Исследование релятивистских магнетронных СВЧ генераторов

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ МАГНЕТРОННЫХ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ.
Стр.
Введение................................................................ 4
Глава 1. Физические процессы в релятивистских магнетронных генераторах.
Введение........................................................... 11
§1.1. Теоре тическая модель релятивистского магнетрона цилиндрической
геометрии.............................................................. 28
§1.2. Конструкция, расчет параметров резонаторной системы..................... 53
§1.3. Тепловые процессы в релятивистском магнетроне........................... 58
§1.4. Управление выходными параметрами СВЧ излучения.......................... 68
Выводы................................................................. 74
Глава 2. Источники питания для релятивистских магнетронных генераторов.
§2.1. Сильноточные электронные ускорители наносекундной и микросекундной
длительности импульса напряжения....................................... 76
§2.2. Линейные индукционные ускорители........................................ 78
§2.2.1. ЛИУ с многоканальными искровыми разрядниками............................ 83
§2.2.2. ЛИУ на магнитных элементах.............................................. 85
§2.3. Моделирование работы СЭУ и ЛИУ на различные нагрузки.................... 98
Выводы................................................................ 115
Глава 3. Обращенные релятивистские магнетронные генераторы.
Введение.............................................................. 117
§3.1. Плазменные процессы в обращенном коаксиальном диоде с магнитной
изоляцией............................................................. 117
§3.2. Механизм пробоя межэлектродного промежутка ОКДМИ....................... 133
§3.3. Конструкция, расчет, «холодные» измерения обращенных реля тивистских
магнетронов и обращенного коаксиального магнетрона.................... 137
§3.4. Исследования ОРМ и ОКМ микросекундной длительности..................... 149
Выводы................................................................. 158
2
Глава 4. Релятивистские магнстронные генераторы с внешней ннжекцней электронного пучка.
Введение............................................................. 159
§4.1. Физические предпосылки создания РМВИ.................................. 159
§4.2. Экспериментальные исследования РМВИ наносекундиой длительности.... 162
§4.3. Влияние вирту ального катода на формирование релятивистского
электронного пучка в магнитоизолированном диоде...................... 166
§4-4* Экспериментальные исследования РМВИ микросекундной длительности... 169
Выводы............................................................... 175
Глава 5. Импульсно-периодические релятивистские магнетронные генераторы.
Введение............................................................. 176
§5.1. Исследования РМГ в импульсно-периодическом режиме с использованием
ЛИУ с многоканальными искровыми разрядниками......................... 176
§5.2. Особенности конструкции релятивистского магнетрона, магнитной и
вакуумной системы для работы с высокой частотой следования импульсов............................................................ 181
§5.3. Экспериментальные исследования РМГ с использованием ЛИУ на
магнитных элементах.................................................. 193
§5.4. Функциональные возможности релятивистских магнетронных
генераторов.......................................................... 200
Выводы............................................................... 210
Заключение........................................................... 213
Приложение........................................................... 217
Список литературы.................................................... 220
3
ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность проблемы.
Интенсивное развитие в течение последних десятилетий исследований в области сильноточной электроники обусловлено широким диапазоном практических применений сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП), обладающих импульсной мощностью до 1012 Вт при энергии электронов 105-107 эВ, токе до 106 А длительностью 1 О*9— I О'6 с [1-5]. Подобные параметры СРЭП позволяют на несколько порядков превысить существующий в традиционной СВЧ электронике уровень мощности электромагнитного излучения, что открывает принципиально новые возможности использования излучения в различных областях науки и техники [6]. На сильноточных электронных ускорителях (СЭУ) были исследованы многие релятивистские аналоги сверхвысокочастотных электронных приборов и релятивистских генераторов нового типа [7-9]. К настоящему времени в релятивистских СВЧ приборах получены значения импульсной мощности до Ю10 Вт. Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) стала одним из быстроразвивающихся направлений научных исследований. Обнаружились и значительные трудности в реализации энергетических возможностей СЭУ. Импульсная энергия электронного пучка может достигать мегаджоуля, в то же время энергия в СВЧ импульсе составляет лишь сотни джоулей. Малая эффективность преобразования энергии вызвана движением электродных плазм, СВЧ пробоями, возбуждением «паразитных» видов колебаний и т.д. Затруднено и практическое применение генерируемого СВЧ излучения, что связано с большими весогабаритными показателями установок и, как правило, с моноимпульсным режимом их работы.
Для любою релятивистского СВЧ генератора имеется набор присущих ему специфических требований, например, к качеству электронного пучка, к магнитной системе, к параметрам ускорителя (внутреннее сопротивление, диапазон напряжений) и т.д. Эти требования накладывают ограничения на возможность использования любого из релятивистских генераторов для всею круга применений, что в свою очередь обуславливает многообразие исследуемых приборов. Хорошо известные достоинства приборов со скрещенными полями предопределили к ним интерес со стороны РВЭ. Частотная и фазовая стабильность генерируемого излучения, высокий к.п.д., небольшие весогабаритные показатели и стоимость, низкий уровень побочных колебаний и гармоник стали основой для проведения интенсивных исследований релятивистских магнетронов. Первые эксперименты с релятивистскими магнетронными генераторами (РМГ) в США -Массачусетский Технологический Институт [10] и СССР - ИГ1Ф АН СССР (г. Горький) [11], НИИ ЯФ при ТПУ (г. Томск) [12] позволили получить уровни мощности от сотен мегаватт до нескольких гигаватг при к.п.д. 10-30%. В качестве источников питания релятивистских магнетронов первоначально применялись СЭУ, содержащие генераторы импульсных напряжений (ГИН), разряжаемые через формирующую линию на магнетронный диод. Несмотря на то, что импульсы напряжения были наносекундной длительности, обнаружились недостатки РМГ, связанные с разрушением анодных блоков в течение нескольких сотен импульсов. Данный процесс вызывается действием нескольких факторов: 1) высокой удельной мощностью энергии электронов анодного тока,
приводящей к развитию процессов испарения, эрозии, механических деформаций элементов под действием теплового удара; 2) несогласованностью внутреннего сопротивления формирующей линии СЭУ (2-24 £1) с импедансом релятивистского магнетрона (40-100 П), появлением повторных импульсов и дополнительного выделения энергии в магнетронном диоде. Экспериментальные исследования РМГ’ проводились и при использовании СЭУ с микросекундной длительностью импульсов напряжения. В таком ускорителе ГИН непосредственно разряжается на магнетронный диод. Кроме процессов
4
разрушения анодных блоков обнаружились эффекты, ограничивающие длительность СВЧ излучения в сравнении с длительностью импульса напряжения. Авторы [13] связывают этот процесс с ускоренным радиальным движением катодной плазмы под действием мощных электромагнитных полей анодного блока и нарушением условий синхронизма электронного пучка и СВЧ волны.
