ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление
Обозначения и сокращения Введение.
Глава 1. Методы и результаты теории селекции и взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами.
1.1 Проблема взаимодействия мод в гиротронах с резонаторами большого поперечного сечения
1.2 Стартовые токи мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами и селекция мод на стадии самовозбуждения.
1.3 Уравнения нестационарных процессов в многомодовых гиротронах и устойчивость стационарной одномодовой генерации.
1.4 Получение устойчивой стационарной одномодовой генерации при взаимодействии мод, синхронных с пучком на первой и второй гармониках циклотронной частоты.
1.5 Особенности конкуренции мод с продольной структурой бегущей волны.
1.6 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с энергетическим взаимодействием мод.
1.7 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с амплитуднофазовым взаимодействием мод
1.8 Обеспечение устойчивости генерации в трехмодовом гиротроне с фазовой связью мод.
1.9 Использование связанных резонаторов с трансформацией мод в гиротронах.
1.10 Селекция мод в многолучевых гиротронах.
1.11 Влияние статического пространственного заряда в электронных пучках, циклотронной рсабсорбции и ряда других факторов на характеристики гиротрона
Выводы.
Глава 2 Экспериментальные исследования и разработка мощных гиротронов на основном циклотронном резонансе.
2.1 Основные проблемы мощных квазинспрерывных гиротронов миллиметрового диапазона
3
2.2 Исследование и оптимизация параметров электронного пучка в мощных 108
гиротронах миллиметрового диапазона
2.3 Исследование высокоэффективных гиротронов с выводом энергии на ра- 127
бочей моде.
2.4 Оптимизация гиротрона со встроенным преобразователем. 136
2.5 Рекуперация в мощных гиротронах. 155
2.6 Разработка мощного многочастотного гиротрона. 171
2.7 Опытно-промышленные квазинепрерывные гиротроны мегаваттного 180
уровня мощности для УТС.
2.8 Создание непрерывного гиротрона с частотой 300 ГГц 186
Выводы. 191
Глава 3. Экспериментальное исследование гиротронов на гармониках 192
гирочастоты.
3.1 Особенности гиротронов на гармониках гирочастоты. 192
3.2 Эффекты конкуренции мод и селекция колебаний в гиротроне на второй 194
гармонике с рабочей модой ТЕ02.
3.3 Мощный гиротрон на второй гармонике гирочастоты. 208
3.4 Гиротрон на второй гармонике с дополнительным поглощающим пучком 217
3.5 Мощный гиротрон с двумя излучающими пучками 221
3.6 Гиротроны со связанными резонаторами с трансформацией мод. 225
3.7 Гиротроны на высоких гармониках с приосевым пучком. 229
Выводы 236
Заключение 237
Цитированная литература 239
Список авторских работ 252
4
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ а- коэффициент перемагничивания (а = Ва/Ве , где Вд,Вс -магнитные поля в рабочем пространстве и на катоде соответственно);
Р, Рі > Р\\ - полная, осцилляторная и продольная скорости в рабочем пространстве, отнесенные к скорости света;
у - относительная энергия электронов (релятивистский масс-фактор);
=
^ - среднее значение относительной энергии электронов на выходе из резонатора; со - частота (циклическая) колебаний в резонаторе; т] - коэффициент полезного действия; в- угол пролета электронов;
Я- длина волны;
77-КПД;
77сі- электронный КПД;
соц - гирочастота электронов (циклическая);
- скоростной разброс по поперечным скоростям электронов;
Во - величина магнитного поля в резонаторе;
ВК- нитрид бора;
ВЫ окно -окно из пиролитического нитрида бора;
СРИ-коллектор - коллектор с рекуперацией;
СУО-алмаз - синтетический алмаз, выращенный по СУБ-технологии;
С\У-режим непрерывной генерации;
Ес - электрическое поле на катоде;
Луі)_ Функция распределения по поперечным скоростям;
Дп>)- функции распределения электронов по энергиям;
Дг) - функция продольного распределения ВЧ поля;
Дг) - функция продольного распределения ВЧ поля; g - питч фактор;
<7тр- структурный фактор;
I - ток пучка;
*/т(у) - функция Бесселя;
производная Функции Бесселя Ут(у);
1ои{- длина перехода;
ЬаВб-гексаборид лантана;
5
MOU - Согласующее квазиоптическое устройство
Pohm - удельная мощность Омических потерь в резонаторе;
Pour выходная мощность;
Q - добротность резонатора;
Qom - омическая добротность; г0 - ларморовский радиус;
Rq - радиус ведущих центров электронного пучка в резонаторе;
/?с - радиус катода;
Явыч - величина конечного радиуса выходного перехода;
/?р - радиус резонатора ;
Гх - отношение осцилляторной энергии к полной;
ТЕтр - волноводная мода с азимутальным (т) и радиальным (р) индексами;
TEmpq - резонаторная мода с азимутальным (гп), радиальным (р) и продольным (q) индексами (в случае q=l третий индекс, как правило, опускаегся);
Ub - напряжение пучка;
i/o - ускоряющее напряжение;
vi, vy - осцилляторная и продольная скорости в рабочем пространстве;
W - энергия электронов;
Zc - координата точки синхронизма;
ВА - характеристика - вольтамперная характеристика;
ВЧ поле - высокочастотное поле;
ВЭП - винтовой электронный пучок;
КПД - коэффициент полезного действия;
МИП - магнетронно-инжекторная пушка;
НГ - непрерывная генерация
СВЧ генерация - генерация на сверхвысоких частотах Тр - длительность импульса;
УТС - управляемый термоядерный синтез
6
Введение
Актуальность работы.
