Генерация и усиление мультимегаваттных микросекундных СВЧ импульсов

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
ГЛАВА 1 ФОРМИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ МИКРОСЕ-КУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ В ИНЖЕКТОРАХ СО ВЗРЫВОЭМИССИОННЫМИ КАТОДАМИ 36
1.1 Введение 36
1.2 Моноимпульсный ускоритель электронов с взрывоэмисси-онным эмиттером 37
1.3 Элементы динамики катодной плазмы и электронного пучка в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией (КДМИ)... 44
1.3.1 Исследования КДМИ с катодом в однородном магнитном поле 44
1.3.2 Исследование КДМИ с компрессией электронного пучка магнитным полем 50
1.4 Коллектор электронов 62
1.5 Выводы 73
ГЛАВА 2 ФОРМИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА РЕЛЯТИВИСТСКИХ МИКРОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ПУШКАХ С ТЕРМОКАТОДАМИ 75
2.1 Введение 75
2.2 Моноимпульсный ускоритель электронов с термокатодом... 75
2.2.1 Конструкция ускорителя 75
2.2.2 Особенности сильноточных электронных пушек с термокатодом 79
2.2.3 Электронная пушка в режиме формирования прямолинейного потока электронов 80
2.2.4 Электронная пушка в режиме формирования винтового потока электронов 84
2.3 Ускоритель электронов с периодическим следованием импульсов 85
2.3.1 Конструкция ускорителя 85
2.3.2 Расчет и конструкция электронной пушки 92
2.3.3 Экспериментальные исследования электронной пушки 96
2.4 Заключение 107
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ЧЕРЕНКОВСКИХ СВЧ ПРИБОРОВ С РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ 108
3.1 Введение 108
3.2 Исследования релятивистского карсинотрона 110
3.2.1 Взаимодействие умеренно релятивистского {у < 2) элек-
2
..... тронного пучка с обратной пространственной гармоникой слабо гофрированного волновода 110
3.2.2 Конструкция и расчет релятивистского карсинотрона 113
3.2.3 Экспериментальные исследования релятивистского карсинотрона 117
3.2.4 Исследование автомодуляционных режимов в релятивистском карсинотроне 134
3.3 Исследование резонансных черенковских СВЧ генерато- 140
3.3.1 Особенности резонансных черенковских СВЧ генераторов с повышенным сечением пространства взаимодействия 140
3.3.2 Элементы теории релятивистских черенковских СВЧ генераторов с высокодобротными электродинамическими системами 142
3.3.3 Конструкция и расчет черенковского резонансного СВЧ генератора 150
3.3.4 Экспериментальное исследование релятивистских оротро- 154
3.4 Экспериментальное исследование релятивистского секционированного СВЧ усилителя 161
3.4.1 Особенности СВЧ усилителей на сильноточных релятивистских электронных пучках 161
3.4.2 Эксперименты с ЛБВ на замедленной волне 164
3.4.3 Эксперименты с ЛБВ на (+1)‘ой пространственной гармонике 170
3.5 Заключение 172
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ГИРОРЕЗОНАНСНЫХ СВЧ ПРИБОРОВ С РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ 174
4.1.1 Особенности гиротронов на релятивистском электронном пучке 174
4.1.2 Гиротрон на релятивистском электронном пучке с симметричной модой магнитного типа 175
4.1.3 Гиротрон на релятивистском электронном пучке с несимметричной модой высокого порядка 181
4.2 Релятивистский гироклистрон на несимметричных объемных модах высокого порядка 198
4.2.1 Особенности гироклистрона на интенсивном релятивистском электронном пучке 198
4.2.2 Элементы теории и расчет гироклистрона 200
4.2.3 Экспериментальное исследование 30-ГГц гироклистрона в моноимпульсном режиме 233
4.2.4 Экспериментальное исследование 30-ГТц гироклистрона в 243
3
частотном режиме
4.3 Заключение 255
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 257
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 259
СПИСОК АВТОРСКИХ РАБОТ 267
і
і
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. В начале семидесятых годов прошлого века возникла новая ветвь вакуумной сверхвысокочастотной электроники, основанная на применении сильноточных электронных пучков, формируемых сильноточными электронными ускорителями прямого действия со взрывоэмиссионных катодов. В 1973 году в совместных экспериментах ФИ АН СССР и НИРФИ впервые было получено когерентное (одномодовое и одночастотное) излучение сильноточного электронного пучка с КПД 10% в релятивистском карсинотроне [1]. В последующие годы в целом ряде отечественных и зарубежных лабораторий были созданы СВЧ приборы как аналогичного, так иных типов [2,3]. Релятивистские СВЧ приборы быстро продвигались в новые диапазоны частот и наращивали выходную мощность, которая через несколько лет превысила I ГВт [3]. Однако длительность импульса составляла, как правило, десятки наносекунд и соответственно энергия в импульсе при гигантской мощности составляла десятки джоулей. Таким образом, с одной стороны релятивистская СВЧ электроника предлагала гигантские мощности при небольшой энергии в импульсе, а с другой стороны классическая СВЧ электроника могла обеспечить практически стационарный режим при «умеренной», в пределах нескольких мегаватт, мощности. Между этими двумя ветвями электроники существовал провал в выходных параметрах предлагаемых приборов. Между тем, для ряда важных физических и технических приложений: создания ускорителей элементарных частиц нового поколения - суперколлайдеров, радиолокации, исследований взаимодействия мощного электромагнитного излучения с плазмой и т.д. необходимы источники СВЧ излучения с выходной мощностью в несколько десятков мегаватт при длительности импульсов несколько сот наносекунд. То есть источники, мощность которых была бы ниже, чем у релятивистских, но существенно выше, чем у классических при энергии в импульсе ниже, чем у традиционных, но существенно выше, чем у релятивистских приборов. Рхтественно создавать такие источники, либо используя преимущества реляти-
5
вистских СВЧ приборов (простота формирования электронных пучков со взрывоэмиссионных катодов), дополняя их положительными свойствами классических приборов, либо использовать преимущества классических приборов (высокая электропрочность электродинамических систем, стабильные электронные пучки), дополняя их положительными свойствами релятивистских приборов (высокие напряжения и большие токи).
