х микроволновая обработка материалов;
систем, скорее всего, потребуется увеличение выходной мощности до десятков Х спектроскопия и диагностика различных сред.
киловатт. Дальнейшее повышение мощности вызовет существенное усложнение Для нагрева плазмы и управления током в установках УТС, сегодня, как источников питания и систем охлаждения.
правило, требуются гиротроны, работающие на частотах 110-170 ГГц в Для снижения энергопотребления магнитной системой технологические квазинепрерывном (с длительностью импульса в десятки минут) режиме гиротроны разрабатываются для работы на второй гармонике гирочастоты (т.е.
генерации при выходной мощности порядка одного мегаватта с тенденцией к при вдвое меньшем магнитном поле по сравнению с работой на основном дальнейшему повышению, по крайней мере, до 1.5-2МВт [4.5]. Разработка таких циклотронном резонансе), однако реализация гиротронов на гармониках гиротронов базируется на комплексном решении широкого набора физических гирочастоты затрудняется существенно меньшей устойчивостью генерации и технических задач, включающих формирование мощных винтовых рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод, во многом из-за электронных пучков с достаточно высокой долей вращательной энергии частиц подавления высших гармоник более низкими [8,17]. Совершенствование и приемлемым разбросом их скоростей [6,7], обеспечение селективного технологических комплексов на основе гироприборов требует, в первую возбуждения мод высокого порядка в цилиндрическом резонаторе [8,9], очередь, реализации устойчивых режимов одномодовой генерации на эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок [10,11], создание гармониках гирочастоты с высоким КПД.
коллекторных систем и выходных окон с допустимыми при существующих Третья, активно развивающаяся область применения гиротронов связана с методах охлаждения тепловыми нагрузками [12-16]. Магнитные поля их использованием для задач спектроскопии и диагностики различных сред, гиротронов для УТС создаются криомагнитными системами. В совокупности, создания систем связи и мониторинга окружающей среды. Высокочастотные все вышеперечисленное делает эти гиротронные комплексы чрезвычайно гиротроны востребованы рядом современных научных направлений, сложными и дорогостоящими.
нуждающихся в источниках субмиллиметрового излучения вплоть до Другая, все более расширяющаяся, область применения гиротронов связана терагерцового диапазона частот [1,18]. Терагерцовые волны сочетают в себе с их использованием для процессов микроволновой обработки материалов 3 свойства своих "соседей". Они, как радиоволны, обладают большой Цель исследования проникающей способностью, и, в тоже время, излучение этого диапазона Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное легко фокусируется, подобно инфракрасному излучению. Терагерцовое исследование физических процессов в гиротронах направленное на:
излучение является неионизирующим. Неорганические и органические 1. Разработку и реализацию методов, позволяющих увеличить КПД молекулы ряда веществ имеют собственные частоты в терагерцовом гироприборов;
диапазоне и в этом же диапазоне лежат энергии водородных связей, что 2. Создание высокоэффективных гиротронов киловаттного уровня мощности, открывает возможности как для диагностики, так и для селективного работающих в диапазоне частот 24-30 ГГц, для использования в комплексах воздействия излучения на вещество. Особо привлекательна возможность микроволновой обработки материалов;
использования терагерцового излучения в биологии и медицине. 3. Установление возможности генерации субмиллиметрового излучения в Терагерцовые волны проникают в живые ткани, не причиняя вреда, а гиротронах на гармониках гирочастоты;
возможность фокусировки позволяет намного повысить разрешающую 4. Выявление возможностей создания сильных магнитных полей в объемах, способность медицинских приборов, что, в свою очередь, может достаточных для размещения электродинамических систем субмиллиметровых принципиально изменить диагностику многих заболеваний. Помимо гиротронов на основном циклотронном резонансе, и реализацию источников медицины, терагерцевое излучение может найти широкое применение в терагерцового диапазона длин волн киловаттного уровня мощности.
системах радиовидения, например, для распознавания взрывчатых веществ.
В субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах, несмотря на несколько Научная новизна результатов исследования успешных реализаций [19-21], гиротроны применяются значительно реже, чем В настоящей работе впервые теоретически и экспериментально решен ряд уникальные и значительно более сложные лазеры на свободных электронах задач фундаментального характера, относящихся к проблеме создания (ЛСЭ), для работы которых требуются на один-два порядка более высокие высокоэффективных источников мощного микроволнового излучения.
энергии частиц [22]. Слабая распространенность, несмотря на востребованность, Х Получена рекордная по длине волны для гиротронов генерация СВЧ гиротронов в терагерцовом диапазоне связана, в частности, с необходимостью излучения в терагерцовом диапазоне на киловаттном уровне мощности в использования в них очень сильных магнитных полей, создаваемых, как компактном приборе с импульсным соленоидом, обеспечивающем правило, дорогими криомагнитными системами, а также с трудностями магнитные поля до 50 Т.
обеспечения высокоэффективной одномодовой генерации при работе в Х Получены рекордные значения КПД в гиротроне на второй гармонике субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах при меньших магнитных полях в гирочастоты (свыше 50% без рекуперации и 60% при одноступенчатой режиме циклотронного резонанса на высоких циклотронных гармониках рекуперации энергии электронов).
[23,24]. Для одномодовой генерации на высоких гармониках требуется Х Разработан и реализован анализатор энергетического разброса разработка методов селекции рабочего типа колебаний в условиях конкуренции электронов в коллекторной области гироприборов. Впервые мод [25].
экспериментально получены энергетические спектры электронного Для освоения субмиллиметрового диапазона длин волн предлагается потока в коллекторной области гироприборов.
использовать гиротроны с импульсными соленоидами, создающими достаточно Х Достигнуто значительное повышение КПД в гиротронах с рекуперацией сильные магнитные поля, а для реализации непрерывных источников остаточной энергии электронного пучка - с 45-50% до 60-65%.
предлагаются различные варианты гиротронов на гармониках гирочастоты.
Разработана и испытана гиро-ЛОВ с рекуперацией энергии, Настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы современной позволившая реализовать повышение КПД с 15% (относительно низкий физической электроники - исследованию взаимодействия винтовых КПД в приборе без рекуперации энергии обусловлен большей электронных потоков с высокочастотными полями цилиндрических резонаторов чувствительностью к разбросу скоростей электронов) до 22%.
с целью получению устойчивой одномодовой генерации с высоким КПД.
Х Исследовано влияние отраженного от элементов электродинамического Применяемые, а также предлагаемые, подходы к решению поставленной задачи тракта сигнала на режим генерации гиротрона и выработаны критерии являются общими для гироприборов, а результаты экспериментальных согласования элементов СВЧ тракта.
исследований использовались при разработке гиротронов для микроволновых Х Экспериментально продемонстрирована возможность селективного технологий и диагностических систем.
возбуждения в гиротроне на второй гармонике циклотронной частоты 5 рабочих мод высокого порядка. В непрерывном гиротроне на второй гиротронам (1998, Маале-Хашима, Израиль), на 4, 5, 6-ом международных гармонике с развитым пространством взаимодействия получена симпозиумах по физике и технике микроволнового, миллиметрового и генерация на частоте 250 ГГц с мощностью 0.9 кВт. субмиллиметрового излучения (2001; 2004; 2007, Харьков, Украина), на международном симпозиуме по созданию новых материалов с Х Разработан, изготовлен и испытан гиротрон на 3-5 гармониках использованием источников электромагнитного излучения (2004, Осака, гирочастоты с приосевым электронным пучком, работающий при Япония), на 4-ом мировом конгрессе по использованию микроволн и напряжениях 30-40 кВ и использующий магнитную систему на радиочастот (2004, Аустин, США), на 4 и 5-ом международных симпозиумах постоянных магнитах.
по микроволновым исследованиям и их применениям в смежных областях Х Разработан проект гиротрона с рекордно низким рабочим напряжением науки (2004, Такаматсу; 2005, Цукуба, Япония), на 6 и 7 международных около 5кВ и неадиабатической электронной пушкой, работающей в конференциях по технологиям интенсивных электронных потоков (2000;
режиме ограничения тока пространственным зарядом.
2003, Варна, Болгария), на 4 и 8-ой международных конференциях по вакуумной электронике (2003, Сеул, Корея; 2007, Китакушу, Япония), на Практическая значимость и использование результатов работы.
международной конференции во вакуумной электронике (2004, Гармиш, В диссертационной работе даны практически важные рекомендации по Германия), на международной конференции по физике плазмы (2007, созданию гиротронов для технологических комплексов и диагностических Альбукерк, США), на 1 и 2-ом международных совещаниях по технологиям систем. Созданы работающие установки для микроволновой обработки далекого инфракрасного диапазона (1999, 2001, Фукуи, Япония), на материалов. Проведенные исследования и выработанные рекомендации Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и имеют общий характер и могут применяться при создании субмиллиметрового диапазона (2005; 2007 Н.Новгород).
высокоэффективных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового излучения.
Публикации Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в По теме диссертации опубликована 191 работа: 27 статей опубликовано в ИПФ РАН, ЗАО НПП ГИКОМ и Центре по разработке приборов дальнего зарубежных научных журналах; 19 статей изданы в отечественных инфракрасного диапазона университета г.Фукуи, (FIR FU, Япония) при журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов; разработке гиротронов для микроволновой обработки материалов, статьи в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК; 16 статей диагностики плазмы и спектроскопии.
размещены в тематических сборниках научных трудов; 33 статьи в сборниках трудов конференций, 93 работы являются тезисами докладов на Апробация результатов конференциях. После защиты кандидатской диссертации опубликовано 1Основные результаты работы опубликованы в работах [А1-А69] и работы (1999 год и позже).
докладывались на научных семинарах ИПФ РАН (1989-2006), на 19, 21, 22, 24, 25, 26, 28, 29-й международных конференциях по инфракрасным и ичный вклад автора в выполненные работы миллиметровым волнам (Сендай, Япония,1994; Берлин, ФРГ, 1996;
Будучи ведущим исполнителем или руководителем представленных работ, Винтегриин, США, 1997; Монтерей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, соискатель является полноправным соавтором представленных публикаций.
Франция, 2001; Отсу, Япония, 2003;), на совместных 29 и 12, 30 и 13, 31 и Автор активно участвовал в создании измерительных и вычислительных 14, 32 и 15, 33 и 16-ой международных конференциях по инфракрасным и методик, численном моделировании, конструировании приборов, а также в миллиметровым волнам и международных конференциях по терагерцовой полном объеме в осуществлении экспериментов, в обработке и анализе электронике (Карлсруэ, Германия, 2004; Виллиамсбург, США, 2005;
полученных данных, в подготовке текста публикаций. Значительное число Шанхай, Китай, 2006, Кардифф, Великобритания, 2007, Пасадена, США, соавторов обусловлено масштабом выполнявшихся работ с большим числом 2008), на 12, 13, 15-ой международных конференциях по мощным пучкам участников разработок и проведением экспериментов со сложными частиц (Хайфа, Израиль, 1998; Нагаока, Япония, 2000; Санкт-Петербург, аппаратурными комплексами, включавшими в свой состав специально Россия, 2004), на 2, 4, 5 и 6-й международных рабочих встречах Мощные разрабатываемые источники питания, программное обеспечение и т.п.