Поиски путей создания высокоэффективных источников когерентного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, техническое освоение новых диапазонов частот и новых уровней мощности всегда составляли одну из основных задач исследований. С одной стороны, эти исследования были стимулированы потребностями нелинейной оптики, физики плазмы и электроники СВЧ, а с другой - явились закономерным этапом развития теории колебаний распределенных систем. Применительно к нелинейной оптике и электронике СВЧ одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля. В сущности, этим определяются предельные энергетические параметры соответствующих систем. Указанная задача в той или иной форме ставилась уже на первых этапах развития электроники СВЧ, в которой характерные размеры рабочего пространства были сравнимы с длиной волны. Пространственная структура электромагнитного поля в этих случаях соответствовала собственным колебаниям (модам) электродинамических структур.
В классической слаборелятивистской электронике СВЧ, базирующейся на черепковском и переходном излучениях элекзронов, в качестве электродинамических структур, как правило, использовались резонаторы, работающие на основном виде колебаний, и замедляющие системы. Анализ модового взаимодействия здесь практически не имел отношения к таким “грубым” характеристикам системы, как предельная мощность и КПД. Ситуация радикально изменилась после открытия новых принципов автофазировки заряженных частиц и основанных па них электронных приборов СВЧ, в которых используется индуцированное излучение классических электронных осцилляторов [1-8], а также релятивистских электронных систем [8-12].
Принципиальная возможность в указанных системах существенно увеличивать объем рабочего пространства при сохранении заданного частотного диапазона (за счет взаимодействия с незамедленными электромагнитными волнами) ставит проблему селекции и взаимодействия мод как одну из основных и наиболее актуальных.
Особый интерес представляет исследование магнитотормозного индуцированного излучения электронов в однородном магнитном поле (мазеры на циклотронном резонансе [1, 13, 14]). К настоящему времени МЦР и созданные в нашей стране гиротроны (А.В.Гапонов-Грехов, АЛ. Гольденберг, МИ. Петелин, В.А.Флягин, В.К. Юлпатов и др.) [13 - 16], значительно превзошли но уровню средней мощности [1, 16-19, 1а-7а] другие источники СВЧ излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Выходные характеристики этих приборов, способных работать в длинно-импульсном или непрерывном режиме
7
генерации, позволяют успешно использовать их в качестве источников СВЧ-энергии в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу (УТС), а также в области технологии обработки материалов и для многих других приложений [17-19]. Гиротрон - относится к классу мазеров на циклотронном резонансе (или гирорезонансных мазеров), приборов основанных на индуцированном магнитотормозном излучении электронов, вращающихся в магнитном поле и являющихся неизохронными осцилляторами вследствие релятивистского эффекта
Гиротроны состоят из адиабатической пушки магнетронного типа, открытого резонатора с дифракционным выводом СВЧ-энергии и выходного узла, включающего в себя коллектор электронов и, обычно, преобразователь рабочей молы в волновой пучок с линейной поляризацией. Варианты общей схемы гиротроиа без преобразователя мод и с преобразователем приведены на рисунках В. 1а и В. 16, соответственно. Сильные магнитные поля, необходимые для работы гиротронов миллиметрового диапазона, обычно создаются сверхпроводящими соленоидами.
Главные проблемы, которые необходимо решить при разработке мощных гиротронов таковы [1а-7а]:
• формирование интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП), с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом частиц;
• обеспечение устойчивой, высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах;
• эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок с оптимизацией его пространственного распределения;
• разработка надежного коллектора электронного пучка;
• создание выходного окна, способного передать высокочастотное излучение из гиротрона в рабочем режиме.
Все эти проблемы только в некоторой степени являются независимыми, а по мере развития мощных и высокоэффективных гиротронов вес их приходиться решать в той или иной связи. Существенным обстоятельством является то, что ни удельные, ни интегральные тепловые нагрузки ни в одной из подсистем гиротроиа не должны превышать некоторых предельных значений, обычно обусловленных возможностями системы охлаждения. Макси-мальные величины статических и высокочастотных полей не должны превышать пробойных значений. Существуют и другие ограничения, носящие более частный характер.
Как известно, и в электронике СВЧ и в нелинейной оптике одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля. Явно выраженная тенденция к увеличению
8
КАТОД
ЭЛЕКТРОННАЯ П7ШКА
РВХЯАЮР
Х(тт)*“10. 7/dB,(1)
эавпропш ппш
ЗИКАЛО
ШЛЕШ»
б
Рис. В.1.
9
мощности излучения ведет к созданию систем с развитым пространством взаимодействия. В циклотронных мазерах, а особенно в тех разновидностях МЦР, которые используют винтовые электронные пучки и однородное магнитное поле, возможности увеличения активной среды и рабочего пространства весьма значительны. Поэтому в указанных системах наиболее целесообразно использовать пространственно развитые электродинамические структуры. Следует иметь в виду, что развитие пространства взаимодействия существенно увеличивает вероятность резонансного взаимодействия активной среды одновременно с несколькими модами [20-22]. Многомодовость в МЦР приводит к нестабильности и полному срыву генерации на рабочей моде, перескокам частоты и многочастотной генерации с примесью паразитных мод или излучению только паразитных видов. Эти эффекты подобны явлениям конкуренции и кооперации мод в генераторах и усилителях СВЧ и оптического диапазонов [23-28]. В таких системах растет число возможных типов колебаний и проблема возбуждения только одного рабочего колебания все более усложняется.
Для обеспечения одномодовой генерации в МЦР применяются методы электродинамической и электронной селекции. Первые состоят в снижении добротности паразитных мод или изменении плотности спектра вблизи рабочей моды (С.Н.Власов, АЛЛ ольденберг, И.М.Орлова, М.И.Петелин и др.) [16, 29-34]. Примерами электродинамической селекции является применение коаксиальных [16, 29], связанных, двухзеркальных [16, 29-30] и гофрированных [34] резонаторов. Электронная селекция использует то обстоятельство, что электронный поток по-разному взаимодействует с модами, отличающимися друг от друга эффективным объемом, продольным распределением и поперечной структурой поля [16, 30-32].