В настоящей диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором в НИРФИ и ИПФ РАН, по обоим указанным направлениям. Первое направление развивалось для обеспечения исследований по взаимодействию мощного электромагнитного излучения с плазмой. Второе развивалось в интересах международной программы создания электрон-позитронного суперколлайдера.
Следует заметить, что исследования по созданию эффективных мультиме-гаваттных приборов велись и ведутся как в нашей в стране, так и за рубежом: МГУ[4,5] (карсинотрон и клистрон); ИСЭ СО РАН [6] (карсинотрон, совместно с ИПФ РАН); ФИ РАН [7] (карсинотрон) - первое направление; ИЯФ СО РАН [8-10] (гирокон); ФИЯФ РАН по заказу КЕК [10] (клистрон); SLAC [11] (клистрон), Thomson Tubes [12](клистрон); CPI [13] (гироклистрон), Мерилендский университет [14](гироклистрон), Calabasas Creek Research [15] - (многопучковый клистрон) - второе направление. На этом направлении в последнее время достигнуты впечатляющие успехи в Naval Research Laboratory, где создан маг-никон с выходной мощностью 10-20 МВт на частоте 11,4 ГГц при длительности импульса 0,2-1 мке [16] и CPI, где создан многопучковый клистрон с выходной мощностью 10,4 МВт на частоте 1,3 ГГц при длительности импульса 1,5 мке [17].
Целью диссертационной работы является разработка и исследование физических принципов создания мультимегаваттных источников сверхвысокочастотного излучения (автогенераторов и усилителей) с микросекундной длительностью импульса диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн, а
6
также их экспериментальная реализация. С этой целью выявлено и предлагается решение следующих групп задач:
1. формирование, транспортировка и диагностика интенсивных электронных потоков, обеспечивающих возможность генерации и усиления мультиме-гаваттных СВЧ импульсов;
2. обеспечение эффективного селективного взаимодействия сильноточных электронных пучков с электромагнитными волнами в многомодовых электродинамических системах, предназначенных для генерации и усиления мультиме-гаваттных СВЧ импульсов диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн с микросекундной длительностью импульса;
3. исследование явлений и процессов, ограничивающих мощность и длительность излучения в мультимегаваттных микросекундных источниках СВЧ излучения; разработка и применение методов подавления этих процессов.
4. создание экспериментальной базы для исследования мультимегаваттных источников СВЧ излучения с микросекундной длительностью импульса.
Научная новизна результатов исследования«
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими оригинальными результатами:
• Экспериментально показана возможность генерации мультимегаваттных СВЧ импульсов с микросекундной длительностью импульса на базе взрывоэмиссионного инжектора электронов. Создан карсинотрон (релятивистская ЛОВ) с длиной волны излучения 3,2 см, выходной мощностью свыше 30 МВт при длительности импульса до 0.4 мкс. Генератор позволил впервые провести в СВЧ диапазоне исследование рассеяния Мандельштама - Бриллюэна на плазме.
• Создана теория релятивистских резонансных СВЧ генераторов. Экспериментально показано, что релятивистские оротроны, работающие как на моде шепчущей галереи ТЕ51 I резонатора кругового сечения, так и на объемной мо-
7
де ТМ 1.2.1 двухзеркального резонатора, способны эффективно работать в одномодовом и одночастотном режимах. На длине волны 2,5 см получена выходная мощность 0,ЗГВт при КПД 15%.
• Впервые экспериментально показана возможность получения высоких коэффициентов усиления в приборах черенковского типа на базе сильноточного релятивистского электронного пучка сформированного со взрывоэмиссионного катода. Создан секционированный черенковский СВЧ усилитель сантиметрового диапазона волн с выходной мощностью 100 МВт и коэффициентом усиления свыше 30 дБ.
• Создан термоэмиссионный инжектор электронов, формирующий в зависимости от величины магнитного поля, прямолинейный (400 кэВ, 400А, 1 мкс), либо винтовой (400 кэВ, 120А, 1мкс.) электронный пучок с высоким питч-фактором ^>1,2) и малым разбросом по скоростям (АУ±<15 %). Экспериментально подтверждено высокое качество винтового электронного пучка при токе, составляющем значительную часть ленгмюровского тока (до 0,5-0,7).
• Впервые экспериментально показана возможность сохранения высоких КПД в гиротроне и при релятивистских энергиях электронов. В гиротроне с энергией электронов 350 кэВ получена выходная мощность 20 МВт при КПД 50 % на длине волны 1 см при и длительности импульса СВЧ 0,5 мкс.
• Экспериментально показана перспективность применения в гироклистронах резонаторов на последовательности несимметричных объемных мод высокого порядка. В релятивистском гироклистроне на последовательности мод TE5 2.rTE5.31 получена выходная мощность 15 МВт при КПД 40% и коэффициенте усиления 30 дБ.