микроволны в плазме (1993; 1999; 2002; 2005; Н.Новгород, на Автору совместно с А.Г.Лучининым принадлежит идея использования международном совещании по мазерам на циклотронном резонансе и 7 пакетированной конструкции для гиротрона терагерцового диапазона и диссертации на совместно разработанных установках [А28, А37, А47]. Вклад намотки соленоида композитным кабелем, позволившим повысить автора в обзоры [A26, А27, А33, А45, А46, А67] состоит в предоставлении механическую прочность соленоида. данных о полученных автором экспериментальных результатах и участии в Диссертантом разработана методика оценки эмиссионной неоднородности подготовке текста публикации. Все остальные работы из списка публикаций катода гиротрона в процессе эксплуатации прибора и создан комплекс экспресс- [A11, А19, А20, А24, А36, А41, А49-А52, А55, А61-А63] выполнены в диагностики катодов по вольт-амперной характеристике (ВАХ). соавторстве с сотрудниками, аспирантами и студентами Института прикладной Создан анализатор энергетического спектра электронов, предложенный физики, других отечественных и зарубежных научных центров и институтов.
А.Л.Гольденбергом, и выполнено экспериментальное исследование При этом вклад соавторов в опубликованных результатах можно считать энергетических спектров электронных потоков в коллекторной области равноправным.
гиротрона.
Совместно с А.Л.Гольденбергом и В.Н.Мануиловым предложена На защиту выносятся следующие положения:
неадиабатическая электронная пушка нового типа, позволяющая формировать 1. Генерация СВЧ излучения терагерцового диапазона на киловаттном трубчатый электронный пучок с высокой долей вращательной энергии уровне мощности реализуется в компактной установке на основе гиротрона с электронов и разбросом скоростей существенно ниже (примерно вдвое), чем в импульсным соленоидом.
традиционных магнетронно-инжекторных пушках (МИП) гиротронов. 2. В гиротронах на второй гармонике гирочастоты на основе дешевых Алгоритмы оптимизации магнитного поля и профиля резонатора с целью "теплых" соленоидов с низким энергопотреблением, оптимизация повышения КПД сформулированы и реализованы в ходе экспериментального продольного распределения магнитного и высокочастотного (ВЧ) полей исследования гиротронов при участии автора. Автором разработан и испытан позволяет достигать КПД выше 50% (без рекуперации остаточной энергии технологический гиротрон с рекуперацией остаточной энергии электронов, что электронов) и 60% при одноступенчатой рекуперации.
позволило реализовать рекордные значения КПД. 3. Изменение эмиссионной неоднородности катода в процессе При участии автора разработана методика последовательного расчета эксплуатации прибора позволяет судить о качестве катода и параметрах, сценария выхода на стационарный режим генерации на фронте импульса непосредственно влияющих на КПД.
ускоряющего напряжения [A6] и методика учета влияния отраженного сигнала 4. Экспериментально полученные энергетические спектры на режим работы гиротрона [A9]. электронного потока в коллекторной области гиротронов подтверждают, что В большей части опубликованных работ вклад автора диссертации состоял в режиме с максимальным КПД на первой гармонике в пучке отсутствуют в постановке задачи, теоретических расчетах, планировании эксперимента, электроны с энергией меньшей, чем 20-30% их первичной энергии, что обработке результатов, анализе и интерпретации полученных данных, позволяет существенно повысить КПД в гиротронах с простейшей формулировке научных положений, подготовке текста публикаций. В одноступенчатой системой рекуперации энергии за счет увеличения представленном списке публикаций это в полной мере относится к [A3, A8, A12, тормозящего потенциала коллектора. Разработанные с учетом А14, А15, А21-А23, А28, А31, А32, А34, А35, А53, А54, А57-А60]. В работах экспериментальных данных расчетные модели позволяют создать [А30, А31, А42, А43, A66] вклад автора был определяющим в части разработки коллекторы с разделением электронного потока на энергетические фракции и исследования гиротронов, в работах [A1, A4, A7, А40, А44, А56] автором и многоступенчатой рекуперацией энергии.
выполнялась вся экспериментальная часть. Работы [A2, A5, A18] выполнены 5. В режиме низких рабочих напряжений (при энергиях электронов соискателем без соавторов. В теоретических работах [A6, A9, А10, A13, А16, порядка 1% от энергии покоя электронов) использование неадиабатической А17, A65] автором выполнены постановка задачи, большая часть расчетов и электронной оптики, работающей в режиме ограничения тока подготовка текста публикаций. Значительное число работ выполнено в рамках пространственным зарядом, позволяет сформировать электронные потоки сотрудничества между ИПФ РАН и FIR FU (Научный центр по разработке высокой однородности, что, в свою очередь, дает возможность увеличить приборов далекого инфракрасного диапазона, Фукуи, Япония). При этом в части долю поперечной энергии электронов.
работ [А25, А38, А48, A64], вклад автора был определяющим и состоял, в 6. Токи, при которых в гиротроне устанавливается основном, в проведении теоретического исследования разрабатываемых автомодуляционный или стохастический режим генерации, в присутствии приборов, а несколько работ посвящены экспериментам с участием автора отраженного сигнала существенно снижаются, а в режиме стационарных 9 колебаний эффективность генерации падает даже при возвращении в скоростей электронов и величину эмиссионной неоднородности можно резонатор отраженного сигнала на уровне в несколько процентов. Наличие видеть, что катоду с большей эмиссионной неоднородностью соответствует отраженного сигнала способно существенно менять зоны генерации мод и больший разброс скоростей электронов, что приводит к снижению КПД состав спектра выходного излучения. прибора. Оценить однородность рабочей поверхности катода можно на основе интегральных эмиссионных характеристик поверхности, решая Структура и объём диссертации соответствующую обратную задачу.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка Информацию о неоднородности катода несут области ВАХ, цитированной литературы (311 названий) и списка авторских публикаций (191 соответствующие режиму перехода от ограничения тока пространственным пункт). Общий объем диссертации составляет 319 страниц. зарядом к температурному ограничению тока пучка. Путем двойного дифференцирования ВАХ можно получить статистическую функцию Краткое содержание диссертации распределения эмиссионной неоднородности по поверхности катода Во введении сформулирована цель работы, обоснованы актуальность темы и 3/d I 1 (1- U )2.
F(jH ) = -A = exp(- ) постановка задачи, представлены обозначенные выше практическая 3/d(U )2 2 2 значимость и апробация результатов, охарактеризованы публикации и В частности, если экспериментально определить, как меняется эта личный вклад автора. Дано аннотированное изложение диссертации по главам.
функция в ходе испытаний на срок службы, то можно прогнозировать В главе 1 указаны факторы, ограничивающие КПД гиротрона, и долговечность катода в заданном режиме. Достоинством метода является предлагаются решения ряда проблем. Так как рабочей средой гироприборов то, что он дает возможность получить характеристики катода при рабочих является электронный пучок, прежде всего, анализируется влияние температурах. Кроме того, методика может быть сравнительно просто параметров электронного потока на КПД гиротрона. В разделе 1.реализована непосредственно в приборе. В настоящее время можно приведены данные, иллюстрирующие влияние параметров электронного предположить, что катоды с эффективной эмиссионной неоднородностью потока на КПД и предложен метод экспресс диагностики эмиссионной при рабочей температуре позволяют получать значения КПД = 0.3 - 0.неоднородности катода, определяемой по области переходного участка гироприборов, близкие к максимально возможным. В конце раздела вольт-амперной характеристики от режима ограничения тока приводятся экспериментальные данные для серии катодов технологических пространственным зарядом к режиму температурного ограничения тока гиротронов, демонстрирующие корректность построенной модели и эмиссии. Данный метод позволяет делать оценки качества катода и его динамику изменения параметров катодов в процессе эксплуатации.
времени жизни непосредственно в процессе эксплуатации прибора.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о повышении КПД С использованием данных о параметрах электронного пучка, полученных гиротрона при снижении эмиссионной неоднородности.
экспериментально в анализаторе, основанном на методе тормозящего Обеспечение допустимых тепловых нагрузок на элементы конструкции электрического поля, выполнен расчет КПД гиротрона. Сравнение результатов, при высоком уровне выходной мощности требует использования в полученных при использовании различных предположений о параметрах современных гиротронах сверхразмерных резонаторов с диаметром, намного электронного пучка, позволяет оценить точность расчета КПД. Естественно, самая превосходящим длину волны излучения, что затрудняет селективное грубая оценка получается в приближении отсутствия разброса электронов по возбуждение рабочей моды в силу процессов конкуренции близких мод.
скоростям. Относительная ошибка в этом случае при типичных значениях Одним из ярких проявлений конкуренции мод являются переходные скоростного разброса может превышать 20%. При расчетах с использованием процессы на фронте импульса ускоряющего напряжения в импульсных различных аппроксимаций реального распределения (в первую очередь гауссовой приборах. В этом случае возбуждение паразитных мод на фронте импульса функцией) типичное значение ошибки не превышает 5%. Используя близкую к существенно усложняет реализацию режимов генерации рабочей моды с реальной функцию распределения электронов по скоростям, возможно оценить высоким КПД.
значение КПД в широком диапазоне параметров с относительной ошибкой В разделе 1.2 проанализированы многомодовые процессы актуальные расчета, как правило, меньше 1%.
для импульсных миллиметровых и субмиллиметровых гиротронов с Параметры электронного потока напрямую связаны с эмиссионными развитым пространством взаимодействия. Показано, что нарушение условий характеристиками поверхности. Сравнивая результаты измерений разброса устойчивости может вызывать как возбуждение паразитной моды, так и 11 появление сателлитов рабочей моды. Сформулированы требования к режиму возбуждение моды с радиальным индексом равным индексу рабочей моды, но включения гиротрона и показано, что устойчивая одномодовая генерация более высоким азимутальным индексом (более высокочастотная мода), имеет рабочего типа колебаний в сверхразмерном резонаторе может быть реализована место устойчивая одномодовая генерация этой моды в полосе порядка 10-с высоким КПД. кВ. После чего, при дальнейшем увеличении напряжения, ее амплитуда В цилиндрических резонаторах, обычно используемых в гиротронах, по быстро спадает, происходит нарастание амплитуды рабочей моды которая мере увеличения радиуса резонатора сначала в полосе резонанса оказываются достигает наибольшего значения на полке импульса. Расчетный сценарий моды, различающиеся и радиальными и азимутальными индексами. Спектр хорошо согласуется c данными экспериментального исследования гиротронов.