Многие исследователи РМГ отмечают наличие больших потерь тока, уходящего из пространства взаимодействия прибора и снижающего к.п.д. Необходимо также отметить, что влияние далеко не всех параметров СВЧ генераторов и источников питания на выходные характеристики приборов было однозначно определено.
Кроме того, использование высоковольтных источников питания магнетронных генераторов приводит к необходимости учета релятивистских факторов. Известно, что условия пренебрежения релятивистскими поправками сводятся к требованию малости напряжений, измеренных в единицах шоС2/е и малости всех геометрических размеров магнетрона, определяемых в единицах пХ/2я (то- масса покоя электрона, с- скорость света, е- заряд электрона, п- номер вида колебаний, X- длина волны). Несмотря на то, что в приборах магнетронного типа происходит преобразование не кинетической энергии электронов, а потенциазьной, и таким образом релятивизм не так жестко связан с катод-аподным напряжением, тем не менее, для ряда приборов с малой величиной замедления электромагнитной волны необходим учет релятивистского фактора. Теоретические исследования, выполненные в работе [14], показывают влияние релятивистской зависимости массы электрона от его скорости на процессы СВЧ генерации. На основе метода усреднения, предложенного независимо ПЛ. Капицей [15] и В.Е. Нечаевым [16,17] для решения нерслятивистских уравнений движения электронов в пространстве взаимодействия прибора, была построена элементарная теория релятивистского магнетрона плоской геометрии. Однако известно существенное отличие рассмотрения процессов взаимодействия электронов с СВЧ волнами в цилиндрической геометрии магнетрона. Это отличие связано с тем, что в цилиндрическом магнетроне условие синхронизма электромагнитной волны и электронного потока точно выполняется только на определенном радиусе, в то время как для плоского магнетрона электроны находятся в фазе с волной по всей высоте спицы. Невозможность точного синхронизма во всем пространстве взаимодействия приводит к появлению дополнительного азимутального дрейфа электронов, искривлению траекторий движения электронов в спицах [17].
На начало проведения исследований не было известно о возможности работы релятивистского магнетрона с частотой следования импульсов, поскольку элементная база СЭУ на основе ГИИ позволяет работать им исключительно в однократном режиме или, в крайнем случае, с частотой в единицы герц. Выполненные в НИИ ЯФ при ТПУ с участием автора впервые эксперименты с релятивистским магнетроном в импульсно-нериодичсском режиме (пакет из трех импульсов с частотой следования 160 Гц) стимулировали развитие исследований в данном направлении. В этих экспериментах и до настоящего времени применяются линейные индукционные ускорители (ЛИУ). Причем ЛИУ, разработанные в НИИ ЯФ при ТПУ, отличаются от аналогов (Compact LIA- Physics International Company и SNOMAD- Science Research Laboratory - США) оригинальной компоновочной схемой за счет размещения в едином корпусе низкоимпедансных полосковых формирующих линий, индукционной системы, многоканальных искровых разрядников, нелинейных дросселей насыщения.
Именно имиульсно-нериодический режим работы РМГ’ представляется наиболее перспективным для практического применения приборов при условии создания компактных излучательных комплексов с высокими выходными параметрами по импульсной мощности, к.п.д., частоте следования импульсов. Выделяются следующие направления, в которых использование СВЧ источников с высокой средней мощностью
5
актуально: для систем СВЧ питания линейных резонансных ускорителей электронов с высоким темпом ускорения; в радиолокации, в том числе и нелинейной; в исследованиях на электромагнитную совместимость радиоэлектронного оборудования; для стерилизации. При работе релятивистского магнетрона в частотном режиме, когда большое количество импульсов набирается в течение коротких интервалов времени, особенно остро возникает необходимость проведения тепловых расчетов на поверхности резонаторной системы для определения параметров электронных пучков, допускающих длительную
работоспособность прибора.
Появление потребителей мощного СВЧ излучения определило перечень требований, предъявляемый к подобным комплексам:
• высокая воспроизводимость выходных импульсов по амплитуде и форме;
• диапазон напряжений не более 500 кВ для обеспечения удовлетворительной радиационной защиты при небольших материальных затратах;
• малые весогабаритные показатели;
• «удобный» для потребителя тип излучаемой волны;
• возможность перестройки частоты излучения;
• низкий уровень побочных колебаний и гармоник;
• долговечность элементов;
• максимальная эффективность преобразования энергии первичного накопителя в электромагнитное излучение;
• максимальные частота следования импульсов СВЧ генератора и источника питания должны совпадать;
• длительность СВЧ импульса близка к длительности импульса питания.
Последние три параметра определяют среднюю мощность установки, которая
является наиболее важной характеристикой:
Р = Р • ?-х
• сред 4 имп 4 * >
I Де Римп”
импульсная мощность РМГ, Г- частота следования импульсов, т- длительность
импульса.
Как выше отмечалось, в зависимости от применяемого источника питания проявляются различные факторы, ограничивающие выходные параметры РМГ. Поэтому возникает необходимость исследования приборов различной конфшурации для выбора наиболее подходящей для того или иного типа ускорителей. Увеличение импульсной мощности (средней мощности за счет роста Рим») связано с проблемами быстрого разрушения анодных блоков релятивистских магнетронов. Для решения указанной задачи в диссертации исследованы релятивистские магнетроны с внешней инжекцией электронного пучка (РМВИ). В подобных приборах электронный пучок формируется дополнительным диодом с магнитной изоляцией и инжектируется в пространство взаимодействия. Для получения СВЧ импульсов увеличенной (микросекундной) длительности необходимо решать другую проблему - уменьшать скорость разлета катодной плазмы поперек магнитного поля. Для этого могут применяться РМВИ, поскольку в них область образования катодной плазмы и передачи энергии пространственно разделены. Также возможно использование обращенных ма! нетронных генераторов, для которых в катодной плазме не развивается механизм центробежной неустойчивости, и можно ожидать увеличения как длительности импульса напряжения, так и СВЧ излучения. Для получения высокой средней мощности электромагнитного излучения необходимо реализовать высокую частоту повторения импульсов. Данная задача имеет комплексный характер, поскольку связана с разработкой: 1) источников питания по своим параметрам (напряжение, ток, длительность импульсов) наиболее полно соответствующим требованиям РМГ; 2) магнитных и вакуумных систем, допускающих
6
длительную работу РМГ с высокой частотой следования; 3) непосредственно импульсно-периодических релятивистских магнетроныых генераторов с увеличенной долговечностью элементов.