Практическая значимость и использование результатов работы. В диссертационной работе разработаны рекомендации по созданию мультимегаватт-ных источников СВЧ излучения с микросекундной длительностью импульса. Созданы прототипы СВЧ источников с рекордной мощностью при микросекундной длительности импульса. Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут применяться при создании высо-
8
неэффективных импульсных генераторов и усилителей миллиметрового и сантиметрового излучения с микросекундной длительностью импульса. Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в ИПФ РАН, ОИЯИ, ИАЭ, ЗАО НЛП ГИКОМ.
Положения, выносимые на защиту.
1. Плазма, возникающая на поверхностях подвергающихся интенсивной электронной бомбардировке и быстро распространяющаяся вдоль магнитного поля, инициирует сокращение длительности импульса в релятивистских источниках СВЧ излучения. Релятивистские сильноточные электронные пучки, сформированные в электронно-оптической системе, состоящей из коаксиального диода с компрессией пучка магнитным полем, а также пространственноразвитых коллиматора и коллектора, обладают достаточной стабильностью для генерации мультимегаваттных микросекундных СВЧ импульсов.
2. Сильноточные релятивистские электронные пучки, сформированные во взрывоэмиссионных инжекторах, обладают характеристиками, позволяющими реализовывать высокий (свыше ЗОдБ) коэффициент усиления в секционированных источниках СВЧ излучения черенковского типа с управляемой частотой и фазой.
3. Высокий КПД гиротронов (свыше 50%) сохраняется и при релятивистских энергиях электронов.
4. Применение в мощных гироклистронах резонаторов на последовательности несимметричных мод высокого порядка позволяет увеличить поперечное сечение пространства взаимодействия при сохранении необходимой селекции мод, что открывает новые перспективы для увеличения выходной мощности и частоты излучения СВЧ усилителей.
5. Электронно-циклотронный разряд приводит к поглощению значительной части генерируемого излучения при величине нормальной электрической компоненты СВЧ поля на стенке выходной секции гироприбора превышающей 6-7 кВ/см.
9
Апробация результатов. Основные результаты работы опубликованы в работах [А1-А87] и докладывались на научных семинарах НИРФИ и ИПФ РАН (1974-2011), на 8 Межвузовской конференции по электронике СВЧ, Ростов на Дону, 1976, на 3, 8. 12, 15 международных конференциях по мощным пучкам частиц (Новосибирск, Россия 1979; Новосибирск, Россия 1990; Хайфа, Израиль, 1998; Санкт - Петербург, Россия, 2004), на 2, 4-6 и 8-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» (1993; 1999; 2002; 2005; 2011-
Н.Новгород); 3,4 и 6 Всесоюзных симпозиумах по сильноточной импульсной электронике, Томск, 1978; Томск 1981; Томск, 1986.
Личный вклад автора в выполненные работы. Соискатель является полноправным соавтором представленных публикаций, будучи ведущим исполнителем или руководителем представленных работ. Автор активно участвовал в создании измерительных и вычислительных методик, численном моделировании, конструировании приборов, а также в полном объеме в осуществлении экспериментов и обработке полученных данных, проведении их анализа, подготовке текста публикаций. Значительное число соавторов обусловлено масштабом выполнявшихся работ с большим количеством участников разработки и проведением экспериментов со сложными аппаратурными комплексами, включавшими в свой состав специально разрабатываемые источники питания, программное обеспечение и т.п.
Соискатель участвовал в создании первых высокоэффективных гиротроиов диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн [42А]. Автору принадлежит оптимизация параметров и адаптация для установки ТМ-3 гиротропа с длиной волны 4 мм - одного из первых приборов, специально созданных для СВЧ нагрева плазмы в установках УТС [43А, 44А].
В работах [2А-13А, 27А, 28А, 56-58А, 60А-62А, 67А] автору принадлежит постановка задач, выполнение необходимых расчетов, выработка и реализация рекомендаций по стабилизации электронных пучков микросекундной длитель-
ности, формируемых взрывоэмиссионными инжекторами, что позволило реализовать релятивистский карсинотрон с микросекундным выходным импульсом без СВЧ пробоев. Автором проведен теоретический анализ релятивистских резонансных черенковских СВЧ генераторов с повышенным сечением пространства взаимодействия [35А]. В работах [36А-37А] ему принадлежит расчет трех вариантов таких генераторов, разработка методики экспериментальных исследований и интерпретация полученных результатов. В работах [38А-40А] автору принадлежит реализация успешных экспериментов по исследованию релятивистских черенковских секционированных СВЧ усилителей, перспективных для работы с электронными пучками микросекундной длительности. Анализ полученных результатов позволил автору сделать вывод о необходимости применения в приборах с повышенными по сравнению с традиционными напряжениями технологий, принятых в промышленности (термокатоды, вакуумная гигиена и т.д.). Применение термоэмиссионного инжектора электронов позволило автору избавиться от СВЧ пробоев в релятивистском карсинотроне [29А, ЗОА] и провести на мегаваттном уровне мощности наблюдение автомодуляци-онных режимов [31А-34А].
Автору принадлежит инициатива проведения исследований гирорезонанс-ных приборов с микросекундной длительностью импульса и мультимегаватт-ной выходной мощностью. В работах [45А-55А] им осуществлены постановка задач исследований, выполнение аналитических расчетов параметров гиротронов и гироклистронов, проведение экспериментальных исследований и интерпретация полученных результатов.
В работах [15А, 16А, 17А-20А] автору принадлежит аналитическая часть проекта релятивистской магнетронно-инжекторной пушки на основе термокатода и практическая реализация этой пушки.