таких мод неэквидистантен, и поэтому в случае их возбуждения имеет место При превышении напряжения на 10% над номинальным происходит срыв чисто амплитудное (также называемое несинхронным) взаимодействие, при колебаний рабочей моды и переход на устойчивую одномодовую генерацию котором основным эффектом является конкуренция мод. При дальнейшем более низкочастотной моды с тем же радиальным, но на единицу меньшим увеличении радиуса резонатора в полосе циклотронного резонанса могут азимутальным индексом (ТЕm-1,p). Использование последовательного расчета оказаться моды, отличающиеся лишь одним из поперечных индексов. Данные переходной характеристики является существенным, поскольку для проверки моды характеризуются очень близким к эквидистантному спектром был проведен анализ стационарного режима генерации в одной точке (на собственных частот. Между такими модами имеет место одновременное полке импульса ускоряющего напряжения) при задании стартовых амплитуд выполнение двух условий синхронизма - временного и пространственного. взаимодействующих мод равными и малыми. При этом получена устойчивая Взаимодействие этих мод является амплитудно-фазовым (синхронным). генерация паразитной моды, что противоречит результатам и Результатом этого взаимодействия может стать автомодуляционная последовательного расчета, и эксперимента.
неустойчивость колебаний центральной моды, приводящая к возбуждению Полученные в рамках данной модели результаты свидетельствуют о обоих сателлитов с определенными фазовыми соотношениями, то есть к возможности установления устойчивых одномодовых колебаний, например, режиму взаимной синхронизации мод. Добиться устойчивой одномодовой на моде ТЕ31.8 c высоким КПД. При этом возможно достижение выходной генерации при высоких азимутальных индексах мод можно путем изменения мощности более 1 МВт на частоте 170 ГГц при КПД гиротрона более 50% соотношения добротностей центральной и боковых мод, что достигается (при использовании одноступенчатой рекуперации энергии), что и было использованием резонаторов сложной формы. При этом, уменьшая впоследствии доказано экспериментально в серии гиротронов для установки добротность колебаний паразитных мод, удается существенно увеличить зону ITER, изготовленных ЗАО НПП ГИКОМ с участием ИПФ РАН.
устойчивой одномодовой генерации рабочей (центральной) моды. При транспортировке СВЧ мощности от источника к потребителям в Поскольку практически все мощные гиротроны, используемые в современных гиротронных комплексах с длинными линиями передачи плазменных экспериментах, работают в импульсном режиме, возникает возможны различные виды отражений микроволнового излучения от элементов необходимость анализа многомодовых процессов на фронте импульса, когда тракта, стенок рабочего пространства, керамических окон и т.п. В разделе 1.вероятность возбуждения паразитных мод является наибольшей. исследовано влияние отраженного сигнала на выходную мощность и спектр Определяющим фактором при определении начального типа колебаний излучения гиротронов, а также на значения тока пучка, при которых происходит является превышение током пучка стартового тока моды. С изменением бифуркация режима генерации (стационарные колебания, автомодулированные, ускоряющего напряжения происходит эволюция зон самовозбуждения мод стохастические). Исследована зависимость КПД гиротрона от стабильности (смещение по магнитному полю и изменение ширины зоны генерации). При источников питания и определены условия, при которых влияние флуктуаций расстройке циклотронного резонанса, соответствующей оптимальному напряжения на КПД минимально.
поперечному КПД, и малом ускоряющем напряжении наименьшим стартовым Наиболее сильно влияние внешних СВЧ-полей должно проявляться в током обладает паразитная мода, а при номинальном напряжении условия гиротронах без квазиоптической развязки между пространством взаимодействия самовозбуждения выполнены как для рабочей моды, так и для паразитных и окном вывода микроволнового излучения, где отраженный сигнал попадает мод. При этом тип колебаний в рабочей точке существенным образом зависит непосредственно в резонатор, изменяя условия взаимодействия электронного от сценария переходного процесса. Результаты численного анализа позволяют пучка с ВЧ полем. В разделе 1.4 показывается существенное влияние сформулировать следующий типичный сценарий: при напряжении отраженного сигнала на режимы генерации гиротрона. В отсутствие соответствующем примерно половине номинального, происходит отраженного сигнала характер установления колебаний сходен с поведением 13 изображающей точки в фазовом пространстве в состоянии равновесия типа гиротронов.
Уустойчивый узеФ. По мере увеличения отраженного сигнала ( ) КПД В главе 2 представлены результаты расчетов энергетических спектров R < 0.электронного потока в коллекторной области гиротронов и результаты генерации уменьшается, а характер установления колебаний при этом сходен с экспериментального исследования гироприборов с рекуперацией остаточной попаданием в Уустойчивый фокусФ, причем время установления энергии электронов. Возможность повышения КПД гироприборов за счет пропорционально как величине отраженного сигнала, так и времени отбора энергии электронного потока, неизрасходованной при запаздывания. При дальнейшем увеличении коэффициента отражения взаимодействии с ВЧ полем, была отмечена на начальном этапе работ по 0.25
результатов и описываются достоинства и недостатки двух основных схем С увеличением коэффициента отражения, значения параметра тока, при рекуперации - с подачей потенциала на корпус лампы или на коллектор. Как которых происходит смена режима генерации, снижаются. При отражении уже отмечалось, в гиротронах ВЧ полю передается лишь вращательная 10% мощности бифуркационные значения тока снижаются больше чем на энергия электронов потока, причем эффективность энергоотбора почти порядок по сравнению с режимом без отражений. Эти переходы достигла теоретической границы. Энергия же поступательного движения сопровождаются обогащением спектра выходного излучения.
электронов, необходимая для переноса заряда через резонатор, остается Экспериментальные измерения спектра, проведенные в технологическом практически неизрасходованной. Эту остаточную энергию можно гиротроне с рабочей частой 24 ГГц с прямым выводом мощности в режимах рекуперировать, создав тормозящий электрический потенциал на коллекторе работы на согласованное и рассогласованное окно, показали уширение прибора. При этом тормозящее напряжение не должно превышать спектральной линии с 1.5 МГц до 10 МГц при достаточно равномерной минимальную остаточную энергию электронов в области коллектора. При спектральной плотности мощности. Довольно значительная для гиротронов превышении этого значения возникают отраженные от коллектора относительная ширина спектра (~ 5*10-5) в этих режимах объясняется, поэлектроны, вызывающие развитие неустойчивостей электронного потока в видимому, флуктуациями технических параметров источников питания, пространстве взаимодействия, что приводит к быстрому снижению СВЧ имевших место из-за недостаточной стабилизации при работе на высоких мощности и КПД.
уровнях потребляемой мощности. Уширение спектра может иметь Описание анализатора для измерения энергетических спектров и результаты положительный эффект для объемного нагрева и спекания керамики в измерений приведены в разделе 2.2. Анaлизaтоp (рис. 1) paзмещен в тpубе, микроволновой печи, поскольку обеспечивает размытие интерференционной пpисоединенной к коллектоpу гиpотpонa под углом, совпaдaющим с углом картины в области нагрева и, следовательно, более равномерное прогревание нaклонa силовой линии мaгнитного поля. Чеpез узкую пpодольную щель, образца по сравнению с нагревом узкополосным излучением. Наблюдаемое пpоpезaнную в коллектоpе, электpоны попaдaют в эту тpубу и движутся к уширение спектра соответствует теоретическим результатам и мишени, устaновленной пеpпендикуляpно силовой линии мaгнитного поля, свидетельствует о корректности использованных методов расчета.
величинa котоpого в этой облaсти много меньше, чем нa коллектоpе и, тем более, Как было отмечено, выходные характеристики гиротрона существенным в pезонaтоpе. По пути электpоны подвеpгaются тоpможению электpическим образом зависят от стабильности источников питания. Для того чтобы полем. Пpоизводнaя зaвисимости токa от тоpмозящего нaпpяжения нa сетке обеспечить устойчивую высокоэффективную генерацию автоколебаний в aнaлизaтоpa опpеделяет энеpгетическое paспpеделение электpонов.
гиротроне, его рабочие параметры ( напряжение, ток пучка, внешнее магнитное Пpедложеннaя методикa позволяет измеpять энеpгетический спектp поле ) должны быть достаточно хорошо стабилизированы. Показано, что электpонов в шиpоком диaпaзоне пapaметpов. Полученные pезультaты наиболее устойчивыми по отношению к флуктуациям напряжения являются свидетельствуют, что в моделиpующем pежиме paзбpос энеpгии электpонов в гиротроны с отношением вращательной скорости электронов к поступательной пучке, фоpмиpуемом стaндapтной электpонной пушкой гиpотpонa, в g=1,5...2,0 и короткими резонаторами. К более резкому падению КПД и срыву отсутствие взaимодействия чaстиц с ВЧ полем возpaстaет с pостом автоколебаний приводят положительные флуктуации (выбросы) напряжения пpостpaнственного зapядa (токa пучкa) и для paбочих знaчений токa нa выходе, которые уменьшают гирочастоту и, соответственно, увеличивают U /U > из системы состaвляет несколько пpоцентов. Следующим этапом расстройку циклотронного резонанса. Именно такие флуктуации нежелательны экспериментов было исследование спектра УотработавшихФ электронов (после при формировании импульсов высокого напряжения в источниках питания 15 взаимодействия с ВЧ полем). При этом на катод гиротрона и сетку напряжения более весомым является первый механизм (провисание анализатора подавались прямоугольные импульсы, причем амплитуда потенциала), вызывающий снижение оптимального магнитного поля. При сеточного импульса плавно уменьшалась от импульса к импульсу от максимальном тормозящем напряжении более существенным оказалось максимального значения (около 90 кВ), определявшегося возможностями изменение условий формирования пучка, что привело к смещению максимума источников питания и электрической прочностью конструкции анализатора, мощности в сторону больших значений магнитного поля.
до нуля. Сигналы, пропорциональные току мишени и тормозящему напряжению, поступали в автоматизированную систему сбора и обработки данных.
В распределении, соответствующем режиму генерации с максимальным КПД около 40%, при оптимальной расстройке циклотронного резононаса, наибольшее число электронов имеет энергию примерно вдвое меньше, чем начальная энергия электронов (до взаимодействия с ВЧ полем, определяемая полным ускоряющим напряжением U0). Слева от максимума (при меньших энергиях) число электронов незначительно, а справа склон функции распределения пологий, причем имеются и электроны с энергиями превышающими начальную. Такое энергетическое распределение хорошо согласуется с полученным при расчетах. При отстройке от оптимального режима генерации спектр энергии расширяется, а его максимум смещается к начальной энергии электронов. В большинстве случаев при отклонении тока и напряжения пучка, а также магнитного поля от значений, соответствующих оптимальному режиму генерации микроволнового излучения, происходили изменения спектра, сходные с описанным.