В целом, релятивистские магнетронные генераторы требуют более детального исследования и определенного обобщения. Прежде всего, это касается изучения физических процессов в пространстве взаимодействия прибора, расчета выходных характеристик, разработки оригинальных конструкций РМГ (включая источники питания) и их экспериментального тестирования.
Цель диссертационной работы:
• определение области рабочих параметров релятивистских магнетронных генераторов на основе теоретической модели, расчетов тепловых процессов на поверхности анодного блока, компьютерного моделирования источников питания при работе на релятивистский магнетрон и широкого спектра экспериментов;
• исследование различных типов релятивистских магнетронных генераторов для выбора оптимальной конструкции в зависимости от параметров установок для получения высоких значений импульсной мощности, больших длительностей импульсов и высокой средней мощности СВЧ излучения;
• исследование и реализация импульсно-периодического режима работы РМГ;
• расчет, разработка, моделирование, конструирование и изготовление линейных индукционных ускорителей на магнитных элементах, предназначенных для питания релятивистских магнетронных генераторов с высокой частотой следования и большим количеством импульсов непрерывной серии с выходных!и параметрами, не приводящими к разрушениям анодных блоков;
• создание излучательных комплексов с высокими техническими характеристиками и потребительскими свойствами, определение предельных режимов работы комплексов по частоте следования и количеству импульсов непрерывной серии;
• развитие функциональных возможностей РМГ для расширения сферы их применения.
Научная новизна работы:
• развита теоретическая модель релятивистского магнетрона для случая цилиндрической геометрии, получены аналитические выражения для расчета выходных параметров прибора: к.п.д., анодного тока, генерируемой СВЧ мощности;
• определены области параметров РМГ, позволяющие реализовать наиболее выгодные режимы работы с точки зрения получения высокой импульсной мощности, генерации СВЧ импульсов большой энергии, высокой средней мощности СВЧ излучения;
• впервые продемонстрирована возможность работы релятивистского магнетрона 10-см диапазона длин волн с высокой частотой следования импульсов - пакет из 3 импульсов мощностью 360 МВт с частотой следования 160 Гц и создан излучагельный комплекс на подвижной платформе;
• впервые реализован импульсно-периодический режим работы релятивистского магнетрона (выходная мощность 200 МВт при часто те следования импульсов до 320 Гц, и выходная мощность 350 МВт при частоте следования до 200 Гц);
7
• созданы излучательные комплексы с высокой средней мощностью генерируемого СВЧ излучения на основе релятивистских магнетронов с питанием от секций линейных индукционных ускорителей;
• разработаны линейные индукционные ускорители на магнитных элементах, создана компьютерная модель расчета параметров ЛИУ с целью согласования его с различными нагрузками, в том числе и с релятивистским магнетроном;
• впервые исследованы релятивистские магнетроны с внешней инжскцией электронного пучка наносекундной и микросекундной длительности;
• показано, что ограничение длительности импульса напряжения в дополнительном диоде релятивистского магнетрона с внешней инжекцией электронного пучка связано с попаданием отраженных электронов в область катод-анодного промежутка при формировании виртуального катода;
• проведены экспериментальные исследования процесса перемыкания плазмой обращенного коаксиального диода с магнитной изоляцией, показана возможность увеличения длительности импульса напряжения по сравнению с диодом прямой геометрии при одинаковых значениях напряженностей электрического и магнитного полей и прочих равных условиях, измерены концентрации и температура катодной и анодной плазмы;
• экспериментально показана возможность получения мощных (сотни мегаватт) СВЧ импульсов микросекундной длительности в 10- и 3-см диапазонах длин волн с использованием обращенных релятивистских магнетронных генераторов;
• показана возможность работы релятивистского магнетрона на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор с увеличением в несколько раз выходной импульсной мощности;
• исследован спектр излучения релятивистского магнетрона и влияние на него параметров источника питания, геометрических размеров анодного блока и катода, показана возможность электронной перестройки частоты излучения магнетрона и реализован способ механической перестройки частоты излучения;
• экспериментально исследованы автоколебательные режимы релятивистского магнетрона при внешней взаимной связи его резонаторов. Показано, что взаимодействие колебаний в условиях модовой конкуренции повышает стабильность рабочего п- вида колебаний, улучшает спектральные характеристики излучения;
• предложены и исследованы системы для формирования потоков электромагнитного излучения с высокой плотностью мощности.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные в диссертации, использованы для создания установок на основе импульсно-периодических релятивистских магнетронов при питании от ЛИУ, переданных Заказчикам. Разработаны оригинальные конструкции ЛИУ на магнитных элементах. Ускорители могут применяться для формирования электронных и ионных пучков в технологических установках, для генерации и усиления электромагнитного излучения приборами РВЭ. Теоретическая модель релятивистского магнетрона развита для цилиндрической геометрии электродов. Получены формулы для расчета выходных параметров релятивистского магнетрона. Исследован спектр излучения РМГ и реализован способ механической перестройки генерируемой частоты, измерен уровень гармонических составляющих основной частоты. Экспериментально исследован эффект сокращения длительности импульса напряжения в обращенном коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, показана перспективность применения таких диодов для генерации
электромагнитного излучения приборами М- и О- типов. При наносекундной и микросекундной длительности импульса ускоряющего напряжения исследованы режимы работы релятивистских магнетронов с внешней инжекцией электронного пучка. Найдены условия для эффективной генерации СВЧ излучения такими приборами и предложены меры для устранения причин ограничения длительности импульса тока электронного пучка при формировании виртуального катода. Применение устройств СВЧ компрессии в связке с релятивистским магнетроном позволяет превысить гигаваттный уровень мощности электромагнитного излучения при работе в импульсно-периодическом режиме. Использование внешних каналов связи открывает перспективы применения РМГ с увеличенным числом резонаторов анодного блока, обладающих за счет этого более высокой эффективностью.
Апробация работы и публикации.