До проведения настоящего исследования изучение взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами в основном ограничивались рамками теоретического анализа. Несмотря на то, что основные уравнения, описывающие процессы в гиротроне, были уже получены, расчет конкретных систем находился на уровне аналитических оценок и первоначального численного моделирования, в рамках возможностей ЭВМ того времени. Методика экспериментального исследования гаких гиротронов и их подсистем также была в начальной стадии разработки. Эксперименты сводились, главным образом, к регистрации зависимостей выходной мощности и КПД от тока пучка, ускоряющего напряжения и. т.д. Получаемые при этом величины максимальной выходной мощности и порогового тока, соответствующего срыву генерации, содержали мало информации и были недостаточны для сопоставления с теорией. Таким образом, и теория и эксперимент в то время не бьии доведены до уровня, допускающего их непосредственное количественное сопоставление.
10
Первоначально конкуренция мод в гиротроне и эффективность различных методов селекции оценивались лишь на основании линейной теории (из сравнения стартовых токов конкурирующих мод). Впоследствии была развита более полная теория, позволяющая анализировать многомодовый гиротрон с учетом нелинейных эффектов. В [20, 21, 35-38] сформулированы уравнения, описывающие многомодовые процессы в гиротроне и рассмотрен двухмодовый гиромонотрон, в котором ширина резонансных кривых и разнос собственных частот мод малы по сравнению с шириной полосы циклотронного резонанса. В [35] на основе общих уравнений двухмодового гиротрона [20] получены условия устойчивой стационарной олномодовой генерации гиротрона. В [36] уравнения многомодового гиротрона обобщены на случаи нефиксированной структуры полей мод в низкодобротных резонаторах (самосогласованная задача).
Анализ условий одновременного возбуждения многих мод и их взаимодействия в гиротронах со сверхразмерными резонаторами требует нестационарного рассмотрения. Только в этом случае можно выяснить характер установившегося режима генерации (если он реализуется). Как следует из рассмотрения простейших моделей [21, 37, 38], нелинейные колебательные процессы в МЦР могут носить черты не только конкуренции, но и кооперации мод. Определение соответствующих условий для реальных генераторов и в том числе нахождение конкретных условий, при которых взаимодействие мод носит характер конкуренции или кооперации, представляет собой задачу, важную для разработки коротковолновых гиротронов большой мощности. По существу, это связано с вопросом определения предельной эффективности нелинейной электронной селекции.
Особое место в изучении межмодового взаимодействия при индуцированном циклотронном излучении занимает проблема устойчивости одномодовой генерации на гармониках циклотронной частоты. Теоретически и экспериментально было показано, что гиротрон на второй гармонике (МЦР-2) может иметь КПД на уровне лучших образцов гиротронов на основном циклотронном резонансе (А.В.Гапонов, А. Л.Гольденберг, В.К.Юлпатов, М.И.Петелин, Г.Г.Нусинович, А.А.Кураев, Ш.Е.Цимрннг и др. [14, 39-46, 8а, 9а]). В прикладном плане гиротроны на второй гармонике с непрерывной мощностью порядка 10 кВт особенно привлекательны для технологических приложений [17-19, 1а, 9а-14а]. Снижение магнитного поля в гиротронах на гармониках (МЦР-п) существенно упрощает конструкцию магнитной системы, а при имеющихся магнитных полях позволяет получать наиболее коротковолновое излучение. Можно указать и другие особенности гиротронов на гармониках, благоприятствующие их применению [48]. Однако реализация всех этих достоинств наталкивается на существенно меньшую устойчивость генерации МЦР-2, обусловленную конкуренцией типов колебаний [22, 48, 8а, 9а-17а]. Для гиротронов на гармониках, где эффекты неус-
11
тойчивой генерации очень сложны, разработка адекватной методики экспериментального изучения взаимодействия мод имеет первостепенное значение. В то время как в гиротронах на основном циклотронном резонансе были разработаны и широко используются различные методы селекции мод, в гиротронах на гармониках гирочастоты опыт подавления паразитных мод практически отсутствовал.
Совершенно очевидна важность задачи формирования активной среды гирорезонанс-ных мазеров - интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) - с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом [22, 47-51, 1а, 7а, 15а, 18а]. Исследования характеристик реальных винтовых электронных пучков необходимы как для оптимизации систем формирования, так и для корректного анализа взаимодействия мод. Соответственно, требуется разработка методики определения параметров ВЭП, проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиротронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории. С другой стороны, результаты теоретического и экспериментального исследования должны привести к выработке требований к характеристикам активной среды и соответствующих систем формирования ВЭП. Взаимосвязь модо-вого взаимодействия и структуры электронных пучков также не была изучена в достаточной мере и требовала специальных исследований, в том числе особенностей систем с секционированной активной средой.
Для продвижения в более высокие уровни рабочих частот и мощностей могут оказаться благоприятными особенности селекции мод в гирорезонансных мазерах с секционированным пространством взаимодействия, где области модуляции электронного пучка и энергоотбора пространственно разделены [1, 18, 22, 43, 44, 47, 49]. Наиболее перспективные варианты таких систем должны быть детально рассмотрены как теоретически, так и экспериментально.
Вплотную к вышеупомянутым задачам исследования электронных потоков и процессов взаимодействия мод примыкает задача использования рекуперации остаточной энергии электронных потоков для повышения КПД высокомощных гиротронов [18, 49, 51, 52, 1а, 7а, 15а]. Отметим, что повышение КПД в непрерывных гиротронах большой мощности зачастую является фактически необходимым условием реализации надежного коллектора электронного пучка. Кроме того, использование рекуперации способствует повышению эффективности и надежности гиротронных комплексов [52, 7а]. Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией являются составными частями этой задачи.
12
Целью диссертационной работы является:
1. Развитие теории взаимодействия мод в сверхразмерных резонаторах при магнитотормозном излучении электронов, в том числе и на гармониках циклотронной частоты и, в частности, исследование нестационарных процессов взаимодействия мод в гиротронах и нахождение условий устойчивости одномодовой генерации с высоким КПД.