В разделе 2.3 приводятся результаты экспериментального исследования гиротрона на частоте 110 ГГц с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка (рис. 2). Между коллектором и корпусом лампы был помещен изолятор, что позволило создавать на коллекторе тормозящий Рис. 1. Принципиальная схема потенциал. Расположение изолятора определялось конструкцией лампы. В анализатора энергетического спектра Рис. 2. Гиротрон с проведенных модельных экспериментах напряжение на коллекторе электронного потока: 1 - мишень изолированным коллектором формировалось за счет тока пучка путем включения между коллектором и aнaлизaтоpa, 2 - сеткa, 3 - коллектоp, использованный землей переменного сопротивления. Измерения проводились в режиме 4 - дополнительный соленоид, 5 - в экспериментах по рекуперации pезонaтоp гиpотpонa, 6 - основной коротких импульсов (100 мкс) следующим образом: при фиксированных соленоид, 7 - электpоннaя пушкa.
значениях тока и напряжения плавно уменьшалась величина магнитного поля, что позволяло наблюдать зависимость выходной мощности и КПД от При напряжениях, существенно меньших чем возвратный потенциал магнитного поля. С ростом тормозящего напряжения Ur происходит (минимальная энергия электронов, при которой они неспособны преодолеть изменение магнитного поля, соответствующего максимальной выходной тормозящее поле), экспериментально полученные значения КПД соответствуют мощности. Это обусловлено двумя причинами: во первых, - увеличением расчетным, вычисленным по формуле провисания потенциала за счет отраженных электронов с ростом тормозящего U P U out.
= = напряжения; во вторых, - вызванным отраженными электронами изменением out U - Ur IU U - Ur распределения пространственного заряда в области формирования пучка, что При этих напряжениях ток на корпус лампы практически не изменяется и может приводить к изменению параметров электронного пучка в рабочем составляет несколько десятков миллиампер. По мере увеличения напряжения на пространстве. При относительно невысоких значениях тормозящего коллекторе возрастает число отраженных электронов и ток на корпус лампы (до 17 нескольких ампер), происходит насыщение, а потом резкое падение КПД и полученное значение КПД в гиротроне на второй гармонике гирочастоты с выходной мощности. В ходе экспериментов достигнут уровень КПД 65% при частотой 24 ГГц составляет 60% при выходной мощности 6-7 кВт, что выходной мощности 1 МВт. Полученные результаты послужили основой для является рекордным значением для подобных приборов.
разработки ЗАО НПП ГИКОМ промышленного гиротрона с КПД 70%.
В разделе 2.4 представлены результаты численного моделирования гиротрона на второй гармонике частоты с целью оптимизации параметров резонатора для достижения максимального КПД при использовании схемы рекуперации. Как уже отмечалось, основной величиной, определяющей эффективность рекуперации, является минимальная остаточная энергия электронов после взаимодействия с ВЧ полем. Из-за скоростного разброса, Рис. 3. Внешний вид технологического гиротрона с изолированным коллектором являющегося неотъемлемой особенностью МИП гиротронов, в резонаторе Глава 3 посвящена описанию высокоэффективных технологических всегда присутствуют как УбыстрыеФ электроны, с большой продольной гиротронов, созданных при активном участии автора диссертации.
скоростью, так и УмедленныеФ, у которых практически вся энергия Перспективы использования СВЧ энергии в технологических процессах сосредоточена в осцилляторной составляющей. Частицы с минимальной связаны, в первую очередь, с возможностью объемного нагрева большинства продольной энергией в области коллектора представляют основную угрозу неметаллических материалов, что позволяет ускорить их нагрев и уменьшить для эффективной рекуперации, т.к. такие частицы могут отразиться при тем самым длительность процесса обработки и энергозатраты. В настоящее подаче тормозящего потенциала на коллектор, что приведет к нарушению время с использованием излучения дециметрового диапазона в промышленном взаимодействия электронного пучка с ВЧ полем и катастрофическому производстве реализованы многие процессы тепловой обработки материалов, падению КПД прибора. Однако, если распределение ВЧ поля в пространстве основанные на объемном нерезонансном поглощении микроволновой энергии, взаимодействия плавное, то движение медленных электронов будет так же как и процессы обработки поверхностей изделий потоками частиц из адиабатическим, и они не могут отдать ВЧ полю больше определенной доли плазмы, создаваемой и поддерживаемой микроволновым излучением. При своей энергии. УБыстрыеФ электроны, для которых условие плавного повышении частоты излучения возможно появление принципиально новых изменения амплитуды поля не выполняется, будут иметь достаточный для микроволновых технологий. Технологические гиротроны, предназначенные для дальнейшего торможения запас энергии, даже если после взаимодействия с эксплуатации в промышленных условиях, как правило работают в режиме ВЧ полем, их поперечная скорость окажется нулевой. Исходя из сказанного, непрерывной генерации в промышленном стандарте частоты (24-30 ГГц).
огично предположить, что удлинение резонатора гиротрона будет Преимущества использования этого диапазона обусловлены ростом способствовать повышению минимальной энергии отработанного поглощательной способности большинства диэлектрических материалов с электронного пучка за счет увеличения запаса адиабатичности для электронов ростом частоты излучения, а также с возможностью достижения высокой с малой продольной скоростью. С другой стороны, увеличение длины однородности нагрева образца из-за уменьшения характерного резонатора приведет к уменьшению доли вращательной энергии электронов, пространственного размера неоднородностей ВЧ поля в микроволновой печи. В переданной ВЧ полю. Таким образом, требуется найти оптимальную длину разделе 3.1 дано описание и основные характеристики гиротронного пространства взаимодействия для гиротрона с рекуперацией.
микроволнового комплекса (рис. 4).
Для технологического гиротрона с рабочей модой ТЕ1.2 на второй СВЧ излучение генерируется гиротроном, выполненным в отпаянном гармонике гирочастоты были рассчитаны плоскости изо-КПД и, как и варианте с откачкой электроразрядным насосом. Эти гиротроны, как правило, предполагалось, эффективная рекуперация требует перехода к более имеют триодную магнетронно-инжекторную пушку, цилиндрический длинному резонатору (удлинение примерно 10-15% от оптимальной длины с резонатор и прямой вывод мощности через диэлектрическое окно точки зрения наиболее эффективного отбора энергии электронов ВЧ полем), сверхразмерным волноводом, являющимся одновременно коллектором для при этом выходной КПД увеличивается примерно в 1.2 - 1.3 раза.
электронного пучка. С выхода гиротрона микроволновое излучение поступает Проведенные расчеты послужили основой для разработки в линию передачи, состоящую из поляризатора, фильтра, преобразователя технологического гиротрона для микроволновой обработки материалов с моды в волновой пучок с пространственным распределением близким к одноступенчатой рекуперацией энергии (рис. 3). Экспериментально гауссовому, отрезка круглого волновода и излучателя. После линии передачи 19 излучение через диэлектрическое окно поступает в камеру, в которой реализовать рекордный для гиротронов на гармониках КПД 54% в схеме без располагается система зеркал и исследуемый образец диэлектрического рекуперации энергии. Оптимальным является плавно нарастающее к материала. Комплекс имеет автоматизированную систему управления коллектору с максимумом вблизи окончания однородного участка процессом нагрева образца по заданному пользователем сценарию на базе РС резонатора магнитное поле, при этом его распределение зависит от и систему блокировок и защит на основе микроконтроллеров ADAM. параметров электронного потока и точности изготовления резонатора и Контроллер программируется в соответствии с последовательностью незначительно варьируется для каждой конкретной лампы.
операций при нормальной работе комплекса и работает независимо. Его Раздел 3.4 посвящен разработке нового типа электронно-оптической подключение к компьютеру через один из портов интерфейса дает системы для гиротронов. Из условия устойчивости электронного пучка в возможность проверки состояния подгрупп блокировки. магнитном поле пробочной конфигурации следует, что максимальный питчфактор тем больше, чем меньше разброс компонент скорости. Поэтому Рис. 4.
повышение качества электронного пучка за счет снижения разброса является Технологический важным резервом повышения КПД гиротронов, в особенности мощных, стенд на основе поскольку разброс имеет тенденцию роста с током пучка и частотой 28 ГГц/15 кВт/CW гиротрона и генерации прибора. Исследована новая электронная пушка для 23.5-24.5ГГц/2.формирования мощного трубчатого винтового пучка, близкая по принципу кВт/CW гиро-ЛОВ работы инжектора к пушке Пирса. Её инжектор состоит из вогнутого для кольцевого катода, часть которого покрыта эмитирующим слоем, и двух высокочастотного анодов - внутреннего и внешнего. Особенностью пушки является то, что оба нагрева анода создают примерно одинаковые электрические поля на поверхности керамических эмиттера, т.е. расстояния от середины эмиттера до обоих анодов примерно материалов, одинаковые. Дополнительный анод ускоряет электроны до полного изготовленный напряжения пучка Uo. Магнитное поле в области пушки является полем ИПФ РАН/ГИКОМ для университета рассеяния основного соленоида, формирующего магнитное поле в области г.Фукуи (Япония) резонатора. При необходимости коррекции магнитного поля в области пушки используется относительно маломощный дополнительный (катодный) соленоид. В такой пушке влияние неоднородностей В разделе 3.2 описан технологический гиротрон на основном электрического поля на эмиттере и поля пространственного заряда циклотронном резонансе. В ходе экспериментов были исследованы тепловой исключено или значительно уменьшено, поскольку в режиме полного режим соленоида, инерционность и тепловая нагрузка на калориметр, работа пространственного заряда отсутствует начальный разброс скоростей, гиротрона в различных режимах. Была продемонстрирована устойчивая связанный с локальными неоднородностями эмитирующих свойств катода.
работа комплекса в течении нескольких часов. Параметры рабочего режима Расположение анодов по обе стороны пучка, вблизи его внешней и с максимальным КПД сведены в таблицу 1.