Основные материалы диссертации докладывались:
- на 3 (г. Горький, 1983г.), 4 (г. Москва, 1984г.), 5 (г. Новосибирск, 1987г.), 6 (г. Свердловск, 1989г.) Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника»,
- на Всероссийском семинаре «Высокочастотная вакуумная электроника» (г. Нижний Новгород, 2001г.),
- на 6 (г. Новосибирск, 1985г.), 7 (г. Новосибирск, 1988г.), 8 (г. Свердловск, 1990г.) 12 (г. Томск, 2000г.) «Симпозиумах по сильноточной электронике»,
- на Всесоюзном семинаре «Плазменная электроника» (г. Томск, 1986г.),
- на совещании «Диоды для генерации РЭП микросекундной длительности» (г. Новосибирск, 1985г.),
- на 11 Всесоюзной конференции «Электроника СВЧ» (г. Орджоникидзе, 1986г.),
- на 9 Всесоюзной конференции «Методы расчета ЭОС» (г. Ташкент, 1988г.),
- на 17 «Совещании по ускорителям заряженных частиц» (г. Протвино,2000г.),
- на 6 (г. Кобе, Япония, 1986г.), 7 (г. Карлсруэ, Германия, 1988г.), 8 (г. Новосибирск, 1990г.), 12 (г. Тель-Авив, Израиль, 1998г.), 13 (г. Нагаока, Япония, 2000г.) Международных «Конференциях по мощным пучкам заряженных частиц»,
- на 13 Международном «Симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме» (г. Париж, Франция, 1988г.),
- на Международной «Конференции по мощному электромагнитному излучению в плазме» (г. Нижний Новгород, 1999г.),
- на 1 (г. Монтерей, США, 2000г.), 2 (г. Нордвик, Нидерланды, 2001г.) «Международных конференциях по вакуумной электронике»,
- на 13 (г. Лас-Вегас, CILIA, 2001г.) Международной конференции «Pulsed Power».
Результаты диссертации опубликованы в 51 работе, среди которых можно выделить
наиболее авторитетные отечественные рецензируемые журналы: «Письма в ЖТФ» [36,49,63,81,82,123,160], «Журнал технической физики» [170,171,201], «Известия ВУЗов. Физика» [92,97], «Известия ВУЗов. Электромеханика» [213], «Доклады Академии наук» [224], «Приборы и техника эксперимента» [143,207], «Физика плазмы» [176,202], «Радиотехника и Электроника» [189,191], защищены 8 авторскими свидетельствами и патентами на изобретение [141,146,183,184,193,194,203,204], 2 свидетельствами на полезную модель [110,126]. Некоторые результаты содержатся в специализированном сборнике «Релятивистская высокочастотная электроника» [61], рукописях, депонированных в ВИНИТИ [50,172], а также в тезисах докладов Международных и Всесоюзных (Всероссийских) конференций [43,51,52,62,125,127,128,135, 142,159,161,181,200,206,214,220,223,227].
9
Положения, выносимые на защиту:
1. Па основе теоретической модели релятивистского магнетрона цилиндрической геометрии, расчетов тепловых процессов на поверхности анодных блоков, компьютерного моделирования, широкого круга экспериментальных исследований определены области рабочих параметров релятивистских магнетронных генераторов (к.п.д., анодный ток, мощность, допустимая длительность импульса напряжения, вид огибающей СВЧ импульсов) при использовании различных источников питания - линейных индукционных ускорителей или сильноточных электронных ускорителей.
2. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах обеспечивают частоту следования импульсов в сотни герц с высокой повторяемостью амплитуды и формы выходных импульсов. Использование оригинальной компоновочной схемы, применение эффекта перекрытия фаз, разбаланса емкости конденсатора последнего звена сжатия магнитного импульсного 1-енератора и емкости одинарной формирующей линии позволяет значительно сократить весогабаритные показатели ускорителей в сравнении с имеющимися аналогами. Созданные на их основе импульсно-периодические релятивистские магнетронные генераторы могут надежно и эффективно работать с высокой средней мощностью СВЧ излучения, имеют большой ресурс работы, обладают высокой стабильностью генерируемых колебаний и допускают возможность работы на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор, что позволяет в несколько раз увеличивать импульсную мощность.
3. Применение обращенных релятивистских магнетронных генераторов перспективно для получения СВЧ импульсов микросекундного диапазона длительностей при использовании устройств вывода СВЧ излучения по оси прибора. В обращенном коаксиальном диоде с магнитной изоляцией, используемом такими приборами, длительность импульса напряжения в 2-4 раза больше, чем в обычном диоде при одинаковых напряженностях электрических нолей на электродах диода и прочих равных условиях. Перекрытие катод-анодного промежутка обращенного коаксиального диода с магнитной изоляцией вызывается радиальным движением анодной плазмы под действием развивающейся в ней центробежной неустойчивости.
4. Использование релятивистских магнетронов с внешней инжекцией электронного пучка целесообразно для получения СВЧ импульсов большой мощности, поскольку позволяет увеличивать ресурс анодного блока. Эффективная генерация СВЧ излучения в этих системах происходит при использовании стационарного состояния электронного пучка с виртуальным катодом, что достигается применением диафрагм на входе анодного блока, ограничением тока, уходящего из пространства взаимодействия прибора, увеличением отношения инжектируемого тока к предельному току транспортировки в анодном блоке.
5. Применение внешнего канала связи между резонаторами анодного блока релятивистских магнетронов в условиях модовой конкуренции повышает стабильность рабочего я- вида колебаний, улучшает спектральные характеристики излучения. С использованием релятивистских магнетронных генераторов с внешним каналом связи возможно построение источников направленного электромагнитного излучения.
6. Релятивистские магнетронные генераторы с питанием от линейных индукционных ускорителей позволяют создавать компактные излучательные установки, в том числе и на подвижной платформе.
Ю
ГЛАВА 1.
Физические процессы в релятивистских ма1 нетронных генераторах.
Введение.
Магнетрон был изобретен А. Халлом [18] в 1921 году как преобразователь мощности и устройство регулировки мощности. В 1928 году два японских профессора Яги и Окабе нашли, что магнетрон, у которого анод разрезан на два сегмента и больше, может генерировать чрезвычайно высокие частоты. Многорезонаторный магнетрон был создан в 1936 году' советскими инженерши Н.Ф. Алексеевым и Д.Е. Маляровым и описан в 1940 году в печати [19]. Примерно в тоже время X. Бут и Д. Рэндалл разработали аналогичную конструкцию в Великобритании. Успешное применение этих приборов в годы 2 мировой войны для радиолокационных станций вызвало бурное развитие теоретических и экспериментальных исследований, а также работ по практическому использованию магнетронов [20-24]. Такие достоинства, как высокая эффективность, амплитудная и частотная стабильность, долговечность небольшие весогабаритные показатели и стоимость, характерные для классических магнетронов и приборов на их основе, предопределили интерес к ним со стороны релятивистской высокочастотной электроники [10]. Релятивистский магнетрон является на самом деле сильноточным вариантом обычного магнетрона. Релятивистские напряжения нужны для возбуждения взрывной электронной эмиссии [25] и получения больших токов. Принцип действия идентичен классическому прибору. Однако определение области рабочих режимов и расчет выходных параметров требуют учета релятивистских факторов в соответствующих формулах. Кроме того, высокое катод-аноднос напряжение и большой ток приводят к появлению специфических эффектов, связанных с разрушением анодных блоков под действием теплового удара, значительных потерь тока, вызванных влиянием азимутального магнитного поля. Тем не менее, релятивистский магнетрон один из немногих приборов релятивистской высокочастотной электроники, уже нашедших практическое применение: в экспериментах но рассеянию электромагнитной волны на сильноточном электронном пучке; в испытаниях радиоэлектронной аппаратуры; для предварительного возбуждения и фазовой синхронизации виркаторов; накачки газовых лазеров; радиолокации, в том числе и нелинейной радиолокации; модификации полупроводниковых материалов и поверхности металлов.