В работах [1А, 14А, 24А] автору принадлежит разработка электронных ускорителей с микросекундной длительностью импульса. В работах [5А, 25А, 59А, 62А] автором разработана система диагностики релятивистских электронных пучков микросекундной длительности, а в работе [68А] ему принадлежит рса-
11
лизация калориметра, с помощью которого выполнена большая часть измерений мощности мультимегаваттных СВЧ импульсов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано около 150 работ: получено 1 авторское свидетельство на изобретение; 5 статей опубликовано в зарубежных научных журналах; 38 статей издано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов; 7 статей размещены в тематических сборниках; 38 статей в сборниках трудов конференций, 59 работ являются тезисами докладов на конференциях.
Структура н объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы (112 наименований) и списка авторских публикаций (87 пункт). Общий объем диссертации составляет 275 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении сформулирована цель работы и постановка задачи, обоснована актуальность темы. Дано аннотированное изложение диссертации но главам.
В первой главе рассматриваются вопросы формирования, диагностики, транспортировки и осаждения на коллектор релятивистских электронных пучков микросекундной длительности в системах со взрывоэмиссионными катодами с точки зрения их применимости в мощных СВЧ генераторах и усилителях.
В п. 1.1 дана постановка задачи по формированию интенсивных электронных пучков микросекундной длительности с качеством, приемлемым для получения высоких КПД в СВЧ приборах. Приведены параметры трех экспериментальных стендов, специально созданных для проведения исследований мультимегаваттных микросекундных СВЧ источников. В главе рассмотрена специфика формирования релятивистских электронных пучков с микросекунд-
12
ной длительностью в системах с взрывоэмиссионными катодами. Возможность формирования микросекундных релятивистских электронных пучков (РЭП) была продемонстрирована Fridman М и Ury М.[18], однако применимость таких пучков в СВЧ приборах подразумевает достаточную стабильность пространственно-временных характеристик в течение всего импульса. Изменение геометрии электронного пучка не должно приводить к значительному изменению связи пучка с синхронной гармоникой электродинамической системы и, конечно же, к значительным потерям тока. Для получения экспериментальных данных по динамике электронного пучка был создан электронный ускоритель, описанный в п. 1.2. С переходом от наносекундных к микросекундным импульсам падает электропрочность всех видов изоляции, следовательно, растут габариты установок. Но при этом упрощается задача формирования высоковольтных импульсов. В созданной установке впервые для формирования микросекундных высоковольтных импульсов применена одноконтурная формирующая линия с сосредоточенными параметрами [ 1 Л].
В п. 1.3. приведены экспериментальные результаты по исследованию динамики катодной плазмы (эмиттера) и электронного пучка, сформированного в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией (КДМИ). Приведены зависимости времени коммутации КДМИ с катодом в однородном магнитном ноле от напряжения на катоде и величины ведущег о магнитного поля. С помощью токовых диагностик выяснено, что внешняя граница электронного пучка расширяется со средней скоростью (vx=4*105cm/c), примерно вдвое меньшей, чем скорость расширения катодной плазмы ((0,6-1)*106см/с). “Мгновенная” скорость расширения внешней границе РЭП поперек магнитного поля изменяется в течение импульса. Эта скорость достигала 4*106см/с примерно через 0,8 мкс от начала импульса, затем быстро нарастала при t=l,l мкс. до vjl=4,8*106cm/c [2А]. Скорость расширения границы пучка растет с ростом напряжения на катоде (и тока). Поскольку основная эмиссия электронов происходит не с внешней (по радиусу) кромки плазмокатода, была установлена возможность фиксации внешней границы пучка с помощью коллимирующей диафрагмы без суще-
13
ственных потерь тока, т.е. возможность введения РЭП без существенных потерь в канал с диаметром, меньшим диаметра анода. Продольная скорость наиболее быстрой и потому наиболее важной для СВЧ прибора фракции катодной плазмы не изменялась вдоль канала транспортировки и составляла (3-5)*106см/с и (7-11)*106см/с при напряжениях на диоде 200 кВ и 300 кВ соответственно [ЗА]. Значительное снижение продольной скорости катодной плазмы (почти на порядок) отмечено (как токовыми, так и рентгеновскими диагностиками [4А]) в КДМИ с катодом в ослабленном магнитном поле. В этой системе плазма расширяется в большей степени в сторону катододержателя, чем в сторону канала дрейфа, поскольку происходит ее торможение магнитной пробкой [1А,5А,6А]. Поперечная скорость расширения границы основной фракции электронного пучка в системе с катодом в ослабленном магнитном в несколько раз ниже, чем в системе с катодом в однородном поле. Обнаружена азимутальная неоднородность в периферийных слоях электронного пучка, приводящая к дополнительному расширению пучка из-за неустойчивости конвективного типа. Срезанием диафрагмой внешних слоев пучка, несущих не более 10 % от полного тока эта неустойчивость подавляется [7А].
В п. 1.4. приведены экспериментальные результаты по исследованию динамики коллекторной плазмы. При бомбардировке электронами металлических элементов возникает плазма (особенно охотно в неотпаянных системах). Выяснено, что коллекторная плазма представляет значительную проблему при реализации микросекундных источников СВЧ излучения [1А,2А]. При этом необходимо учитывать следующие факторы:
> плазма на коллекторе мощного СВЧ источника приводит сначала к нереиз-лучению рабочей моды в паразитные, а затем инициирует СВЧ пробой в электродинамической системе [8А].
> скорость распространения плазмы вдоль выходного волновода зависит от мощности канализируемого СВЧ излучения [9А].