2. Разработка методики экспериментального исследования винтовых электронных пучков - активной среды гирорезонансных мазеров, особенно свойств пучков существенных для взаимодействия мод. Проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиротронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.
3. Развитие методики экспериментального исследования взаимодействия мод. Проведение экспериментов с гиротронами на основном гирорезонансе и гармониках циклотронной частоты и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.
4. Разработка методов электронной и электродинамической селекции мод, в частности, применение связанных резонаторах с трансформацией мод и многолучевых электронных потоков.
5. Теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией энергии.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами:
1. Предложена и отработана методика экспериментальною исследования межмодового взаимодействия в гиротронах, основанная на изучении структуры зон генерации различных мод.
2. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном гирорсзонансс, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность циклотронных мазеров, работающих на гармониках циклотронной частоты.
3. Предложена и реализована новая модификация методики измерения параметров винтовых электронных пучков, позволяющая оценить влияние электронов, захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом, и с помощью указанной методики исследованы электронно-оптические системы гиротронов в широком диапазоне частот. С использованием новой методики проведена оптимизация электронно-оптических систем мощных гиротронов.
13
4. Экспериментально продемонстрирована возможность работы гиротронов с использованием высших пространственных мод резонатора, что позволило реализовать мегаваттный уровень мощности с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.
5. Разработаны и экспериментально исследованы прототипы и опытно-промышленные образцы высокоэффективных мощных квазинепрерывных гиротронов, работающие на высших пространственно-развитых модах, включая гиротроны, в которых радикально повышен выходной КПД и снижена нагрузка на коллектор путем рекуперации остаточной энергии электронного пучка. В миллиметровом диапазоне (длины волн 3,6-1,7 мм) достигнута максимальная выходная мощность свыше 1 МВт при КПД до 40% без рекуперации и более 60% с рекуперацией,
6. Предложены и исследованы многолучевые гиротроны, в которых радикально усиливается селекция мод по поперечному индексу. Предложены варианты двухлучевых электронно-оптических систем МЦР. Впервые созданы и экспериментально исследованы двухлучевые гиротроны, работающие на второй гармонике циклотронной частоты (максимальная выходная мощность около 1 МВт при КПД 25% и длине волны 12 мм).
7. Выяснены условия, при которых существенно усиливается селекция мод и в то же время может быть реализован высокий КПД в гиротронах на связанных резонаторах с трансформацией мод.
8. Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на 3-5-й гармониках гирочастоты, даже при умеренных ускоряющих напряжениях, при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка.
9. Предложена и экспериментатьно проверена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне. Реализация этой схемы существенно улучшает характеристики коаксиального гиротрона (КПД, перестройка частоты, возможность глубокой амплитудной модуляции) без изменения его конструкции.
Практическая значимость.
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию генераторов миллиметрового диапазона мегаваттного уровня мощности с рекордными энергетическими характеристиками. Эти результаты могут быть также использованы при проектировании нового поколения высокоэффективных гиротронов мегаваттного и многомегаваттного уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Перспективным путем для увеличения мощности единичного гирорезонансного мазера представляется использование многолучевых МЦР. Разработка гироприборов, работающих на
14
гармониках гирочастоты, представляет интерес для создания гиротронных технологических комплексов, для плазменных экспериментов, а также для освоения наиболее коротковолновых диапазонов.
Непосредственным применением диссертационной работы является использование ее результатов при создании гиротронных комплексов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза типа стелларатор (W7-AS) и то-камак: Т10, Т15, D-IIID, Asdex-Upgrade, TEXTOR, ИТЭР и др., а также гиротронов для технологических приложений.
(К диссертации прилагается соответствующая справка НПП «ГИКОМ» об использовании).
Апробация результатов
Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по электронике сверхвысоких частот, на зимних школах-семинарах по теоретической электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1977,1984, 1996, 1999, 2001, 2006гг.), Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н. Новгород, 2005, 2007), Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ст. Петербург 1990, 1996, 2002, 2005), Российско-Германских семинарах по гиротронам и ЭЦРН (1989-2007 гг.), Российско-Американских семинарах по гиротронам и линиям передачи (Нижний Новг ород 1992г., 1998г., 2002г.), Международной университетской конференции по радиофизике и элекгронике сверхвысоких частот (Ст. Петербург, 1999), на 14-ой международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (2004, Севастополь, Украина), на Международных Харьковских симпозиумах «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (Харьков, Украина, 2001, 2004, 2007), на 1- 6-й Международных конференциях «Мощные микроволны в плазме» (1990, 1993; 1996, 1999; 2002; 2005; Н.Новгород), Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам (Лозанна, Швейцария, 1991; Пасадена, США 1992; Колчестер, Великобритания, 1993; Сендай, Япония, 1994; Орландо, США, 1995; Берлин, Германия, 1996; Винтер-грин, США, 1997; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтрей, США, 1999; Пекин, КИР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Отсу, Япония, 2003; Карлсруэ, Германия, 2004; Вильямсбург, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006гг), Международных конференциях по Электронно-циклофонному излучению (ЕС6 -Хэфей, КНР, 1989г.; ЕСЮ-Амеланд, Нидерланды, 1997г; ЕС 11 - Охараи, Япония, 2000г; ЕС 12 - Экс-эн-Прованс, Франция, 2002г, ЕС-13 - Нижний Новгород, 2004г, ТС 14 - Санторин, Греция 2006г.), Международных конференциях по вакуумным электронным приборам (IVEC-2002, Монтерей, США; 2002; IVEC-
15
2004 Сеул, Корея 2004; IVEC-2005 Нордвик, Нидерланды 2005; IVEC-2007, Китакюсю, Япония, 2007), Международных конференциях по вакуумной электронике и дисплеям (Гармиш-Партснкирхен, ФРГ, 1995, 1998г. 2001 г, 2004г.), а также на научных семинарах кафедры электроники ННГУ, МИЭМ, НИРФИ и ИПФ РАН.