К настоящему времени опубликовано достаточно большое количество работ, посвященных экспериментальным исследованиям РМГ [10-14, 26-82]. Данные но входным и выходным характеристикам приборов, некоторые конструктивные особенности представлены в таблице 1.1, на основании которых можно определить характерные параметры релятивистских магнетронов и сравнить их с классическими приборами (таблица 1.2).
Таблица 1.2
Параметр Классический магнетрон Релятивистский магнетрон
Тип катода Термоэмиссионный Взрывоэмиссионный
Напряжение менее 50 кВ 100-1500 кВ
Ток менее 0,1 кА 3-100 кА
Длительность импульса напряжения 1-20 мке или непрерывный режим работы 30 не-1,5 мке
Крутизна фронта импульса напряжения До 100 кВ/мкс до 100 кВ/не
11
Длительность импульса СВЧ излучения Соответствует длительности импульса напряжения 20-1,2 мке
Мощность менее 10 МВт 100-10.000 МВт
Длина волны излучения 0,8 см-60 см 3-30 см
Эффективность | 50-82% менее 30%
Для того, чтобы определить обшиє конструктивные признаки РМГ, а также отличия приборов, разработанных в диссертационной работе для реализации поставленных целей, ниже представлен краткий обзор экспериментальных работ, включающий описание отдельных узлов релятивистских магнетронов и установок в целом.
Типичные конструкции релятивистских магнетронних генераторов прямой геометрии показаны на рис. 1.1.1а,б, РМГ обращенной геометрии - на рис. 1.1.1 в,г. Катоды 2 установлены коаксиально анодному блоку У. Область между катодом и анодом образует пространство взаимодействия электронов с СВЧ волнами резонаторной системы. Анодный блок состоит из идентичных резонаторов, разделенных ламелями и связанных с пространством взаимодействия щелями связи. Обычно катод соединен с высоковольтным электродом 5 источника питания отрицательной полярности, анод заземлен. Для магнетронов обращенной геометрии - многорезонаторный анод расположен внутри катода и соединен с положительным электродом 9 источника питания. Элементы РМГ помещены в вакуумную камеру 4. Для ограничения утечки тока из пространства взаимодействия применяются вакуумные камеры (трубы дрейфа) большого диаметра [83]. Использование таких устройств позволяет приблизительно на 20% увеличить выходную мощность. Для этой цели в классических приборах используются концевые экраны на катоде, однако, для релятивистских магнетронов они не применяются во избежание «паразитной» электронной эмиссии и пробоя [31,32]. Электроны эмитируются с поверхности катода при создании напряженности электрического поля между катодом и анодом, превышающей критическое значение для возбуждения взрывной электронной эмиссии, сопровождающейся испарением материала и образованием катодной плазмы. Аксиальное магнитное иоле, формируемое магнитной системой 3, заставляет электроны двигаться по циклоидальным траекториям и препятствует их прямолинейному движению на поверхность анода. СВЧ энергия из резонаторов анодного блока излучается в свободное пространство с помощью волноводного б, либо дифракционного 8 выводов мощности, антенн 7. В обращенных магнетронних системах используются специальные устройства вывода СВЧ излучения (элементы связи) 10, либо для обращенных коаксиальных генераторов применяются фильтры типов волн У/, связанные с внутренним стабилизирующим резонатором 12 через диафрагму 13.
В первых экспериментах и до настоящего времени применяются сильноточные электронные ускорители прямого действия [1-3]. Такой ускоритель содержит генератор импульсных напряжений, разряжаемый непосредственно на магнетронный диод или через формирующую линию (ФЛ) на диод. Разряд ГИН на диод позволяет формировать импульсы напряжения и тока микросекундной длительности с параметрами: 0,25-0,5 МВ, 4-8,5 кА. Волновое сопротивление ФЛ изменяется в широких пределах от 2,8 Ом до 40 Ом. Диапазон напряжений 0,3-2 МВ, соответственно импульсная мощность может достигать 60 ГВт. Естественно, что такие установки могут работать исключительно в однократном режиме (один импульс в течение нескольких минут), за исключением экспериментов [41,68,69-71], в которых использованы частотные (2-4 Гц) СЭУ с параметрами: напряжение 0,3-1 МВ, ток 17-30 кА.
12
Таблица 1.1. Результаты экспериментальных исследований релятивистских магнетронних систем.
Орг лтплши
и гоа
iwciKpiiMcii іа
Г мгг
и??б_
! ИІІФ ЛН 1 1977 НИИ ЯФ 1978
НИИ ЯФ
1978 МП
1979
НИИ ЯФ
1979 U.M.
1979
Вид
аю * I
а 53 2л
и, MB 1, кЛ
0.36 14
0.97 6
12 4
0J 6
036 12
р. ' f. I
ГВт ' ГГи і не
20
ОіоСкнносіи комсіруміин. |С(м,ікі| Т«П MWCAMHUfi» слепни ОО •* )Ш» 1101
15 ДвЬйшюпа* яижо wuiwb
1.35
23
0.52 2.1 09 33
Stanford
University
1978-1982
НИИ ЯФ
1979
ИПФАН ФИ АН I* NRL
1979-198(1.
НИИЯФ
1983
40 | ІІпг}т>пр*твК (12|
Àu;uia< 'ЛС. ïiâiy 6.Ÿ2 сж уклллл с y+zvzm
:mi інммії ними |13| ,
20 ііс?иш ЭС(rotera «іктог - -К^ПіІ {26|
43
зо
43 ; ЗйфшшЭС.
4.5 4.6
15
' oSSStn
»ЧШІ lUKU М;(ШЛ!И ИІ »ICX
pctiaurofvt »W. librtéuswi urea
10CO
OlCKllUlt ICfttMATÜl. Bu»JC WulltoKI* fw CK* ІРМГ iij uni»; H». B<vuuacvi>6fcA uiiJikfoewu?.