14
> плазма образуется на поверхности коллектора путем ионизации десорбированных с поверхности и из пор металла высокомолекулярных соединений, обусловленных несовершенством вакуумной откачки [19].
> десорбция поверхностного слоя молекул носит ударный характер, а десорбция из пор - тепловой, отсюда следуют и различные значения порога удельного энерговыделения в поверхностном слое коллектора для образования плазмы от 150Дж/'г до 2 кДж/г [1 А] .
> коллекторная плазма служит источником положительных ионов, ускоряющихся в поле провисания потенциала электронного пучка. Зарегистрирова-на скорость ионов, до 10 см/сек [10А].
Выяснено, что потоки ионов из коллекторной плазмы и электроны, упруго отраженные от поверхности коллектора могут оказывать существенное влияние на параметры сформированного в КДМИ электронного пучка [11А-13А]. Потоки упруго отраженных электронов способны также вносить нежелательную обратную связь в усилительных системах.
В п. 1.5 сделаны выводы-рекомендации по применению РЭП, сформированного в КДМИ. В соответствии с этими рекомендациями для генерации микро-секундных импульсов необходимо использовать РЭП, сформированный в КДМИ с катодом в неоднородном магнитном поле с использованием коллимирующих пучок устройств и достаточно развитого коллектора. В 3-х сантиметровом диапазоне длин волн целесообразно офаничиться токами в пределах 1-2 кА.
Глава 2 посвящена вопросам формирования и диагностики релятивистских микросекундных электронных пучков, сформированных с термоэмиссионных катодов, с параметрами необходимыми для генерации и усиления мультимега-ваттных микросекундных СВЧ импульсов.
В п. 2.1 дано обоснование «возврата» к термоэмиссионным инжекторам электронов. Эксперименты по генерации СВЧ излучения на основе РЭП, сформированных со взрывоэмиссионных катодов, показали, что получение микро-секундной длительности СВЧ импульсов возможно лишь при Офаничении ге-
15
нерируемой мощности (СВЧ пробоем) и соответственно мощности электронного пучка на уровне, который может быть обеспечен термоэмиссионными инжекторами электронов. Эти инжекторы, конечно, существенно сложнее взрывоэмиссионных инжекторов (требуют сложного подогревателя и системы его питания), но могут обеспечить вакуумные условия и чистоту поверхности электродинамических систем, а значит, и максимальную их устойчивость к СВЧ пробоям, достигнутую в мощных классических СВЧ приборах.
П.2.2.1, содержит описание моноимпульсного электронного ускорителя с термокатодом, способного формировать в зависимости от величины ведущего магнитного поля, либо прямолинейный с током до 300 А, либо винтовой электронный пучок с током до 200 А, при энергии 350 кэВ и длительности импульса 1-10 мке [14А].
В п.2.2.2 рассмотрены особенности сильноточных магнетронно - инжекторных пушек с термокатодом. Плотность тока эмиссии термокагодов в зависимости от длительности импульса и материала катода варьируется в широких пределах (1 - 100) А/см2 и на много порядков меньше плотности тока взрывоэмиссионных катодов. Поэтому для получения интенсивного РЭП необходимы катоды больших размеров. При этом для получения необходимого диаметра пучка в канале транспортировки приходится применять большую его компрессию. Другая особенность сильноточных систем с термокатодом состоит в выборе режима работы. Вследствие ограниченной эмиссионной способности термокатодов для уменьшения компрессии потока целесообразно отбирать весь термоток.
При конструировании сильноточных магнетронно-инжекторных систем необходимо учитывать также увеличение пространственного заряда над эмитирующим пояском, обусловленное наличием многократных осцилляций электронов над ним. При повышении тока пучка происходят запирание электронов, вылетевших с участка эмиттера ближнего к каналу быстрее, чем с дальнего в результате накопления над ним объемного заряда. Для ослабления указанного эффекта необходимо увеличивать продольную компоненту электрического по-
16
ля и тем самым продольную скорость сноса электронов с эмиттера, что может достигаться следующими способами: за счет установки дополнительного фокусирующего электрода за кромкой эмиттера; увеличением угла наклона катода к оси системы; приближением (в допустимых пределах Е < Епр) к катоду канала транспортировки. Приведенные соображения были учтены при выборе конфигурации электродов для электронной пушки в траекторном анализе [15Л-16Л].
В 2.2.3. приведены расчетные параметры и результаты экспериментального исследования электронной пушки в режиме формирования прямолинейного потока электронов с проектными параметрами: энергия электронов: Е <500 кэВ; ток I «(0,5-1)кА; диаметр пучка 20 мм при толщине 2,5 мм; поперечный импульс электронов Р±< 0,3; плотность тока эмиссии ^ <10 А/см; напряженность электрического поля на катоде Ек <50 кВ/см. Эти соображения использованы для исходной итерации траєкторного анализа. В процессе численного моделирования путем подбора конфигурации электродов пушки, конфигурации ведущего магнитного поля, распределения потенциалов получены следующие проектные параметры: напряжение на первом аноде 200 кВ и на катоде 500 кВ, ток 500 А, ведущее магнитное поле 5,0 Тл, наклон катода к оси \р=50°, радиус катода Як= 5 см, плотность тока на эмиттере 1к <10 А/см2. При токе 500А перепад электрического поля на эмиттере составлял от 26кВ/см до 31 кВ/см при этом относительная поперечная скорость электронов = 0,07, соответственно продольная /3([=0,86, Д(3і.=0,036, Ар |=0,003и питч-фактор р^У рц=0,08.