внутренней границ в прикатодной области, позволяет уменьшить разброс Таблица скоростей электронов, обусловленный влиянием их собственного Рабочая Частота Напряжение / КПД / Выходная пространственного заряда. При численном моделировании в такой пушки мода генерации Ток мощность для гиротрона с частотой 170 ГГц получены следующие параметры TE32 24 ГГц 33 кВ / 2.2 А 50% / 36 kW электронного пучка: ток I0=34А, питч-фактор g=1.8, скоростной разброс Существенное снижение потребляемой комплексом мощности v=13.7%. Для сравнения, типичные значения питч-фактора и скоростного происходит при переходе к генерации СВЧ мощности на второй гармонике разброса в МИП при тех же токах и напряжениях составляют g1.3, гирочастоты. К сожалению, при этом осложняется получение генерации с v30%. Из расчетов следует, что зависимость средней вращательной высоким КПД. В разделе 3.3 приводятся результаты теоретического и скорости электронов и разброса компонент скоростей v от малых v экспериментального исследования гиротронов с коррекцией продольного перемещений электродов пушки значительно сильнее, чем в адиабатической распределения магнитного поля основного соленоида что позволило 21 МИП. Тем не менее, требуемая точность установки, порядка 0.1 мм, является фактор g=1.8 при скоростном разбросе v около 10%. Отметим, что вполне реализуемой. При этом имеется возможность управления первеанс пучка оказывается близок к 10 мкА/В3/2, что примерно на порядок параметрами пучка, поскольку изменение потенциалов анодов инжектора в больше чем в традиционных МИП гиротронов. Как видно из таблицы 2, пределах 2 кВ (номинальное значение анодного напряжения 30 кВ) изменение полного ускоряющего напряжения позволяет варьировать питчпозволяет менять питч-фактор от 1.7 до 2.2 при малом изменении фактор в широких пределах при практически неизменном разбросе. Ток пучка при скоростного разброса. этом меняется примерно вдвое.
Создание гироприборов, в которых кинетическая энергия электронного Таблица пучка не превышает 1% от энергии покоя электрона, позволит существенно U (кВ) g v I (А) снизить массо-габаритные характеристики системы, упростить условия 4 1,50 0,16 2,эксплуатации, исключить или снизить влияние вредных для человека 4,5 1,65 0,13 2,сопутствующих паразитных факторов (таких, например, как рентгеновское 5 1,84 0,11 3,излучение с коллектора), что существенно расширит область применения гирорезонансных приборов. Из результатов расчетов следует, что несмотря 5,5 2,07 0,14 3,на релятивистский принцип работы гиротрона, возможен режим 6 2,33 0,17 3,эффективной генерации СВЧ излучения при рабочих напряжениях около Раздел 3.5 посвящен описанию эксперимента по повышению выходного кВ. Для реализации близкого к типичным значениям выходного КПД КПД гиро-ЛОВ. Как известно, гиро-ЛОВ обладает существенно меньшим КПД требуется формирование электронного потока с высоким значением питччем гиротрон, в силу большей чувствительности к разбросу скоростей фактора (что реализуется в рассмотренной выше электронно-оптической электронного пучка. Использование схемы рекуперации в этом случае системе) и оптимизация продольной структуры ВЧ поля. Оптимальное позволило увеличить КПД с 15% до 23% при тормозящем напряжении близком распределение ВЧ поля, как известно, близко к несимметричному к половине ускоряющего напряжения пучка. При дальнейшем увеличении треугольнику с более пологим склоном обращенным к катоду. На участке тормозящего напряжения начинается резкое падение электронного КПД и пологого склона ВЧ поля обеспечивается эффективная фазовая группировка соответствующее снижение выходного КПД. Столь высокая эффективность электронов, а далее в области максимального ВЧ поля вблизи выходного рекуперации (увеличение КПД в полтора раза) связана, прежде всего, с конца резонатора происходит преобразование энергии вращения в СВЧ относительно низким электронным КПД, т.е. с относительно малым уширением энергию. Распределение достаточно близкое к оптимальному может быть энергетического спектра в процессе генерации и достаточно высокой сформировано в резонаторе, состоящем из двух отрезков круглых минимальной энергией электронов в коллекторной области.
волноводов с разными диаметрами. Основной причиной, по которой эти Глава 4 посвящена исследованию гиротронов субмиллиметрового резонаторы до сих пор не получили широкого распространения, является диапазона длин волн. Основным препятствием для освоения гиротронами трансформация рабочего типа колебаний на скачке диаметра резонатора.
диапазона субмиллиметровых длин волн является отсутствие магнитных Однако, технологические гиротроны работают на низких модах, когда систем, способных создавать в достаточно больших объемах поля с индукцией в трансформация мод обычно невелика, а для низшей моды ТЕ1,1 она вообще несколько десятков тесла. Такие магнитные поля могут быть получены с отсутствует. Оптимизация позволяет достичь электронного КПД около 35%, помощью импульсных соленоидов, что позволяет разрабатывать импульсные близкого к электронному КПД большинства зарубежных технологических гиротроны субмиллиметрового диапазона. Для создания высокочастотных гиротронов на второй гармонике гирочастоты.
гиротронов, способных работать в режиме непрерывной генерации, наиболее Для технологического гиротрона на второй гармонике гирочастоты с реальным выходом является возбуждение ВЧ колебаний, резонансных с расчетной выходной мощностью 3-5 кВт найдена оптимизированная высшими гармониками циклотронной частоты электронов, при геометрия пушки на основе неадиабатической системы, работающей в соответствующем снижении рабочего магнитного поля.
режиме ограничения тока пространственным зарядом, которая оказывается В разделе 4.1 приводятся результаты экспериментального исследования наиболее приемлемой для формирования винтового электронного пучка при непрерывного субмиллиметрового гиротрона с рабочими модами ТЕ6,5, рабочем напряжении 5 кВ. Согласно данным траекторного анализа (на ТЕ8,5. что позволило получить киловаттный уровень выходной мощности. В основе программы ЭПОС), в рассматриваемой пушке реализуется питчэксперименте максимальный уровень мощности на второй гармонике 23 составил 0,9 кВт на частоте 250 ГГц. Относительно низкий выходной КПД гиротрона на третьей гармонике с выходной мощностью 100 Вт на частоте (~5% при генерации на второй гармонике) объясняется тем, что ток пучка 395 ГГц, разрабатываемого для экспериментов по ядерному магнитному превышал стартовый в 3-4 раза, в то время как оптимальный по КПД ток, резонансу. Показано, что для существенного превышения рабочего тока над должен быть примерно на порядок больше. Измерения ширины линии стартовым, резонатор должен быть достаточно длинным (более 20 длин излучения моды ТЕ6,5 были проведены при помощи обычной схемы, в волн). Определен допуск на точность изготовления резонатора.
состав которой входит гетеродин на ЛОВ, смеситель и стандартный Существенное превышение омических потерь над дифракционными анализатор спектра непрерывного излучения. Ширина линии на уровне - 3 позволяет считать приемлемым изменение диаметра резонатора примерно на дБ составила 200 кГц, на уровне - 10 дБ - около 300 кГц и на уровне - 20 дБ - 1 мкм на длине 20 мм.
около 400 кГц. При несущей частоте около 250 ГГц эти значения соответствуют относительной ширине линии ~. Достигнутый уровень 10-непрерывной мощности и достаточно узкая ширина линии излучения делают возможными применение таких гиротронов в качестве источников зондирующего излучения в экспериментах по активной диагностике плазмы.
Раздел 4.2 посвящен разработке и экспериментальному исследованию гиротрона с приосевым электронным пучком (т.н. гиротрон с большой орбитой - ГБО) и магнитной системой на постоянных магнитах.
Постоянный магнит на основе NdFeB состоит из многих элементов и механически скрепленных в единую конструкцию (рис. 5, рис. 6). Коррекция распределения магнитного поля осуществляется подвижными металлическими вставками, а коррекция величины поля в однородной области - дополнительными катушками. Магнитное поле в области резонатора может изменяться от 0.97T до 1.18 T. Высокие селективные свойства ГБО определяются тем, что приосевой электронный пучок Рис. 5. Магнитная система Рис. 6. Продольный разрез эффективно взаимодействует только с теми модами резонатора, у которых гиротрона с большой орбитой лампы и магнита азимутальный индекс равен номеру гармоники n.
Для ряда приложений (спектроскопия, диагностика и мониторинг В разработанном гиротроне (рис.6) реализована генерация рабочих различных сред, микроволновая обработка материалов) требуются плавно мод TE31 (n=3), TE41 (n=4) и TE51 (n=5), соответствующие частоты перестраиваемые по частоте источники электромагнитного излучения 89.3ГГц, 112.7ГГц и 138ГГц, в слаборелятивистском режиме с субмиллиметрового диапазона длин волн.
эффективностью в несколько процентов, равной или чуть большей, чем реализованные в подобных приборах релятивистском режиме генерации (рис. 7). Максимальные значения выходной мощности на третьей и четвертой гармониках составляют 2 кВт и 0.5 кВт, соответственно. В 1.проведенных экспериментах длительность импульса составляла 1 мс при 1.0.частоте повторения импульсов 1 Гц (рис. 8). Рабочее напряжение 40 кВ, 0.ток пучка 1.2А.
В силу большей по сравнению с традиционными гиротронами --сложности конструкции ГБО (в первую очередь системы формирования -0.5 0.0 0.5 1.0 1.электронного пучка) были исследованы возможности создания Time (ms) классического субмиллиметрового гиротрона на третьей гармонике Рис. 8. Осциллограммы выходной Рис. 7. Распределение выходной гирочастоты. В качестве рабочего типа колебаний была выбрана мода ТЕ6,4.
мощности, напряжения и тока мощности, полученное для моды ТЕ4,В разделе 4.3 диссертации представлены данные расчета непрерывного электронного пучка ГБО 25 P (a.u) Ib (A) Vb (kV) Представляется, что плавная механическая перестройка рабочей частоты на расчетам, это позволит расширить диапазон еще на 1,5%. Таким образом, высоком уровне мощности может быть реализована посредством метода, возможно расширение полосы плавной перестройки частоты генерации до 5% предлагаемого в разделе 4.4, с использованием коаксиальных резонаторов. В при работе на двух соседних однотипных модах. При этом КПД генерации таких резонаторах возможно плавное изменение их собственных частот за счет близок к значениям, реализуемым в традиционных гиротронах и намного продольного перемещения внутреннего соосного проводника переменного выше, чем в квазиоптических гиротронах.
радиуса. При этом будет меняться расстояние между внешней и внутренней Как указано выше, радикальное увеличение частоты генерации поверхностями коаксиального резонатора, от которого зависят собственные гиротронов может быть реализовано с использованием сверхсильных значения мод, а, следовательно, и частоты генерируемого излучения. магнитных полей создаваемых импульсными соленоидами. Раздел 4.На типичной зависимости собственных чисел мод коаксиального диссертации посвящен разработке и исследованию терагерцового гиротрона резонатора (определяющих частоту генерации гиротрона) от соотношения с импульсным магнитным полем. Опыт предыдущих экспериментов с радиусов внешней и внутренней поверхностей резонатора C = Ro/Ri имеются гиротронами, работающими в импульсных магнитных полях, показал, что два характерных участка. Вначале, при приближении радиуса внутреннего при разработке гиротронов с импульсными соленоидами должен проводника к каустике моды (по мере уменьшения параметра C), происходит учитываться целый рад специфических требований:
падение критической частоты (d/dc > 0). Затем, когда радиус коаксиального Х высокая стабильность источников питания;
стержня становится заметно больше радиуса каустики, критическая частота Х корпус гиротрона должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать возрастает (d/dc < 0). Самая широкополосная плавная перестройка большие механические нагрузки, обусловленные импульсным характером собственной частоты рабочей моды коаксиального резонатора возможна, магнитного поля, и в то же время достаточно тонким, чтобы по когда его параметры отвечают достаточно крутому участку с d/dc < 0.