3.0 1000 I 50
400 ) (1.02 3.0 I 33 j 1.9 і иіхш-о^ги.иергіушіш |29-32|
Мощность пучка -51'ВтТ Входная СВЧ моишссо- |
40 кВт. Ко>}»фииііеііі лсилйиик-ЗО дБ. Полоса F*cro«cf*m*»*iA so«, і г то к (33-34)
оггсстгеАки 300 МГц
0.64
12
10
я>Ъ
М)
10
06
07
12
22
. м.|.
55
60
83
40
40
ДНрюшстшиі шнм чмгосст |Л5|
ОСрэдмкуП кошикыша рмГ. іГікмйй ~
стг«м - .uwtvc Ыл г|к.доргтс.-ъаггп
ыябгшмтч.________________________144-461
Уіші xitftipomul b.dJL PMI*.
47 , Нлзперглчатсеїм тип ur lu-orvjcrro
I ПОауопдоыЭС 136) і
Особого ОСТ И комгтрукпмн. |C<U.t*»|
Сгнети h РМГ ІІикча чі*№і - 50 МГц. BUMfl vourorr * «срп 1ШТ4 сим в uroot.
РІС
1987-1988________
і Norlb < nrnlinn Univrofry 1987
НИИ ЯФ 1987
К<в«Г{1?аі**Пф»МІ (ПКрк.'ТМІ ЗС
ОЦъжчнП ГМГ Паї«* ШТОТ Ж»-К0 МГо. Литим* Н пики чмгжспі ні »хит Г«,
Н9.50І
<>îfcu>r*mirt ьс4»ін»пди0 PMf (Sl,52|
20-mmmsTBdl ПІН M Ги
>Г C pCKCUKfUWN МНЮТМГ» (MM
Организация •1 год >КЧ*ІТ<ріІЧСІ1ТЛ N d, CM Biu .MB K. кА н и< p. ГВт f. ITu *<вч. MC •г. ПЛ. % Особмшости конструкции. |С
НИИ ЯФ ИПФ АН 19НМ 6 12 135 XX) X 2x 0.64 0.25 6.2 4 60 10СКІ 1.0 ai 3.0 3.0 ЗО 400 до20 10 Barutut «маскии XKKipJHMtu п>чи ВлрГ>Л1Ш*й fcjroû D І1МЦОІСІІС імииогЛспм
ІЯТ С orp»f #<»>«. ('4fWH 1 Ыпыгу 199« 6 2x 0.34- 0.4 5.7 250 0.02- 0.2 44 90 2-Ю { Mpt 11^*11 пипгЯ mrurr П)-ст>шнигуП r»IH H Г» (41,68)
MIT 1988 6 2x оз 0.7 30 0.7 >500 3«0 0.005 4Л 200 CupupcfWJWHfl wnnfT И.-го«мт ЮЛЗОИ ПІІІ. V«4Vc< »»mi f-4 Га (711
РІС 1989 X ! 360 120 0.8 2.86 241 40 VV)tUW<TVC ШУЛІМ PVIT HXT>nUJ 1 ОбіКГ* BK * }М.1ЯЧ|М.и UOlVIKn WfMTl^e аг ICO » 5C*J NUI r. |72|
НИИ ЯФ 1989 9 1.0 n 04 4 70 0.25 2.9 50 15 ГМГ f «мім ЛИУ pnwctixMU їм скиїкаїмН ntaTpîj^H 6» 20 TU
MIT 1990 6 1.35 n 2я 0.7 0.7 2000 0.005 250 1-5 Vdvec exa Девин PMI яохкргжа. iwt(uiy;i».'¥> агамі}. (67)
ААІ Corpora«*« 1990 6 2n я 1 17 70 0.7 0325 4.63 4.27 50 15 7 Г- 2 t и И*л<Ліші»хс* мтглуды СВЧ нчпупсо* - 164 Орем« «или »нхгют fac«ca 9X0 *vii» гко*. ытоя* 1509 ичпуі мої. |69|
(кчггаї Atomic* 1990 6 2n (1.35- 0.4 0.300 4.4 100 5-Ю С *ггхіцта«ша міші. 20<i}tscMUїм* ГИН. Г-1 Га Нх тдвмшхгъ міщды СВЧ _ J7Û)
РІС 1990 10 я 05 11.5 too 0.4- 0.6 1.23 2.82 75 СВЧ vonmcr\ *vroMfT«:« ю 2 ртмтотгрс* PMI Псрсгтройсд чктоты a ijv к«іх 144Н Ш 10-см и 334Н Ml 10<м РЗСГ. Г- 100 Ги (ICO •млуаиоя). |75)
РІС 1990 я 1 (0.?5J_ 360 (10) 120 03 2.8 40 І 84 vnitHKta in 2 рсаігатгрс* PMI пгстуиаст іо2гнрсїТ0ГЛ. 1761
North Carolina Uflhtntoy, Varian 1990 6 я 2я 0.3 (025) 3.1 ІСОО 0.09 2.5 4.17 250 12 И;ісч«іи еиипи V*ie. 1сщ«|«иігкиі І»І ivr ИК-М дошзЛ CUMWU 177]
Opr дниииия и год жицишя
НИИ ЯФ
1999
НИИ ЯФ 2001
О<0б«11Л0СП1 конструкции. (Ссылка!