Публикации.
По теме диссертации автором сделано 166 публикаций. Среди публикаций:
26 статей издано в зарубежных журналах: IEEE Transactions on Plasma Science - 5, Int. Journal of Electronics -6, Int. Journal Infrared and Millimeter Waves - 12, Int. Journal Vacuum - 1, Plasma device and operation -1, Fusion Engineering and dcsign-2, Fusion Science and Technology
-1.
44 статьи напечатано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов: Изв. ВУЗов. Радиофизика - 36, Электронная техника, серия Электроника СВЧ - 1, Письма в ЖТФ - 3, ЖТФ - 2, Радиотехника и электроника - 2, Прикладная физика -1.
2 статьи размещены в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК: Электронная промышленность -1, Радиотехника -1.
7 - статей в тематических сборниках
31 - статья в сборниках трудов конференций 55 - тезисов докладов на конференциях,
2 работы являются авторскими свидетельствами.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы (172 названия)) и списка авторских публикаций (166 пунктов). Объем диссертации составляет 267 страниц, включая 160 рисунков.
В диссертации используется сплошная нумерация цитируемых источников и авторских работ (последние после цифры помечены буквой -а). Нумерация параграфов и формул производится но главам. К номеру формул или параграфов впереди добавляется цифра, соответствующая номеру главы. Во введении при нумерации формул или рисунков добавляется буква В.
16
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность темы и постановка задачи. Приведены основные положения, выносимые на защиту, а также дано аннотированное изложение диссертации по главам.
В первой главе теоретически исследуются процессы установления колебаний, устойчивость одномодовых стационарных колебательных режимов, нестационарные двухмодовые процессы при циклотронном излучении электронов в свсрхразмерных электродинамических системах.
В п. 1.1 рассмотрены главные проблемы многомодовых гиротронов. В п. 1.2 дастся обзор основных результатов линейной теории гиротронов, определяющих селекцию мод на стадии самовозбуждения. В п. 1.3 приводится используемая в дальнейшем система нелинейных уравнений, описывающих нестационарные процессы в многомодовом гиротроне. Условия устойчивости стационарной одномодовой генерации сформулированы для случая парного взаимодействия мод.
При исследовании взаимодействия мод, синхронных с одинаковыми и разными гармониками гирочастоты, в п. 1.4 определяются области устойчивости одномодовой генерации, что особенно важно для мод резонансных высшей гармонике циклотронной частоты. В п. 1.5. рассматриваются особенности конкуренции со стороны мод, имеющих продольную структуру типа бегущей волны.
В п. 1.6 исследуются нестационарные процессы взаимодействия мод в двухмодовом гиротроне с энергетическим взаимодействием мод. Выясняются условия, при которых имеет место конкуренция и кооперация мод. В п. 1.7 рассматриваются особенности нестационарных процессов взаимодействия мод в двухмодовом гиротроне с амплитудно-фазовым взаимодействием мод.
В резонаторах очень большого сечения спектр мод становится настолько густым, что взаимодействие может осуществляться для трех мод с амплитудно-фазовой связью. Обеспечение устойчивости генерации в таком гиротроне рассматривается в п. 1.8. Нарушение условий устойчивости в этом случае проявляется в спектре излучения гиротрона появлением сателлитов, характерных для амплитудной модуляции, и по этой причине указанный эффект часто называют автомодуляционной неустойчивостью излучения гиротронов.
В п. 1.9 рассмотрены гиротроны с секционированным пространством взаимодействия. Проанализированы пусковые режимы и режимы стационарной генерации гиротронов, использующих в качестве электродинамической системы связшшые резонаторы с трансформацией мод (СРТМ). Выяснены условия устойчивости одномодовой генерации и селекция мод в гиротро-
17
нах с предварительной модуляцией пучка. Результаты теории свидетельствуют о возможности достижения в этих системах существенной селекции мод.
В п. 1.10 описываются и исследуются предложенные автором многолучевые гироре-зонансные мазеры. Рассматриваются два варианта мазеров - с дополнительными излучающими и с диссипативными пучками и теоретически исследуется электронная селекция с помощью дополнительных электронных пучков. Показывается, что в обоих вариантах имеет место существенное повышение селекции мод но поперечному индексу. Рассмотрены варианты электронно-оптических систем для двухлучевых гиротронов.
В п. 1.11 проанализирован ряд факторов, хотя и не приводящих к полному срыву генерации рабочей моды, но тем не менее, оказывающих существенное влияние на процессы в резонаторе и КПД гиротрона: статического пространственного заряда ВЭП (собственного кулоновского поля пучка в резонаторе), нефиксированности ВЧ поля, циклотронной реабсорбции, скоростного и энергетического разброса ВЭП и других. Все эти факторы должны быть учтены при сопоставлении расчетных данных с экспериментом. Рассмотрена относительная важность указанных факторов с точки зрения их влияния на КПД гиротрона.
Во второй главе описываются исследования мощных гиротронов миллиметрового диапазона на основном циклотронном резонансе. В п. 2.1 излагаются основные проблемы, решение которых определяет достижимые параметры мощных длинно-импульсных и непрерывных гиротронов миллиметрового диапазона. В п. 2.2 представлены методы и результаты экспериментальных исследований характеристик интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) для ряда гиротроиов. Развивается, предложенная автором, методика экспериментального изучения влияния электронов, отраженных от магнитной пробки и захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом. Анализируются возможности оптимизации ВЭП. Основные экспериментальные результаты сопоставляются с выводами теории, и это приводит к ряду рекомендаций для создания систем формирования ВЭП с высоким качеством.