В пушке использовался катод с импрегнированным алюминатно-бариевым эмиттером, вольтамперная характеристика которого хорошо соответствовала закону 3/2 во всем диапазоне напряжений. Максимальный ток составил 440 А при напряжении 410 кВ и номинальной температуре эмиттера 1050-1150°С. Остальные параметры электронного пучка также получены близкими к расчетным [17А]. Эта электронная пушка использовалась также для формирования винтового электронного пучка (п.2.2.4). В таком режиме уменьшалась величина ведущего магнитного поля, а напряжение на первом аноде подбиралось для получения необходимой осцилляторной скорости электронов [18А-19А]. Приве-
17
дены результаты исследования в рабочих режимах влияния отраженных от магнитного зеркала электронов на формирование электронного пучка [20А]. Работа проведена с помощью магнитного анализатора [21А-23А].
П.2.3.1, содержит описание 450кэВ, 180А микросекундного электронного ускорителя с тактовой частотой до 10Гц [24А]. Как и предыдущая установка, ускоритель имеют безмасляную систему вакуумной откачки и прогреваемый до 500°С канал транспортировки электронного пучка, что обеспечивает вакуумные условия, приближающиеся к условиям в промышленных приборах. Моноим-пульсный ускоритель запитывался от высоковольтного источника в виде генератора импульсного напряжения с емкостным накопителем и формирующей линией.
Ускоритель с тактовой частотой запитывался через импульсный трансформатор. Ограничение на тактовую частоту (10 Гц) обусловлено разумным весом и стоимостью биологической защиты.
В п.2.3.2 и 2.3.3. приведены соответственно результаты расчетов и тестирования электронной пушки специально спроектированной для исследования ги-рорезонансных приборов. Основное отличие от предыдущей модификации пушки заключается в конфигурации промежуточного анода, обеспечившей полное запирание тока при отрицательном потенциале относительно катода на этом электроде не более 1 кВ. Поскольку формирование электронного пучка осуществляется при практически безтоковом промежуточном аноде, это упрощает задачу синхронизации (при необходимости) нескольких ускорителей. Пушка рассчитана на получение винтового электронного пучка (ВЭП) с параметрами: энергия электронов-450 кэВ, ток-180 А, питч-фактор-1,3. Максимальный ток, полученный с гексаборид - лантанового эмиттера, не превышал 70 А (плотность тока на эмиттере 4 А/см") при максимальной мощности источника накала. В этих режимах происходила деформация спирали подогревателя с последующим закорачиванием на корпус катода. Поэтому дальнейшие эксперименты велись с низкотемпературным алюминатно-бариевым эмиттером. Азимутальная неоднородность нагрева эмиттера при рабочей температуре не пре-
вышала 12°С. Разброс электронов по скоростям в сформированном электронном потоке в значительной степени зависит от однородности эмиттера. Контроль однородности алюминатно-бариевого эмиттера велся с помощью электронного микроскопа. Исследовалась структура поверхности и ее элементный состав (на основе спектрального анализа) новых эмиттеров и эмиттеров в конце срока службы. По форме и частоте эмитирующих пор и наличию бария в них можно судить о качестве катода и его пригодности. Азимутальная неоднородность электронного пучка, измеренная методом составной диафрагмы [24А] не превышала 20%. Для анализа ВЭП в реальных режимах был использован магнитный анализатор, в котором сепарация электронов по скоростям осуществляется адиабатически нарастающим по ходу пучка магнитным полем [25А]. Массивный медный экран защитил соленоид криомагнита от выхода из сверхпроводимости из-за импульсного магнитного поля датчика. Возможность измерения параметров пучка позволила оптимизировать режим работы электронной пушки и получить параметры пучка близкие к расчетным.
Коллектор электронов рассчитан с учетом многократного переотражения электронов от его поверхности [26А], что сильно расширяет след пучка в сторону убывания магнитного поля. Этот эффект необходимо учитывать при конструировании выходного СВЧ окна.
Глава 3 посвящена исследованиям приборов черенковского типа.
Первые этапы исследовании по генерации мультимегаваттных микросе-кундных СВЧ импульсов излучения выполнены с релятивистским карсинотро-ном [1]. Прежде всего, в нем используются прямолинейные цилиндрические электронные пучки, которые при выполнении рекомендаций, изложенных в первой главе, должны были обеспечить необходимую мощность и длительность выходного излучения. Важное значение при выборе типа прибора имела адаптивность карсинотрона по отношению к параметрам электронного потока, поскольку для сильноточного РЭП, формируемого в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, характерно существенное изменение параметров в течение
19
импульса (энергии электронов, тока и геометрии). Кроме того, он наиболее изучен и не нуждается во внешнем источнике СВЧ излучения. Существенно, что электродинамическая система карсинотрона имеет достаточно большое поперечное сечение, что позволяло ожидать достаточно высокую устойчивость ее к СВЧ пробою. И, наконец, поскольку применение сильноточного РЭМ микро-секундной длительности в СВЧ приборе может осложняться из-за катодной и коллекторной плазмы, заполняющих канал транспортировки с высокими ско-
/ о
ростями (-10 см/с и -10 см/с соответственно), целесообразно было на первом этапе исследований остановиться на известном приборе, который, по крайней мерс, в режиме коротких импульсов работает безотказно [1]. С учетом результатов, изложенных в первой главе, генератор был рассчитан на относительно низкие параметры электронного пучка: энергия электронов €-400 кэВ; ток 1-1 кА (п.3.2.1-3.2.3). Выполнены экспериментальные исследования карсинотрона как в короткоимпульсном (т < 100 не.) [1 А,27А] , так и в длинноимпульсном (т =4 мке) режимах (п.3.2.3) [1А,28А]. Получена длительность СВЧ генерации около одной микросекунды на длине волны X ==4см при уровне выходной мощности в несколько десятков мегаватт (и.3.2.3.). Проведенные исследования продемонстрировали, что для дальнейшего увеличения длительности импульса и мощности излучения, необходимо увеличивать адаптивность электродинамических систем к СВЧ пробою. Эта задача решалась двумя путями. Первый был основан на технологических решениях: применении высоковакуумных материалов, безмасляной системы вакуумной откачки и применении термокатодов. В релятивистской лампе обратной волны (ЛОВ) на электронном пучке, полученном в пушке с термокатодом, с электродинамической системой из бескислородной меди и прогреваемой до 400°С при частоте около 8980 МГц была получена выходная мощность 5 МВт при длительности импульса 8 мке, равной длительности питающего напряжения (п.3.2.4) [29А]. Мощность, по-видимому, ограничивалась вторичным электронным разрядом, а не СВЧ пробоем [30А]. Удлиненный вариант этой ЛОВ использован для исследования нелинейной динамики ЛОВ как распределенной системы (п.3.5). В эксперименте были реали-
20
зованы все возможные режимы от стационарной генерации до хаотической автомодуляции при уровне мощности до 2 МВт [31А-35А].