Крмзгс«мша угчн w) ratciK IWku МСОЖСТИ in 2 рсюмекде* Окпьтххмиа (MUIIMII 0*t*t
(- 10) 14 С|»ЛГМ ММЖС<Т\. Pq«4*4.4 «Вт I» 1М1ггши|}. f*2W Гц. «Лг
f- 2 SO Га, N^>63 кВт________________
TcfMxamr. Мшизастаэс ntxjtjrru «тяж
f- 10 Гц.__________________________ 166]
Кат.« ■пиан», •* течи» ?о)| от ГИЯ С ДФЛ шипи мчгулк KBjiutMw iisanxttiwKfl
тиряостя. МстьгманхкнрпсшП «тса (* 10 Гц Тттроштп г* пхссаымон ro*t. [Т91 Korcpemutt сшагмис мошккг а со ш>ч РМГ (ггтптг со 2 (норятаим ЛИУ) ■ atctpamiM «доапиг чдешхпа о» лаух
РМ____________________11101
Исшшт актом - ЛИУ мл пиши пых хмчсит<п. f- 3W Ги Малттяос оме nmmi от »ашмоа их К4ШМГ0 гоаж |811
При цдсиияшт СВЧ acMipcxxiff« (230|_
Меимтгкс* |>фпр;йса налоги кхл}«**»«
ГМГщ»лм«х*Ч_________________________1821
мак пктеит - ЛИУ н» мтгимтеих Акисипп f- 200 Гц. МЬгиятде« mi( iwwr«
О* ИСГСЧ1ИЫ ПАЛи«МИ1П1 rue*
В табхицс использовали следующие совращения юучмэ-меслсдомтельсхих оргливпаимй:
НИИ ЯФ* НИИ насрноО фи зики при ТТ1У, ИИФ АН- Институт приклодиоЛ физики АН СССР» ФИ All- Фмзичдояй институт АН СССР. MIT- Masuxhusett* Institute of Technology (Cambridge). LLKL- Lawrence Li^tRDon National Laboratory (LivermoreX PIC- Physic* Intcmaiionol Company (Sin Leandro). SNL* Sandia KibonaJ l-abccatory (Albuquerque). Varian- Vanin Avsociatic*. Advanced Technology Ctoup, NRL- Naval Research laboratory (Washington) <N- число рсишаторок аиодиого &к»ка. d- оелячина катод-шюдиого промежутка, U- напряжение. I- ток. t- длительность импульса ийпряасия*. Р- генерируемы СВЧ мощность приСюр*> 1- час гот а излучения, tew длительность импульса СВЧ юлухеашж.
LI
Г)
Рис. 1.1.1. Типичные конструкции РМГ. а) - РМГ прямой геометрии с волноводным выводом мощности, б) - РМГ прямой геометрии с дифракционным выводом мощности, в)-обращенный релятивистский магнетрон, г) - обращенный коаксиальный релятивистский магнетрон. 1- катод, 2- анодный блок, 3- магнитная система, 4- вакуумная камера, 5- катододержатель, 6- волноводный вывод мощности, 7- антенна,
8- дифракционный вывод мощности, 9- анододсржатсль, 10- устройство вывода СВЧ излучения, 11- фильтр типов волн, 12- стабилизирующий резонатор, 13- диафрагма.
18
Представляют интерес исследования релятивистских магнетронов при повышенных напряженностях электрического поля, что достигалось применением систем с отражательным размыкателем [37]. Импульс напряжения РМГ формировался системой, накапливающей энергию в магнитном поле. Отражательный размыкатель располагался аксиально магнетрону со стороны, обратной к источнику питания, т.с. катод магнетрона был продлен и служил катодом отражательного триода. В закрытой фазе источник питания (ТИП и 50 ФЛ) заряжают коаксиальную индуктивность, образованную катодом и анодом. Низкоимпедансный (40) триод формирует встречные потоки электронов и ионов. При этом напряжение на РМГ находится ниже порогового значения для возбуждения СВЧ колебаний для приложенного магнитного поля. Открытая фаза начинается, когда катод-анодный промежуток закорачивается плазмой. Размыкатель открывается, напряжение на магнетронном диоде резко (в течение -10 не) повышается до синхронного значения -1,24 МБ. Импульс электрической мощности в приборе увеличивается в 2 раза, достигая 100 Г'Вт. Основное требование для реализации таких систем - это необходимость получения больших токов для работы размыкателя, что приводит к протеканию значительных аксиальных токов по катоду магнетрона, образованию азимутального магнитного поля и сносу электронных спиц из пространства взаимодействия. Как следствие, наблюдалась низкая эффективность работы прибора (-600 МВт при к.п.д. менее 1%). Авторы отмечают, что СВЧ мощность резко уменьшается, когда аксиальные токи начинают превышать уровень 10-15 кА. Поэтому продолжение работ было направлено на исключение протекания по катоду магнетрона тока размыкателя, который в последующем был размещен перед релятивистским магнетроном. В первой схеме пучок эмитировался вторичным катодом и распространялся по трубе дрейфа в магнетрон. Эта схема основана на результатах экспериментов [28] с РМВИ. Авторы [37] повторили этот эксперимент при напряжениях 1,2 МБ, токе 4-8 кА и получили СВЧ мощность 0,1-1 ГВт. Высокой эффективности достичь не удалось, поскольку применялся дополнительный анод на торце анодного блока, вызывающий рассеяние электронов и изменение распределения продольных и поперечных скоростей электронов в инжектируемом пучке. Вторая схема с использованием размыкателя и так называемого инверсного диода была более интересной из-за ликвидации эффекта азимутального магнитного поля. В этой схеме ток от отражательного триода принимался на коллектор, электрически связанный с катодом магнетрона. Уровень СВЧ мощности был невысок (-200 МВт), что объяснялось недостаточным уровнем развиваемого на магнетроне напряжения для эффективной генерации.
Практически для всех вышеупомянутых экспериментов отмечено отличие в длительностях импульсов напряжения и СВЧ излучения. В качестве возможных причин этого явления назывались: перемыкание резонаторов анодной плазмой, возникающей при разогреве ламелей анодным током; высокочастотный пробой в резонаторах или устройстве вывода; критичность прибора к форме анодного напряжения. Однако только подробные исследования при увеличенной (микросскундной) длительности импульса питания позволили определить причину ограничения длительности СВЧ импульса.
Для получения СВЧ импульсов с высоким энергосодержанием исследовались релятивистские магнетроны при микросекундных длительностях импульса напряжения [13,29-32]. Для этого выход ГИН подключатся к центральному электроду магнетронного диода. В первом эксперименте [13] длительность импульса СВЧ излучения мощностью -800 МВт составляла около 300 не при длительности импульса напряжения -800 не и определялась быстрым уменьшением напряжения ниже порогового уровня. Дополнительные исследования [84] показали, что искажение импульса напряжения связано со специфическими особенностями работы РМГ. В экспериментах использовали как 6-резонаторный анодный блок, так и гладкий анод соответствующих размеров. Шунтом
19
анодного тока измерялась величина тока на участок анода, противоположный катоду. Проведенные оценки показали, что для обоих случаев величина энерговыделения на аноды были меньше пороговой [85] для образования анодной плазмы. Поэтому авторы связали процесс замыкания межэлектродного промежутка с радиальным движением катодной плазмы. Оценки ее скорости для гладкого анода показывают величину МО6 см/с, а с многорезонаторным анодным блоком в режиме генерации СБЧ излучения 4,5-106 см/с. С целью проверки, не является ли увеличение скорости результатом азимутальной неоднородности анодного блока магнетрона, часть резонаторов была закрыта металлическими вставками. Эксперимент показал, что скорость радиального движения плазмы близка к соответствующим значениям для гладкого анода. На основе проведенных исследований делается вывод, что наличие мощных электромагнитных полей в межэлектродном промежутке магнетронного диода приводит к значительному (до 4,5 раз) увеличению данной скорости и, соответственно, искажению формы импульса напряжения за счет изменения импеданса диода, выходу прибора из режима синхронизма. Причем увеличение длительности импульса напряжения в релятивистском магнетроне стало наблюдаться лишь при снижении уровня генерируемой мощности до 40 МВт.