В п. 2.3 описываются конструкция высокоэффективных гиротронов с осевым выводом ВЧ энергии на рабочей моде и эксперименты с этими гиротронами. Рассматриваются варианты гиротронов с модами ТЕц.з (83 ГГц/1 МВт)1, ТЕ15.4 (100 ГГц/0.5 МВт) и ГЕ22.6 (140 ГГц/0.5 МВт). Экспериментатьно продемонстрировано, что при наличии высококачественного ВЭП, даже при сравнительно простой конфигурации сверхразмерного резонатора гиротрона могут быть реализованы высокие значения КПД (до 50% и выше) при уровне выходной мощности 0,5-1 МВт.
1 Здесь и далее используется общепринятое сокращение параметров гиротронов: (частота/ мощность-' длительность импульса).
18
Практически во всех современных гиротронах высокого уровня мощности имеется встроенный квазиоптический преобразователь (КОП) рабочей моды в волновой пучок оптимизированной структуры. Использование КОП позволяет пространственно разделить отработанный электронный пучок и выходное излучение и это дает возможность независимо оптимизировать коллектор и систему вывода выходной мощности. Кроме того, снижается влияние отраженного сигнала на работу гиротрона. Последнее обстоятельство особенно важно при работе на модах очень высоких типов. Результаты экспериментов по оптимизации гиротронов со встроенным преобразователем даются в п. 2.4. Решаются вопросы селекции колебаний, проводится анализ эффективное™ преобразования выходного излучения в гиротроне с модой ТЕ 15.4 с частотой 110 ГГц мощностью 0,5 МВт. Результаты экспериментальных исследований аналогичных по концепции построения коротко-импульсных прототипов квазинепрерывных гиротронов мегаваттного уровня мощности на модах ТЕ 19.5 (110 ГГц/1 МВт), ТЕ22.5, ТЕ22.6 (140 ГГц/0,5 МВт), ТЕ22.8 (140 ГГц/1 МВт), ТЕ28.7
(170 ГГц/1 МВт), и ТЕ25.10 (170 ГГц/1 МВт) также изложены в этом разделе.
В п. 2.5 исследуются возможности повышения КПД мощных гиротронов при использовании рекуперации остаточной энергии электронного пучка. В п. 2.5.1 рассмотрены принципиальные предпосылки к отбору остаточной энергии электронного пучка в гиротронах и обсуждаются варианты схем рекуперации. Экспериментальное исследование функции распределения электронов по энергиям на коллекторе в рабочем режиме генерации короткоимпульсного гиротрона излагается в п. 2.5.2. Методика и результаты экспериментального исследования рекуперации в 110-170 ГГц гиротронах миллиметрового диапазона приведены в п. 2.5.3. В п. 2.5.4 обсуждается предложенная и реализованная в эксперименте «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне. Продемонстрировано, что без изменения конструкции гиротрона эта схема существенно повышает его КПД, а также дает возможность реализации электронной перестройки частоты и глубокой амплитудной модуляции.
Использование частотно-перестраиваемых гиротронов (ступенчатая перестройка частоты) миллиметрового диапазона мегаваттного уровня мощности представляет явный интерес для плазменных экспериментов. Разработка мощного многочастотного гиротрона описана в п. 2.6. В экспериментальном макете реализована генерация на мегаваттом уровне мощности нескольких мод с высоким КПД (свыше 40 % без использования рекуперации и около 70 % с рекуперацией) в интервале частот 105-168 ГГц.
В п. 2.7 изложены результаты разработки мощных опытно-промышленных длинноимпульсных и непрерывных высокоэффективных гиротронов (включая варианты с рекуперацией) с частотами до 170 ГГц, разработанных на основе вышеуказанных экспериментов. Проведено сравнение разработанных гиротронов с зарубежными аналогами.
19
В п. 2.8 изложены результаты создания опытно-промышленного гиротрона обеспечивающего непрерывную генерацию с частотой 300 ГГц. Этот гиротрон разработан для использования совместно с «сухим» криомагнитом и предназначен для проведения исследования новых материалов и технологических процессов, а также медико-биологических экспериментов в исследовательском центре университета г.Фукуи (Япония).
В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования процессов взаимодействия мод при излучении на гармониках циклотронной частоты. В п. 3.1 рассмотрены особенности гиротронов на второй гармонике гирочастоты. Далее описан лабораторный макет гиротрона (п. 3.2.1) и развивается предложенная автором методика экспериментального изучения процессов взаимодействия мод, основанная на анализе областей генерации (п. 3.2.2). Анализируются основные эффекты, сопровождающие конкуренцию колебаний при излучении на второй гармонике циклотронной частоты. Проводится исследование электродинамической и электронной селекции мод (п. 3.2.3). Основные экспериментальные результаты сопоставляются с выводами теории. Это приводит к ряду рекомендаций (п. 3.2.3) по обеспечению устойчивой одномодовой генерации на второй гармонике гирочастоты. Показывается, что использованные расчетные модели позволяют достаточно надежно описывать основные эффекты конкуренции мод.
В и. 3.3.1 описывается мощный гиромонотрон, созданный с учетом указанных рекомендаций (25 ГГцЛ),5 МВт, КПД=40 %). Эффекты конкуренции мод, синхронных с пучком на разных гармониках гирочастоты, исследуются в п.3.3.2.
В п. 1.9 была изложена теория многолучевых гиротронов, предложенных автором. Результаты экспериментов с двухлучевыми гиротронами, работающими на второй гармонике циклотронной частоты, даются в п. 3.4 и п. 3.5. У гиротрона с дополнительным поглощающим пучком (п. 3.4) в результате подавления паразитных мод на основном гирорезонансе выходная мощность увеличивается с 0,36 до 0,6 МВт (КПД=18%, мода ТЕозі, Х=12мм) (п.3.4.3). В двухлучевом гиротроне с двумя активными винтовыми пучками (п. 3.5) достигнута выходная мощность около 1 МВт (КПД=25 %), являющаяся рекордной для гиротронов на гармониках гирочастоты. Максимальный КПД в указанном гиротроне был близок к 40 % при несколько меньшей выходной мощности (0,7 МВт).