На втором пути предполагалось добиться успеха за счет снижения высокочастотных полей на стенках электродинамических систем путем увеличения сечения пространства взаимодействия и/или его секционирования - п.3.3. Для этой цели было выполнено теоретическое исследование резонансных черенков-ских СВЧ генераторов (п.3.3.1.,3.3.2.) [35А], спроектированы (п.3.3.3.) и исследованы три варианта релятивистских оротронов (п.3.3.4.). Эти варианты отличались методами селекции мод по поперечному индексу. Все три генератора работали в одночастотном и одномодовом режиме с выходной мощность в несколько сот мегаватт [1 А,36А,37А]. Оротроны могут использоваться и как автогенераторы и как высокоселективные входные секции секционированных усилителей.
В и.3.4. приведены результаты исследований двух вариантов трехсекционных СВЧ усилителей. Рассмотрены особенности СВЧ усилителей на сильно-точных релятивистских пучках (п.3.4.2.). Поскольку эмиссия электронов происходит в процессе взрыва, естественно было предположить наличие большой шумовой составляющей в электронном потоке. Для сужения полосы усиления пространство взаимодействия было секционировано (ЛОВ-ввод мощности -ЛБВ). Причем входная секция работала в режиме регенеративного усиления. В этом усилителе впервые был получен коэффициент усиления свыше 30 Дб при выходной мощности 100 МВт с использованием электронного пучка полученного со взрывоэмиссионного катода (п.3.4.2.) [38А]. Стабильность фазы выходного излучения усилителя проверена интерференционным методом. Стабильность интерференционной картины в дальней зоне от двух идентичных усилителей и ее сдвиг в зависимости от разности фаз во входных каналах усилителей показали пригодность усилителей для практических применений[39А]. Наиболее интересен, с точки зрения возможных применений, усилитель с ЛБВ на +1ои пространственной гармонике, которая имеет небольшую глубину гофрировку боковой поверхности и ее электропрочность приближается к электропрочности
гладкого волновода [40А] (п.3.4.3.)- В ЛОВ - модуляторе, как показали эксперименты с микросекундными импульсами, высокочастотное поле можно сделать допробойным. Реализация такого усилителя подразумевала наличие тока свыше 1кА. На такой ток была спроектирована и практически изготовлена ква-зипирсовская пушка с термокатодом [41 А]. Однако недостаток средств не позволил довести до финиша изготовление катода большого диаметра. Была создана магнетронно - инжекторная пушка с катодом меньшего диаметра, способная формировать как прямолинейный, так и винтовой электронный пучок. На базе этой пушки исследовались как приборы черенковского, так и гирорезо-нансного типов (см.гл.4 и 5). Результаты, изложенные в 3 главе, позволили сделать следующие выводы:
❖ на основе электронных пучков, полученных со взрывоэмиссионных катодов, возможно получение микросекундных СВЧ импульсов в диапазоне сантиметровых волн с мощностью несколько десятков мегаватт, ограничиваемой СВЧ полями в пространстве взаимодействия;
♦> среди черенковских СВЧ приборов наиболее перспективен секционированный усилитель с выходной секцией на +\оп пространственной гармонике слабогофрированного круглого волновода, имеющего электропрочность приближающуюся к электропрочности гладкого;
❖ выходная мощность черенковских приборов ограничивается СВЧ пробоем при параме трах электронного пучка, которые могут быть обеспечены термокатодами;
❖ для повышения мощности необходим переход к приборам не требующим замедления рабочей волны (убитронам и гиротронам).
Следует отметить, что убитрон для своей реализации требует не менее сложной электронно-оптической системы, чем гиротрон, и пока дает меньший КПД. С учетом наличия опыта, полученного при создании классических гиротронов [42А-44А], предпочтение в дальнейших исследованиях было отдано гироприборам.
22
Глава.4 посвящена исследованию гиротронов и гироклистронов на релятивистском электронном пучке.
В настоящее время слаборелятивистские гиротроны являются наиболее эффективными источниками мощного излучения миллиметрового диапазона. Так на частоте 170 ГГц получена мощность излучения « 1 МВт в непрерывном режиме работы [20-21].