Механизм движения катодной плазмы поперек изолирующего магнитного ноля рассмотрен в работах [86,87] и основан на развитии центробежной неустойчивости в прикатодном плазменном слое. Гидродинамическое расширение катодных плазменных струй, образованных отдельными эмиссионными центрами, через некоторое время после подачи импульса напряжения приводит к образованию однородного плазменного слоя вокруг катода. Этот слой неустойчив по отношению к развитию центробежной неустойчивости, поскольку частицы плазмы испытывают дрейф в азимутальном направлении (электроны и ионы дрейфуют в разных направлениях с различными скоростями). Любое случайное возмущение однородного по азимуту распределения концентрации плазмы за счет разницы скоростей вращения частиц приводит к возникновению поля поляризации. Скорость дрейфа плазмы в этой неоднородности (в скрещенных полях поляризации и внешнем магнитном) будет направлена в сторону действия центробежной силы. Таким образом, время перемыкания межэлектродного промежутка составляет сумму двух интервалов времени: 1к=т0+тц6, где то- время
формирования плазменного слоя, тЦб- время развития центробежной неустойчивости.
В рамках модели развития центробежной неустойчивости катодной плазмы зависимость времени коммутации от величины индукции магнитного поля имеет три характерные области:
1). При В<Вкр,гг магнитная изоляция отсутствует.
2). ВКркт<В<В§- магнитная изоляция нарушается в процессе формирования плазменного слоя толщиной б вокруг катода, где:
в5 + (1.1)
б- величина катод-анодного промежутка, Вкри1- критическая индукция магнитного поля, ниже которой нарушается магнитная изоляция промежутка.
3). В>В$ - пробой диода определяется развитием в катодной плазме центробежной неустойчивости, и величина 1к определяется суммой т0 и Тцб. Сравнение экспериментальной зависимости ^(В) с рассчитанной по модели центробежной неустойчивости для параметров эксперимента указывает на их хорошее соответствие и наличие характерного максимума при В- Вопг. Его существование определяется конкуренцией двух процессов. На начальном участке Вб<В<Вопт увеличение связано с уменьшением толщины плазменного слоя вокруг катода. В сильных магнитных полях В>В01Гг происходит увеличение поля поляризации, т.е. уменьшение времени развития центробежной неустойчивости.
20
Более простая связь ц с основными параметрами эксперимента может быть получена из качественного представления модели [88]. При больших магнитных нолях пробой диода В ОСНОВНОМ определяется скоростью развития центробежной неустойчивости (То<Тцб). Используя это упрощающее предположение, показано, что:
Е^/и1'2 «(4721тт|с/В)1'г(гс/а)|м. (1.2)
где Ео- напряженность электрического поля между электродами, и- напряжение на диоде, п, т,- концентрация и масса ионов катодной плазмы, гс- радиус катода. Левая часть выражения (1.2) полностью совпадает с выведенным в [89] на основе значительного количества экспериментальных фактов эмпирическим соотношением:
Е01|с/2/и,/2 «а. (1.3)
Отличительной особенностью коэффициента а является его независимость от геометрических параметров диода. Аналогичную слабую зависимость демонстрирует и правая часть (1.3), что служит косвенным доказательством правомерности модели центробежной неустойчивости. Следует подчеркнуть, что данный механизм пробоя связан с развитием неустойчивости именно на внутреннем электроде диода, т.е. на катоде магнетронного диода прямой геометрии. Анодная плазма в прямом коаксиальном диоде с магнитной изоляцией не играет существенной роли, что подтверждается выводами работы [90]. Наличие мощных СВЧ полей анодного блока магнетронного генератора ускоряет процесс развития центробежной неустойчивости, усиливая азимутальную неоднородность нрикагодного электронного слоя за счет роста поля поляризации.
Радиальное движение внешней границы катодной плазмы приводит к увеличению ;щаметра электронного пучка с характерной скоростью ~4-105 см/с. Поскольку магнитное поле не оказывает влияния на разлет катодной плазмы вдоль силовых линий, то скорость ее движения может достигать значений 10 см/с и объясняется амбинолярным ускорением ионов в поле объемного заряда электронов плазмы [91].
В работах [29-32] для РМГ было предложено использовать вольфрамовый оксидный катод для исключения образования взрывоэмиссионной катодной плазмы. Исследовался анодный блок с увеличенным числом резонаторов - 12 и увеличенной длины - 10 см для развития эмитирующей поверхности катода. Хорошее разделение частот видов колебаний достигалось применением трансформирующих устройств для вывода СВЧ излучения «вперед» по оси системы. Эксперимент ставил целью достижение импульсной мощности -1 ГВт при длительности -1 микросекунда. Реально прибор возбуждался с мощностью -20 МВт в течение -35 не. По мнению авторов, короткие импульсы вызывались образованием анодной плазмы при осаждении электронов спиц пространственного заряда. Ионы анодной плазмы пересекают межэлектродный зазор и нейтрализуют пространственный заряд электронного облака. Формулируя требования для новых конструкций релятивистских магнетронов, авторы предлагают выбирать величину замедления электромагнитной волны (Зф~0,1, значительно увеличивая синхронное магнитное ноле для уменьшения энергии бомбардирующих анод электронов. Однако низкие значения рф требуют либо перехода в более длинноволновый диапазон, либо увеличения числа резонаторов в 3-4 раза, что сопряжено с трудностями разделения видов колебаний. Снять указанные ограничения можно в коаксиальных (КМ) или обращенно-коаксиальных конструкциях (ОКМ) [44-46,51,52] (рис. 1.1.1 г) релятивистских магнетронов.
В 1986 году в НИИ ЯФ при ТПУ были проведены исследования релятивистских магнетронов в импульсно-периодическом режиме [43,63]. Для этого использовались разработанные в институте секции линейных индукционных ускорителей (ЛИУ) [92]. Принцип действия ЛИУ, конструктивные особенности рассмотрены в Главе 2. Следует отметать то, что такой источник имеет внутреннее сопротивление, хорошо согласующееся с импедансом релятивистского магнетрона. Позднее линейные индукционные ускорители
21