Результаты экспериментов с гиротронами на связанных резонаторах с трансформацией мод (ГСРТМ), работающими на второй гармонике циклотронной частоты, даются в п. 3.6. В экспериментальном макете гиротрона с двумя вариантами связанных резонаторов (п. 3.5.) достигнута выходная мощность 250 кВт (КПД=35 %). При несколько меньшей выходной мощности (200 кВт) в указанном гиротроне с оптимизированной электронно-оптической системой был реализован максимальный КПД 47 %.
20
В п. 3.6 изложены результаты разработки и исследований гиротронов на высоких гармониках (от 3-й до 5-й) с приоссвым пучком, также часто называемых гиротронами с большими орбитами (ГБО или в англоязычной литературе - LOG) [11]. Особенностью гиротронов с приосевым ВЭП является повышенный уровень электронной селекции, что способствует реализации гиротронов на высоких гармониках, но в них существует ряд специфических проблем, требующих своего решения. Отличительной чертой данного исследования было использование магнитной системы с максимальным полем около 1 Т на основе постоянных магнитов и неадиабатической системы формирования ВЭП. В экспериментах с ГБО при использовании нескольких резонаторов была достигнута выходная мощность 2,5 кВт на третьей гармонике гирочастоты, около 0,5 кВт на четвертой и порядка 10 Вт на пятой.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты.
1. Основным фактором, ограничивающим мощность излучения гиротронов, работающих на гармониках гирочастоты, является конкуренция со стороны паразитных мод, взаимодействующих с пучком на более низких гармониках.
2. Оптимизация характеристик винтовых электронных пучков на основе комбинации экспериментов и численного анализа позволяет реализовать высокий КПД гиротронов (около 50%) даже при сравнительно простой форме резонатора.
3. Применение в гиротронах эффективных методов селекции: связанных резонаторов с трансформацией мод (СРТМ), дополнительных электронных пучков, приосевых ВЭП, делает гиротроны на гармониках гирочастоты перспективными источниками мощного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
4. Использование высоких мод резонатора позволяет реализовать мегаваттный уровень мощности гиротронов с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.
5. Рекуперация остаточной энергии электронов на коллекторах мощных гиротронах, не нарушая устойчивость генерации, дает возможность повышения КПД и принципиальных упрощений систем охлаждения коллекторов и источников литания.
6. Разработанные прототипы высокоэффективных непрерывных гиротронов мсгаваттно-го уровня мощности, в том числе многочастотный гиротрон и варианты гиротронов с рекуперацией, являются перспективными источниками мощного излучения в миллиметровом диапазоне.
21
Глава 1. Методы и результаты теории селекции и взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами.
1.1. Проблема взаимодействия мод в гиротронах с резонаторами большого поперечного сечения
Многомодовый гирорезонансный мазер, как и любой другой резонансный СВЧ-генератор, можно рассматривать как автоколебательную систему с числом степеней свободы, равным количеству возбуждаемых мод [20-23]. Основы теории нелинейного взаимодействия мод в МЦР были сформулированы в работах [20, 26, 35-38, 52-58], где были получены исходные уравнения, исследованы на достаточно простых моделях эффекты конкуренции и кооперации двух мод, а также эффекты амплитудно-фазового взаимодействия большего числа мод. Эти исследования в основном ограничивались изучением взаимодействия мод, находящихся в резонансе с основной гармоникой циклотронной частоты. В отношении мод, синхронных с электронным пучком на разных гармониках гирочастоты было установлено, что возбуждение моды, синхронной со второй гармоникой может приводить к расширению зоны самовозбуждения паразитной моды, резонансной на первой ідрмонике [54]. Однако связь эффектов конкуренции мод, синхронных с разными гармоникамиюн, с основными параметрами генератора (длиной пространства взаимодействия, отстройками частот мод от резонансных гармоник сон) оставалась невыясненной. Открытым оставался также вопрос о конкуренции со стороны паразитных мод, имеющих структуру типа бегущей волны. В связи с созданием мощных коротковолновых гиротронов значительный интерес представляло также исследование нестационарного взаимодействия мод, синхронных с одинаковыми гармониками гирочастоты при реальной нелинейности электронного потока.
Как известно, в принципе, для анализа многомодовых процессов в электронных мазерах применим также пространственно-временной подход [55, 59], связанный с совместным решением граничной задачи для азимутального распределения поля в резонаторе (которое не предполагается фиксированным) и укороченных уравнений движения частиц. Продольная и радиальная структура полей синхронных мод предполагаются известными и одинаковыми. Этот подход, однако, как правило, требует при конкретных расчетах больших затрат машинного времени и поэтому чаще всего бывает оправдан в случае, когда речь идет о большом числе взаимодействующих мод.
На современном уровне развития работ с гиротронами наиболее остро стоит вопрос о конкуренции небольшого числа мод. Поэтому и рассмотрение, составившее содержание настоящей главы велось на модовом языке. Ниже изучаются процессы
22
взаимодействия мод, синхронных с различными гармониками гирочастоты, в широком интервале изменения параметров, характеризующих колебательные режимы. Исследованы также особенности конкуренции паразитных мод, имеющих структуру типа бегущей волны. Рассматриваются условия, при которых взаимодействие мод, синхронных с одинаковыми и различными гармониками гирочастоты, носит характер конкуренции и кооперации. Проведен анализ процессов установления стационарных режимов в двухмодовом гиротроне.
Ниже исследуются, главным образом, двухмодовые взаимодействия и соответственно используются уравнения, полученные в работах [20, 21, 35] (см. и. 1.2). Указанная модель при типичных размерах пространства взаимодействия и величинах тока пучка является достаточно реалистичной. На нелинейность электронного потока не накладывается ограничений, а продольная структура мод выбирается близкой к реальной. Полый цилиндрический электронный пучок, соосный с резонатором, полагается тонким и моноскоростньш. Рассмотрение ограничивается аксиально-симметричной геометрией электродинамической и элекгронно-оптической систем с унимодальным продольным распределением поля рабочей моды (кроме п. 1.8) на частотах, близких к критическим. Модуляция электронного потока на входе в пространство взаимодействия предполагается отсутствующей.
В п. 1.2. дается обзор существенных для дальнейшего результатов линейной теории и классификации типов колебаний в циклотронных мазерах. Выяснены некоторые особенности зон возбуждения колебаний. В п. 1.3. приводится система нелинейных уравнений, описывающих многомодовое циклотронное излучение и условия устойчивости одномодовой генерации. Описывается использованная в работе методика численного решения уравнений. Анализ устойчивости автоколебательных режимов, впервые проведенный в широком диапазоне параметров генератора для взаимодействия мод, синхронных с пучком на первой и второй гармониках циклотронной частоты, содержится в п. 1.4. В п. 1.5. рассматриваются особенности конкуренции со стороны мод, имеющих продольную структуру типа бегущей волны. Нестационарные процессы в двухмодовых циклотронных мазерах при взаимодействии мод, синхронных с электронным пучком на одинаковых и различных гармониках гирочастоты, исследуются в п. 1.6. В п. 1.7 развита теория амплитудно-фазового взаимодействия двух мод в модели гиротрона, обладающей как активной, гак и реактивной нелинейностью. Рассмотрен гиротрои, в котором подобная ситуация может иметь место при взаимодействии мод, различающихся только продольной структурой. Показано, что благодаря этому эффекту в гиротроне возбуждение колебаний моды с одной продольной вариацией сопровождается
23
появлением слабых пульсаций моды с двумя вариациями. Динамика гиротрона при взаимодействии мод, резонансных с разными гармониками циклотронной частоты, рассмотрена в условиях амплитудно-фазового взаимодействия. В п. 1.8 описан анализ условий автомодуляционной неустойчивости в гиротронах с резонаторами, обладающими близким к эквидистантному спектром собственных частот. Показано, что при произвольном разносе частот конкурирующих мод возникает автомодуляционная неустойчивость, если ток пучка более чем в два раза превышает оптимальный по КПД ток в режиме высокоэффективной одномодовой генерации.
В и. 1.9 Исследованы пусковые режимы и режимы стационарной генерации гиротронов, использующих в качестве электродинамической системы связанные резонаторы с трансформацией мод (СРТМ). Результаты теории свидетельствуют о возможности достижения в этих системах существенной селекции мод по поперечному индексу. В п. 1.10 исследованы особенности селекции и режимы стационарной генерации гиротронов с секционированной активной средой - многолучевых гиротронов. Показано, что дополнительные электронные пучки в зависимости от параметров могут быть излучающими или выполнять функции электронных поглотителей. Результаты теории свидетельствуют о возможности достижения в этих системах существенной селекции мод по поперечному индексу. Рассмотрены варианты электронно-оптических систем для двухлучевых гиротронов. В п. 1.11 исследован ряд факторов (статический пространственный заряд ВЭП, нефиксированность ВЧ поля, циклотронная реабсорбция, скоростной разброс и т.д.), хотя и не приводящих к полному срыву генерации рабочей моды, но, тем не менее, оказывающих существенное влияние на процессы в резонаторе и КПД гиротрона. Рассмотрена относительная важность указанных факторов по влиянию на КПД гнротрона.
Выводы суммируют основные результаты главы.
Результаты главы основаны на публикациях автора в статьях [1а-9а, 15а-18а, 20а-31а, ЗЗа-Зба, 38а-50а, 52а-64а] и докладах [19а, 37а, 51а, 65а-69а].
24
1.2. Стартовые гоки мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами и селекция мод на стадии самовозбуждения
1.2.1. Электродинамические системы гирорезонансных мазеров представляют собой отрезки слабонерегулярных цилиндрических волноводов [29, 30]. Дисперсионные
характеристики последних имеют вид со{1г) = + И2 , (хтр -поперечное волновое
число моды ТЕтр<1 ', с -скорость света, А? - продольное волновое число). С другой стороны, согласно условию синхронизма электронных осцилляторов с электромагнитной волной
со^псок +/1У„ , (1.1)
где сои и V,, - гирочастота и дрейфовая скорость электронов.
Учитывая зависимость поперечного волнового числа хтр от радиуса волновода Я
и, введя безразмерные переменные со = соЯ/с и А = ИЯ, получаем соотношения
5 = АК'+Р (1-2)
= соиЯп/с + И/3,п
графически изображенные на рис. 1.1. Здесь Р11=\„1су Утр- р-й корень уравнения
= 0, где Jm - функция Бесселя порядка т.
Усиление электромагнитных волн может иметь место вблизи точек пересечения соответствующих кривых (1.2) на рис. 1.1. Моды такой системы естественно разделяются на два класса (см. напр. [60]):
1. В модах первого типа, имеющих в своей основе конвективную неустойчивость (на рис. 1.1. И У 0), электроны находятся в фазовом синхронизме с попутной волной (СПВ). Обратная связь в этом случае возможна лишь при наличии отражений волн от нерегулярностей электродинамической системы на входе и выходе или скачков электронной проводимости.
2. В модах второго типа (Л < 0), имеющих тенденцию к абсолютной неустойчивости, электроны синхронны со встречной (обратной) волной (СВВ), обеспечивающей распределенную обратную связь. Частичные отражения от входного и выходного сечений существенного влияния на самовозбуждение генератора не оказывают.
1 Молы ТМшрч в слаборелятивистских гиротронах обычно не рассматриваются, поскольку гораздо слабее связаны с электронным пучком и имеют существенно большие стартовые токи чем ТЕщдо [8,22].
- Київ+380960830922