Однако потенциальные возможности этих приборов, как по уровню мощности выходного излучения, так и по рабочим диапазонам, где эти приборы могут быть конкурентоспособны, далеко не исчерпаны. Очевидно, что повышение энергии электронов - наиболее действенный способ повышения мощности гиротронов, так как наращивание тока пучка ограничено эффектами пространственного заряда. При этом для поддержания величины КПД на достаточно высоком уровне целесообразно уменьшать длину пространства взаимодействия, расширяя тем самым ширину полосы циклотронного резонанса и тем самым усложняя при этом задачу селекции мод (п.4.1.1.). Работа выполнена в два этапа. Главной целью первого было исследование принципиальной возможности получения высоких КПД при релятивистских энергиях электронов (п.4.1.2.). Конечной целью второго была создание выходной секции гироклистрона длинноволновой части диапазона миллиметровых волн с точки зрения обеспечения устойчивости к СВЧ пробою в режиме мультимегаваттных микросекундных импульсов (п.4.1.3.). Как уже было отмечено, безусловным достоинством гиротронов является возможность использования гладких электродинамических систем и, соответственно, обеспечение электропрочности пространства взаимодействия. Последнее обстоятельство усиливается при выборе в качестве рабочих азимутально-симметричных мод ТЕоп-типа, у которых отсутствуют нормальные составляющие электрических полей на стенках электродинамической системы. Кроме того, такие моды не создают в стенках электродинамической системы продольных токов, что позволяет избежать искрения в местах соединений выходных волноведущих секций и тем самым инициации СВЧ пробоя.
23
Оптимизация профиля резонатора гиротрона проводилась на основе стационарной модели релятивистского гиротрона с самосогласованной нефиксированной структурой поля [45А]. Дополнительный анализ и моделирование временной динамики было проведено с использованием двумерной версии PIC-кода KARAT[22]. Код KARAT непосредственно моделирует уравнения Максвелла в совокупности с уравнениями движения микрочастиц, при этом движение частиц является трехмерным, а геометрия системы предполагается аксиально-симметричной (п.4.1.2). При выборе в качестве рабочей моды ТЕо.и наиболее опасной конкурирующей модой является TE^i.i* При ускоряющих напряжениях до 230 кВ стартовый ток паразитной моды превышает стартовый ток основной моды в области рабочих значений магнитного поля (Н0 «4.3 кЭ) и возбуждается мода TE0.i.i* При дальнейшем росте напряжения, несмотря на рост стартового тока рабочей моды и снижении стартового тока паразитной моды за счет механизма нелинейной конкуренции генерация на моде TE2.i.i подавляется и устанавливается одномодовый режим генерации на моде ТЕо.и.
Максимум КПД достигается при магнитном поле, соответствующем жесткому режиму самовозбуждения. Однако режим подобран так, что при меньших напряжениях при той же величине магнитного поля режим возбуждения является мягким в том смысле, что данная ветвь стационарных автоколебаний достигается при малых величинах начальных возмущений. Максимальная мощность излучения составила 7 МВт при длительности импульса до 6 мкс и КПД 45% (п.4.1.2). Зависимости выходной мощности от величины резонансного магнитного поля, полученные из стационарной теории с нефиксированной структурой поля и моделированием в рамках двумерной версии Р1С-кода KARAT хорошо согласуются с результатами эксперимента. Длительность СВЧ импульса соответствовала длительности однородного участка импульса питающего напряжения. Таким образом, была подтверждена возможность реализации высокого КПД (45 %) гиротрона при повышенных по сравнению с традиционными энергиями электронов [45А, 46А]. Этот же гиротрон использован
24
для наблюдения автомодуляционных процессов в системе с запаздывающей обратной связью [47А].
В настоящее время рядом исследовательских групп ведутся работы, направленные на создание мощных импульсных микроволновых источников для питания линейных электронных ускорителей нового поколения. При этом для диапазона миллиметровых волн наиболее перспективными признаны усилители, основанные на стимулированном излучении периодических электронных пучков, в частности, на стимулированном циклотронном излучении. На пути к созданию одного из вариантов усилителей последнего типа выполнена разработка мультимегавагтного импульсного автономного генератора - гиротрона с рабочей модой объемного типа, подобной тем, которые используются в гиротронах для плазменных экспериментов [20-21] (п.4.1.3). Такие моды, в отличие от используемых в [23-26], имеют электрическое поле на стенках резонатора, однако, основываясь на результатах экспериментов с приборами черепковского типа (гл.З), можно было ожидать, что при достаточно малой длительности импульса прибор будет работать без СВЧ пробоя.
В гиротроне в качестве рабочей, выбрана вращающаяся мода магнитного типа ТЕ5.3.,(п.4.1.3). Эта мода имеет на стенке резонатора нормальный компонент электрического поля, но, согласно оценкам, его величина при выходной мощности 10 МВт не превышает 45 кВ/см, что значительно ниже значений (200 кВ/см), которые допускает наша технология. Спектр возможных колебаний в резонаторе существенно гуще, чем в гиротроне на моде ТЕо.і.і- Расчеты КПД гиротрона проводились с использованием стационарной модели релятивистского гиротрона, стартовые токи определялись для многоволновой модели с учетом трансформации мод на неоднородных участках выходного волновода. Для оценки устойчивости генерации рабочей моды и ее конкуренции с паразитными модами использовалась нестационарная модель с самосогласованной структурой поля. Оптимизация профиля резонатора проведена с учетом пространственного заряда пучка. Стартовый ток наиболее опасной паразитной моды ТЕ6 з і ниже стартового тока рабочей моды ТЕ5.3.1 только при напряжениях ниже
25