возможности ослабить нагрев лампы индукционными токами, а также Для гиротрона с центральной рабочей частотой 330ГГц был рассчитан уменьшить затухание в корпусе лампы импульсного магнитного поля, резонатор на моду ТЕ14,9, в котором при продольном смещении приводящее к искажению его структуры;
коаксиального стержня на 10 мм возможна перестройка по частоте Х проводимость резонатора, с одной стороны, должна быть достаточно генерации свыше трех процентов (f/f 3,6%). Соответствующая подстройка низкой, чтобы уменьшить скинирование переменного магнитного поля (по магнитного поля позволяет сохранять выходную мощность на уровне около этой же причине резонатор, разумеется, должен быть тонкостенным), и в 100 кВт, что соответствует выходному КПД около 30%. Средняя удельная то же время во избежание падения КПД гиротрона эта проводимость тепловая нагрузка на внешней стенке резонатора находится на уровне должна быть достаточно высока, чтобы омическая добротность резонатора кВт/см2 (на внутреннем проводнике она примерно в два раза выше), что существенно превосходила его дифракционную добротность;
допускает работу при длительности импульса около миллисекунды при Х для стабильной работы гиротрона в режиме периодического следования частоте повторения около 10 Гц. Если снизить выходную мощность до импульсов как сам соленоид, так и корпус гиротрона должны достаточно кВт и использовать импедансный (с нанесенными продольными канавками) интенсивно охлаждаться.
коаксиальный стержень, то возможен непрерывный режим (удельная Получение в режиме повторяющихся импульсов магнитного поля тепловая нагрузка менее 1 кВт/см2), правда с меньшим КПД.
интенсивностью до 40-50Т, необходимых для генерации излучения В принципе, возможно расширение диапазона перестройки частоты терагерцового диапазона на основной гармонике гирочастоты, генерации в том же гиротроне, без изменения его конструкции, если обеспечивалось следующими конструктивными особенностями соленоида:
дополнительно работать на соседней однотипной моде. В рассматриваемом - с целью достижения максимальной энергетической эффективности случае это может быть мода ТЕ13.9. Для этого, находясь в режиме с токопроводящая жила соленоида наматывалась непосредственно на корпус наименьшей частотой генерации на моде ТЕ14.9, когда коаксиальный стержень гиротрона, максимально вдвинут в направлении выходного сечения резонатора (в нашем - с целью повышения механической прочности конструкции намотка случае на 5 мм от среднего положения), следует, не меняя величины осуществлена композитным кабелем; центральная жила из сплава Nb-60%Ti магнитного поля соленоида, выдвигать его, пока не возникнут колебания с той механически армирует наружную медную оболочку кабеля, же частотой на моде ТЕ13.9. Затем, вдвигая коаксиальный стержень, можно - для уменьшения омических потерь, увеличения механической прочности и получать генерацию с еще меньшей частотой на моде ТЕ13.9. Согласно термостабилизации в качестве пассивного хладогента использовался жидкий азот.
27 Резонатор радиусом R=1.5 мм может быть изготовлен с использованием Перестройка частоты генерации от импульса к импульсу была имеющихся в ИПФ РАН технологических возможностей с приемлемой реализована изменением времени задержки высоковольтного импульса точностью, а модовый спектр в этом случае представляется достаточно относительно импульса магнитного поля. В результате экспериментов редким для возбуждения одномодовой генерации. Основные параметры получена генерация СВЧ излучения в частотном диапазоне 0.9-1.0 ТГц, в гиротрона (рис. 9) терагерцового диапазона частот с импульсным том числе, на рекордной для гиротронов частоте 1.02 ТГц. Длительность соленоидом (рис. 10) представлены в таблице 3, а на рис. 11 изображены СВЧ импульса составляла 30-50 мкс при киловаттном уровне мощности осциллограммы напряжения, тока, магнитного поля и СВЧ импульса, (максимальное значение 2.7 кВт). Частота следования импульсов полученные в экспериментах. ограничивается возможностями охлаждения соленоида и составляет примерно 1 импульс в минуту, что на порядок выше, чем в известных зарубежных аналогах.
В заключении диссертации сформулированы её основные результаты.
Автор глубоко признателен В.Л.Братману, Ю.В.Быкову, А.Л.Гольденбергу, Г.Г.Денисову, В.Е.Запевалову, В.И.Козлову, А.Г.Лучинину, В.А.Малышеву, В.Н.Мануилову, Г.С.Нусиновичу, Т.Б.Панкратовой, М.И.Петелину, Е.В.Суворову, В.И.Цалолихину, а также всем сотрудникам ИПФ РАН, принимавшим участие в выполнении работ, составивших основу диссертации.
Основные результаты работы:
В диссертации развиты существующие и предложены новые принципы построения гироприборов для технологических комплексов и диагностических систем. Заложены основы нового перспективного направления - разработки мощных источников терагерцового диапазона частот.
Основные результаты диссертационной работы:
Рис. 9. Терагерцовый гиротрон Рис. 10. Импульсный соленоид с рабочим 1. В гиротроне с импульсным магнитным полем на основном циклотронном полем до 50Т и импульс тока соленоида резонансе получена мощность около 1.5 кВт на частотах 0.9-1.3ТГц.
Таблица 2. Показана возможность селективного возбуждения на второй и третьей Ускоряющее гармониках гирочастоты рабочих мод с высокими радиальными индексами.
напряжение, кВ Такие моды позволяют обеспечить достаточно большой диаметр резонатора в (диодная пушка) гиротронах субмиллиметрового диапазона длин волн, и следовательно, Ток пучка, A обеспечить допустимую тепловую нагрузку на стенки резонатора при ТЕ17,достаточно высоком уровне мощности. В частности, экспериментально Рабочие моды продемонстрирована генерация киловаттного уровня мощности на модах TE6,ТЕ24, (f~250 ГГц) и TE8,5 (f~280 ГГц) на второй гармонике гирочастоты. Разработан 1.0Выходная гиротрон с рабочей модой TE6,4 на третьей гармонике с выходной мощностью мощность, кВт 1.несколько сотен ватт на частоте 395 ГГц.
1.0Частота 3. Для задач спектроскопии предложен коаксиальный субмиллиметровый (f~3генерации, ТГц 1.3 ГГц ) гиротрон с плавной механической перестройкой частоты в полосе 3-5% за счет продольного перемещения внутреннего конического проводника.
Длительность Рис. 11. Осциллограммы напряжения, 4. Экспериментально получены энергетические спектры электронного импульса, мкс тока пучка, СВЧ импульса и тока потока после пространства взаимодействия, что позволяет разрабатывать соленоида ТГц гиротрона 29 приборы с рекуперацией остаточной энергии, в том числе и с Список цитируемой литературы многоступенчатыми коллекторами, с разделением электронного пучка на 1.Applications of High Power Microwaves. Eds. Gaponov-Grekhhov A.V. and энергетические фракции.
Granatstein V.L. Artech House Microwave Library, Boston, London, 1994.
5. Исследованы приборы с рекуперацией остаточной энергии электронного 2.Felch K., Danly B., Jory H., Kreisher K., Lawson W., Levush B., Temkin R..
пучка. В гиротроне с одноступенчатой рекуперацией энергии Characteristics and Applications of Fast-Wave Gyrodevices // Proceedings of the экспериментально получен КПД 65% при уровне выходной мощности IEEE, 1999, 87, 5, p.7около 1 МВт на частоте 110 ГГц в режиме коротких (100 мкс) импульсов.
3.Chu K.R. The electron cyclotron maser // Reviews of modern physics, 2004, 76, p.4За счет использования схемы рекуперации достигнуто увеличение 4.Thumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron выходного КПД гиро-ЛОВ с центральной частотой 24 ГГц от 15% до 22%.
Masers Update 2007 // FZKA 7389, Karlsruhe, 206. Получен высокий КПД в гиротронах на гармониках гирочастоты за счет 5.Запевалов В.Е. Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД // оптимизации продольного распределения магнитного и высокочастотного Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006, 49, 10, с.8полей в области резонатора. Для технологических комплексов 6.Гольденберг А.Л., Петелин М.И. Формирование винтовых электронных микроволновой обработки материалов созданы непрерывные гиротроны на пучков в адиабатической пушке // Изв. вузов. Радиофизика, 1973, 16, 1, с.1второй гармонике гирочастоты на уровне мощности 10 кВт с рекордными 7.Kuftin A.N., Lygin V.K., Manuilov V.N., Postnikova A.S., Zapevalov V.E.
значениями эффективности - выше 50% без рекуперации остаточной Advanced numerical and experimental investigation for gуrotrons helical electron энергии электронов и 60% при одноступенчатой рекуперации остаточной beams. // Int. Ibid, 1999, 20, p.361.
энергии электронного потока.
8.Nusinovich G.S. Mode interaction in gyrotrons. // Int. J. Electronics, 1981, 51, 4, p. 47. Исследованы возможности реализации высокого (до 35%) КПД в гиротроне с 9.Завольский Н.А., Нусинович Г.С., Павельев А.Б. Устойчивость рабочими напряжениями в несколько (3-5) кВ. Показано, что неадиабатическая одномодовых колебаний и нестационарные процессы в гиротроне со электронная пушка, работающая в режиме ограничения тока пространственным сверхразмерными низкодобротными резонаторами В кн. Гиротрон, Горький, зарядом, позволяет сформировать при этих напряжениях электронный пучок со 1989, с.скоростным разбросом значительно меньшим, чем в традиционных 10.Bogdashov A.A., Chirkov A.V., Denisov G.G. et al. Mirror synthesis for адиабатических системах, что позволяет увеличить КПД приборов. Для оценки gyrpotron quasi-optical mode converters // Int.J.Infrared and millimeter waves, скоростного разброса в процессе эксплуатации прибора реализована система 1995, 16, 4, р.7контроля эмиссионной неоднородности катода, основанная на анализе его 11.Денисов Г.Г., Самсонов С.В., Соболев Д.И. Двумерная реализация метода вольт-амперной характеристики.
синтеза волноводных преобразователей // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006, 49, 8. Создан гиротрон с приосевым электронным пучком, в котором магнитное 12, с.10поле формируется постоянными магнитами. При существенном 12.Sakamoto K., Tsuneoka V., Kasugai A. et al. Major improvement of gyrotron упрощении конструкции по сравнению с гиротронами, работающими при efficiency with beam energy recovery // Phys. Rev. Lett., 1994, 73, 26, p.35напряжениях в несколько сотен киловольт, в приборе получена генерация 13.Sakamoto K., Tsuneoka V., Kasugai A. et al. Development of high power на третьей, четвертой и пятой гармониках гирочастоты при рабочих gyrotron with energy recovery system // Fusion Eng. Des. 30 (1995) напряжениях около 40 кВ с эффективностью того же порядка, что и в 14.Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Литвак А.Г., Мясников В.Е. Гиротроны приборах с большими рабочими напряжениями.
мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного 9. Исследована зависимость режимов генерации гиротрона от величины нагрева и генерации тока в установках УТС // Изв. ВУЗов Радиофизика, отраженного от нагрузки сигнала. Показано, что при попадании в резонатор 2003, 46, 10, с.8отраженного сигнала на уровне около 10% токи, при которых в гиротроне 15.Ling G., Piosczyk B., Thumm M. A new approach for a multistage depressed устанавливается автомодуляционный или стохастический режимы collector for gyrotrons // IEEE Trans. on Plasma Science, 2000, 28, pp.6генерации, снижаются примерно на порядок по сравнению с режимом без 16.Borie E., Dammertz G., Thumm M. et al. Development of advanced highотражений, а в режиме стационарных колебаний эффективность генерации power 140 GHz gyrotrons for fusion plasma application // Fusion Eng. Des. существенно (в 1.5-2 раза) падает даже при уровне отраженного сигнала в (1995) несколько процентов.
31 17.Зарницина И.Г., Нусинович Г.С. Конкуренция мод в гиромонотронах на А5. Глявин М.Ю. Установление колебаний в гиротроне с синхронным второй гармонике циклотронной частоты // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1977, взаимодействием мод // Электронная техника, Электроника СВЧ, 1994, 20, 3, с.461 2(462), с.18.Программа фундаментальных исследований Президиума РАН N29 А6. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е. Численное моделирование переходных Электромагнитные волны терагерцового диапазона. Отчет за 2005г., процессов в 170ГГц/1MВт гиротроне для ITER // Изв. ВУЗов Радиофизика, Новосибирск, 2005 1996, 39, 9, с.1119.Лучинин А.Г., Малыгин О.В., Нусинович Г.С., Флягин В.А. А7. Bratman V.L., Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Savilov A.V., Venedictov N.P., Субмиллиметровый гиротрон с импульсным магнитным полем // ЖТФ, Zapevalov V.E. Measurement and interpretation of electron energy spectra in gyrotrons.
1983, 53, 8, с.1629 // Conference digest 22 Int. Conf. on IRMM Waves, Wintergreen, 1997, p.120.Idehara T., Ogawa I., Mitsudo S., Pereyaslavets M., Nishida N., Yoshida K. А8. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Development of frequency tunable, medium power gyrotrons (GyrotronFU series) Постникова А.С., Юлпатова М.В. Экспериментальное исследование as submillimeter wave radiation sources // IEEE Transactions on Plasma Science, эмиссионной неоднородности катодов гиротронов по вольт-амперным 1999, 27, 2, р.340 характеристикам // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1997, 40, 4, с.521.Hornstein M.K., Bajaj V.S., Griffin R.G. et al. Second Harmonic Operation at А9. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е. Влияние отражений на устойчивость 460 GHz and Broadband Continuous Frequency Tuning of a Gyrotron Oscillator // автоколебаний в гиротронах // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998, 41, 10, с.13IEEE Trans. оn electron devices, 2005, 52, 5, р.798 А10. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е.. Куфтин А.Н. Конкуренция мод в нестационарных 22.Gavrilov N.G. et al. Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL // режимах мощных гиротронов // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998, 41, 6, с.8Nuclear Instrum. and Methods in Physics Research A, 2007, 575, р.54 А11. Гинзбург Н.С., Глявин М.Ю., Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Моисеев 23.Shimizu Y., Makino S., Ichikawa K. et al. Development of submillimeter wave М.А., Новожилова Ю.В. Использование отражения с запаздыванием для gyrotron using 12 T superconducting magnet // Phys. Plasmas, 1995, 2, p.2110 получения автомодуляционных и стохастических режимов генерации в 24.Idehara T., Saito T., Mori H., Tsuchiya H., LaAgusu, Mitsudo S. Long Pulse гиротронах миллиметрового диапазона // Письма в ЖТФ, 1998, 24, 11, с.Operation of the THz Gyrotron with a Pulse Magnet // Int. J. Infrared and А12. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н.
Millimeter Waves, 2008, 29, 2, p.131 Экспериментальное исследование 110ГГц/1МВт гиротрона с одноступенчатой 25.Bratman V.L., Bandurkin I.V., Dumesh B.S. et al. Sources of Coherent рекуперацией энергии // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998, 41, 5, с.6Terahertz Radiation // AIP Conference Proc. of 7th Workshop on High Energy А13. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Кулыгин М.Л. Нестационарные Density and High Power RF, 2006, 807, p.356 процессы в гиротроне с отражением излучения от неоднородностей выходного тракта // Изв. ВУЗов Радиофизика, 1998, 41, 12, с.16А14. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuftin A.N., Postnikova A.S., Venediktov N.P., Список основных публикаций автора по теме диссертации Zapevalov V.E. Experimental investigation of electron energy spectrum in gyrotrons // А1. Глявин М.Ю., Гуртовник А.А., Нусинович Г.С., Панкратова Т.Б. Proceedings of 12th Int. Conf. on high-power particle beams, Izrael, Haifa, 1998, 2, р.7А15. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuftin A.N., Lygin V.K., Postnikova Возбуждение высших мод в гиротронах, работающих на гармониках A.S., Zapevalov V.E. Experimental studies of gyrotron electron beam systems // циклотронной частоты. В кн. Гиротрон, Горький, 1989, р.IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27, 2, p.4А2. Глявин М.Ю. Влияние нестабильности напряжения на КПД и А16. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Кулыгин М.Л. Влияние отражения СВЧ устойчивость автоколебаний в гиротронах // Электронная техника, сигнала на эффективность генерации гиротронов с перестройкой частоты, // Электроника СВЧ, 1990, 3(427), с.Изв. ВУЗов Радиофизика, 1999, 42, 11, с.10А3. Глявин М.Ю., Нусинович Г.С. Устойчивость одномодовых колебаний А17. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Кулыгин М.Л., Куфтин А.Н. Учет в гиротроне с синхронным взаимодействием мод // Радиотехника и реального распределения электронов по скоростям при расчете КПД электроника, 1991, 3, р.5гиротрона. // Электронная техника, серия 1 СВЧ техника, 1999, 2(474), с.А4. Glyavin M.Yu., Goldenberg A.L., Kuftin A.N., Pylin A.V., Zapevalov V.E.
А18. Глявин М.Ю. Мощный высокоэффективный гиротрон для микроволновых Measurement of energy spread in electron beams of gyrotrons // Conference digest технологий // Избранные труды молодых ученых ИПФ РАН, Н.Новгород, 1999, с.19 Int. Conf. on IRMM Waves, Sendai,1994, p.433 А19. Dumbrajs O., Glyavin M., Zapevalov V., Zavolsky N. Influence of А32. Sabchevski S., Idehara T., Glyavin M., Mitsudo S., Ogawa I., Ohashi K., reflections on mode competitions in gyrotrons // IEEE Transactions on Plasma Kobayashi H. Design of large orbit gyrotron with permanent magnet system // Int.
Science, 2000, 28, 3, p.5J. Vacuum, 2001, 62, 2-3, p.1А20. Братман В.Л., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Савилов А.В. Разброс А33. Idehara T., Mitsudo S., Sabchevski S., Glyavin M., Ogawa I. Gyrotron FU series начальной энергии электронов в гиротроне вызваный развитием - current status of development and applications // Int. J. Vacuum, 2001, 62, 2-3, p.1неустойчивости отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке // А34. Глявин М.Ю., Кулыгин М.Л. Теоретическое и экспериментальное ЖТФ, 2000, 70, 4, с.исследование автомодуляционных режимов генерации в гиротронах с А21. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Запевалов В.Е., запаздывающей обратной связью // Избранные труды конкурса молодых Куфтин А.Н., Постникова А.С. Измерение разброса начальной энергии ученых ИПФ РАН, Н.Новгород, 2001, с.электронов в гиротроне // ЖТФ, 2000, 70, 4, с.А35. Zapevalov V., Idehara T., Sabchevski S., Ohashi K., Manuilov V., Glyavin А22. Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Лучинин А.Г. Экспериментальное M. et al. Simulation and design of a high harmonic gyrotron with permanent исследование спектрального состава выходного излучения в гиротроне с magnet system // Proceedings of the Int. Workshop "Strong Microwave in отражением части выходного сигнала // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2000, 43, 5, с.4Plasmas", ed. Litvak A.G., N.Novgorod, 2003, р.1А23. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Гольденберг А.Л., Запевалов В.Е., А36. Sabchevski S., Idehara T., Ogawa I., Glyavin M., Ohashi K. Simulation of a Куфтин А.Н., Моисеев М.А., Постникова А.С. Исследование high harmonic gyrotron with axis-encircling electron beam and permanent magnet энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ // Int. J. IRMM Waves, 2002, 23, 5, р.6полем в гиротроне // ЖТФ, 2000, 70, 12, с.А37. Bykov Yu., Denisov G., Glyavin M., Eremeev A., Idehara T., Mitsudo S., А24. Sabchevski S., Idehara T., Ogawa I., Glyavin M., Mitsudo S., Ohashi K., Hoshizuki H. Development of a compact gyrotron system for microwave Kobayashi H. Computer simulation of axis-encircling beams generated by an electron processing of materials // Journal of the Japan Society of Infrared Science and gun with permanent magnet system // Int. J. IRMM Waves, 2000, 21, 8, р.11Technology, 2002, 12, 1, р.А25. Glyavin M., Sabchevski S., Idehara T., Ogawa I., Mitsudo S., Ohashi K., А38. Zapevalov V., Idehara T., Sabchevski S., Ohashi K., Manuilov V., Glyavin Kobayashi H. Numerical analysis of weakly relativistic large orbit gyrotron with M. et al. Design of a large orbit gyrotron with a permanent magnet system // Int. J.
permanent magnet system // Int. J. IRMM Waves, 2000, 21, 8, р.12IRMM Waves, 2003, 24, 3, р.2А26. T.Idehara, S.Mitsudo, S.Sabchevski, M.Glyavin, Aripin, M.Ui, K.Matsuda, А39. Glyavin M., Zapevalov V., Idehara T., Ogawa I. Influence of voltage fluctuations K.Kitai and I.Ogawa. Present status of submillimeter wave gyrotron (FU Series) on gyrotron efficiency and stability // Int. J. IRMM Waves, 2003, 24, 4, р.4development as radiation sourсe // Proceedings of the 8th Asia Pacific Physics А40. Denisov G., Bratman V., Glyavin M., Lygin V., Luchinin A., Manuilov V., Conference, Taipei, Taiwan, 2000, р.2Ofitserov M., Samsonov S., Volkov A., Thumm M. Recent test results on broad-band А27. Idehara T., Mitsudo S., Sabchevski S., Glyavin M., Ogawa I. Development of high gyro-TWT and gyro-BWO with hellically grooved operating waveguides // 4th power, frequency tunable, submillimeter wave sources - Gyrotron FU Series // Proceedings International Vacuum Electronics Conference, IVEC2003, Seoul, Korea, 2003, р.3of 13 Int. Conf. on High Power Particle BEAMS-2000, Japan, Nagaoka, 2000, р.А41. Fernandez A., Martin R., Glyavin M., Novozhilova J., Ofitserov M., Petelin А28. Idehara T., Mitsudo S., Sabchevski S., Glyavin M., Ogawa I., Sato M., Kawahata K., M. Some opportunities to control and stabilize frequency of gyrotron // 4th Brand G. Development of frequency tunable gyrotrons for plasma diagnostics // International Vacuum Electronics Conference, IVEC2003, Seoul, Korea, 2003, Proceedings of the 5th Australia-Japan Workshop on Plasma Diagnostics, JAERI, 2000, р.р.1А29. Dumbrajs O., Glyavin M., Moiseev M., Zapevalov V., Zavolsky N. Impact А42. Bykov Yu., Glyavin M., Denisov G., Holoptsev V., Eremeev A., Plotnikov of reflections on gyrotron operation // Proceedings of the Int. Workshop on Strong I., Pavlov N. 3.5 kW 24 GHz compact gyrotron system for microwave processing Microwaves in Plasmas, N.Novgorod, 2000, 2, p.6of materials // Advances in Microwave & Radio Frequency Processing, ed. M.
А30. Bykov Yu., Glyavin M., Goldenberg A., Luchinin A., Lygin V., Zavolsky N.
Willert-Porada, Springer, 2003, р.Efficient 24-30 GHz, CW gyrotrons for technological applications // Proceedings of the А43. Idehara T., Ogawa I., Mitsudo S., Iwata Y., Watanabe S., Itakura Y., Ohashi K., Int. Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, N.Novgorod, 2000, 2, p.7Kobayashi H., Yokoyama T., Zapevalov V., Glyavin M., Kuftin A., Malygin O., А31. Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M. et al. Gyrotron compact system for Sabchevski S. A high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a materials processing // Conference proceedings 26 Int. Conf. on IRMM Waves, permanent magnet // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004, 32, 3, p.9Toulouse, France, 2001, p.5.135 А44. Samsonov S., Denisov G., Bratman V., A.Bogdashov, M.Glyavin, oscillator // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 2006, 56, 6, A.Luchinin, V.Lygin, M.Thumm, Frequency-tunable CW gyro-BWO with a p.27А57. Denisov G., Glyavin M., Morozkin M., Petelin M., Sobolev D.
helically rippled operating waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science, Development of high efficient technological gyrotron with depressed collector // 2004, 32, 3, p.8Proceedings of the 6 International Kharkov symposium УPhysics and engineering А45. Bykov Yu., Eremeev A., Glyavin M. et al. 24-84 GHz gyrotron systems for of microwaves, millimeter and submillimeter wavesФ, Kharkov, Ukraine, 20technological microwave applications // IEEE Transactions on Plasma Science, А58. Glyavin M., Luchinin A. The experimental tests of THz range gyrotron with 2004, 32, 1, p.pulsed magnetic field // Book of abstract, PPPS 2007, Albuquerque, New Mexico, А46. Zapevalov V., Belousov V., Bogdashov A., Bykov Yu., Chirkov A., Denisov G., USA, 20Glyavin M. et al. Evolution of Russian gyrotrons for fusion and technological А59. Глявин М.Ю., Морозкин М.В. Оптимизация длины резонатора в applications, Proceedings the 10th Triennial ITG-Conference on Displays and гиротронах на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной Vacuum Electronics, ITG-183, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004, p.энергии электронного пучка // Изв. вузов Радиофизика, 2008, 51, 7, с.6А47. Hoshizuki H., Mitsudo S., Saji T., Matsuura K., Idehara T., Glyavin M. et А60. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г., Морозкин М.В., Хижняк В.И. Плавная al. High temperature thermal insulation system for millimeter wave sintering of широкополосная перестройка рабочей частоты гиротрона // Изв. вузов B4C // Int. J. IRMM Waves, 2005, 26, 11, p.15Радиофизика, 2008, 51, 1, с.А48. Sabchevski S., Idehara T., Glyavin M., Ogawa I., Mitsudo S. Modeling and А61. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г. Терагерцовый гиротрон с импульсным simulation of gyrotrons // Int. J. Vacuum, 2005, 77, 4, p.5магнитным полем // Изв. вузов Радиофизика, 2007, 50, 10-11, с.8А49. Idehara T., Ogawa I., Mitsudo S., Iwata Y., Watanabe S., Itakura Y., Ohashi K., А62. Denisov G., Bykov Y., Glyavin M., Luchinin A., Morozkin M., Sobolev D.
Kobayashi H., Yokoyama T., Zapevalov V., Glyavin M., Kuftin A., Malygin O. and High efficient gyrotron-based systems for technological applications // Joint 33st Sabchevski S. Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 16th Int. Conf. on Terahertz electron beam and a permanent magnet // Int. J. Vacuum, 2005, 77, 4, p.5Electronics, Pasadena, USA, 2008, R4A2.15А50. Manuilov V., Idehara T., Glyavin M. et al. Electron optic system of powerful Large А63. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G. and Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5Orbit Gyrotron with pulse magnetic field // Int. J. IRMM Waves, 2005, 26, 1, p.kW 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field // А51. Gitlin M.S., Glyavin M.Yu., Luchinin A.G. and Zelenogorsky V.V.
Phys. Rev. Lett, 2008, 100, 1, р.0151Imaging the output radiation pattern of 110 GHz gyrotron with pulsed magnetic А64. Glyavin M., Khizhnyak V., Luchinin A., Idehara T. and Saito T. The design field using recombination continuum emitted by a slab of the Cs-Xe DC discharge of the 394.6 GHz continuously tunable coaxial gyrotron for DNP spectroscopy // // IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, 33, 2, p.3Int. J. IRMM Waves, 2008, 29, 7, p.6А52. Гольденберг А.Л., Мануилов В.Н., Глявин М.Ю. ЭлектронноА65. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Manuilov V.N. and Nusinovich G.S.
оптическая система мощного гиротрона с неадиабатической электронной Design of a sub-THz, third-harmonic, continuous-wave gyrotron // IEEE пушкой // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2005, 48, 6, c.5Transactions on Plasma Science, 2008, 36, 3, p.5А53. Luchinin A.G., Glyavin M.Yu., Malyshev V.A. Development of a THz А66. Morozkin M.V., Glyavin M.Yu., Denisov G.G., Luchinin A.G. A highgyrotron based on high field intensity pulse magnet // Abstracts 6 Int. Workshop efficiency second harmonic gyrotron with a depressed collector // Int. J. IRMM УStrong microwaves in plasmasФ, N.Novgorod, Russia, 2005, SWaves, 2008, 29, 11, p.10А54. Гольденберг А.Л., Глявин М.Ю., Завольский Н.А., Мануилов В.Н.
А67. Bratman V., Glyavin M., Idehara T., Kalynov Yu., Luchinin A., Manuilov Технологический гиротрон с низким ускоряющим напряжением // Изв.
V., Mitsudo S., Ogawa I., Saito T., Tatematsu Y., Zapevalov V. Review of subВУЗов Радиофизика, 2005, 48, 10-11, с.8terahertz and terahertz gyrodevices at IAP RAS and FIR FU // IEEE Transactions А55. Глявин М.Ю., Морозкин М.В., Петелин М.И. Разделение on Plasma Science, 2008, 36, энергетических фракций электронного пучка локализованной неоднородностью магнитного поля в коллекторной области гиротроприборов // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2006, 49, 10, с.9А56. Rozental R.M., Ginzburg N.S., Glyavin M.Yu., Sergeev A.S. Novel source of the chaotic microwave radiation based on the gyrotron backward-wave 37 ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Введение 1 Экспериментальное исследование факторов, влияющих на КПД гиротронов 1.1 Влияние однородности эмиссии катода на КПД гиротрона и диагностика качества катодов по вольт-амперной характеристике 1.2 Особенности взаимодействия мод при генерации на рабочих модах высокого порядка 1.3 Влияние СВЧ мощности, отраженной от элементов электродинамической системы, и нестабильности напряжения на КПД и спектр выходного излучения гиротронов 2 Высокоэффективные гироприборы с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка 12.1 Особенности рекуперации в гироприборах 12.2 Экспериментальное исследование энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротрона 12.3 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной энергии электронов 12.4 Технологический гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией энергии 12.5 Повышение КПД гиро-ЛОВ за счет использования коллектора с рекуперацией. 13 Разработка и экспериментальное исследование гиротронов для микроволновых технологий 13.1 Комплексы микроволновой обработки материалов на базе гирприборов Глявин Михаил Юрьевич 13.2 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты для технологического микроволнового комплекса 1ГИРОТРОНЫ 3.3 Гиротроны на второй гармонике гирочастоты для задач микроволновой ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ обработки материалов 13.4 Технологический гиротрон с низким рабочим напряжением 177 И ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 4 Субмиллиметровые гиротроны для диагностических приложений 14.1 Непрерывный субмиллиметровый гиротрон с рабочей модой высокого порядка 14.2 Гиротрон с приосевым электронным пучком и магнитной системой на А в т о р е ф е р а т основе постоянных магнитов 24.3 Перспективы генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах на третьей гармонике гирочастоты 24.4 Численное моделирование плавной широкополосной перестройки Подписано в печать 12.12.20частоты в коаксиальном гиротроне с подвижным внутренним стержнем 243 Формат 60 90 1/16. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 2,5. Тираж 150 экз. Заказ №** (2008) 4.5 Гиротрон терагерцового диапазона частот с импульсным соленоидом 2 Заключение 2 Цитированная литература 2Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, Список публикаций автора по теме диссертации 3603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 39
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное