СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МОЩНЫХ КОРОТКОВОЛНОВЫХ ГИРОРЕЗОНАНСНЫХ ПРИБОРОВ

July 26, 2012 by admin Комментировать »

Еремка В. Д.

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Академика Проскуры, 12, Харьков 61085, Украина fax: 38-0572-441-105; e-mail: eremkatcb.ire.kharkov.ua Кураев А. А., Синицын A. K.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники ул. П. Бровки, 6, Минск 220027, Беларусь тел.: (017)239-84-98; e-mail: kuravev(<5)_bsuir.unibel.bv


Аннотация проведен анализ достижений в области повышения выходной мощности и рабочей частоты гирорезонансных приборов (гиротронов и гироклистронов) традиционных конструкций. Показано, что радикальное улучшение указанных параметров может быть достигнуто при использовании в качестве электродинамических систем гирорезонансных приборов многозеркальных резонаторов бегущей Т-волны.

I.    Введение

Со времен создания 40 лет назад гирорезонансные приборы заняли доминирующее положение в качестве мощных генераторов и усилителей миллиметрового диапазона длин волн. Их уникальные параметры высокий уровень выходной мощности (1… 1,5 МВт в квазинепрерывном режиме), высокий КПД (30…60%), стабильность фактически инициировали создание новых направлений в научных исследованиях, технике и технологиях. Укажем лишь некоторые из них: технология создания новых композитных материалов (диэлектрических и металлических); технологические установки СВЧ нагрева; разогрев на циклотронном резонансе плазмы в установках термоядерного синтеза (гиротроны); радиолокация, ПВО и ПРО нового поколения наземного и морского базирования (гироклистроны), ускорители заряженных частиц (гиротроны и гироклистроны) и многие другие специальные направления.

Основными центрами разработок и исследований гирорезонансных приборов являются: Gycom (Россия: Нижний Новгород Москва), CPI (бывший «Вариан», США), Массачузетский технологический институт (США), Мэрилендский и Висконсинский университеты (США), JAERI/Toshiba (Япония), Thomson Tubes Electroniques TTE (Франция), СЕА (Франция), Forschungszentrum Karlsruhe (Германия), Centre de Recherches en Physique des Plasmas (Швейцария, Лозанна).

Конструкции разрабатываемых в указанных центрах гирорезонансных приборов (гиротронов, гироклистронов, гиро ЛЕВ) традиционны и однотипны в основных узлах: магнетронные пушки (MIG), формирующие трубчатый спирализованный электронный поток, резонаторы, представляющие собой отрезки слабонерегулярного цилиндрического или коаксиального волновода, квазиоптический преобразователь волноводной моды в электромагнитный луч, коллектор с «размазкой» электронного луча на развитой боковой стенке. Такая традиционная конструкция позволила достичь весьма высоких результатов вплоть до частоты 110-170 ГГц. Эти достижения освещены ниже. Однако при продвижении в область более высоких частот и более высоких мощностей, а также при решении проблем перестройки по частоте с использованием традиционной конструкции гиротронов и гироклистронов возникают принципиальные трудности. О сути этих трудностей и путях их преодоления на базе принципиально новой конструкции гирорезонансных приборов с зеркальными резонаторами бегущей T-волны сообщается в данном докладе.

II.    Гиротроны для промышленного применения

Физические принципы работы гирорезонансных приборов: релятивистская поперечная и пространственная продольная группировки электронов в пучке, их взаимосвязь, управление группировкой и энергообменом за счет формирования профиля ВЧ и магнитного полей, влияние сил пространственного заряда и другие явления и эффекты подробно описаны в монографиях [1…4 и др.] и поэтому в текст доклада (для его сокращения) не включены, но в устном докладе будут представлены в необходимом объеме.

Рис. 1 Fig. 1

Упрощенная схема промышленного гиротрона представлена на рис.1. Здесь 1 эммитирующий кольцевой поясок катода; 2 первый анод; 3 второй анод; 4 резонатор, образованный нерегулярным волноводом, в котором реализуется нарастающее к выходу ВЧ поле, близкое к оптимальному распределению, найденному в [1..5]; 5 -основной электромагнит или постоянный магнит; 6 выходной волноводный трансформатор; 7 вакуумно-плотное окно вывода энергии; 8,9 водяные рубашки коллектора электронов (боковая стенка волновода 6) и резонатора 4. Электроны, эммитируемые с пояска 1 под действием магнитного поля соленоида 10 и электрического поля первого анода 2 движутся по квазивинтовым траекториям, вращаясь поперечно к силовым магнитным линиям и дрейфуя вдоль них. В области нарастания магнитного поля дрейфовая скорость ускоренных полем второго анода электронов преобразуется в осцилляторную. В области резонатора 4 магнитное поле достигает синхронного значения (циклотронный резонанс).

Для упрощения и уменьшения размеров чертежа на схеме рис.1 сделаны следующие упрощения: 1) значительно сокращены по сравнению с реальнами размеры области формирования спирализованного трубчатого пучка 1-2-3-4и области осаждения пучка на колекторе 6; 2) вывод энергии указан в виде простого волноводного трансформатора, в то время как в современных гиротронах чаще используется двухлучевой вывод энергии с квазиоптическим преобразователем рабочей моды резонатора в гауссов пучок. В таблице 1 сведены параметры промышленных гиротронов, разработанных в России, США, Японии [6], работающих на второй гармонике циклотронной частоты.

Таблица 1

Изгото витель

Gycom

Россия

CPI

США

Mitsubishi

Япония

Частота, ГГц

30

28

28

Выходная мощность, кВт

12-15

10

10

Электронный КПД, %

30-32

30-33

30-38

Напряжение, кВ

25

30

30-31

Ток пучка, А

1,5-2

1,1

1,1-1,23

Мода резонатора

Но2

Но2

Но2

Мощность питания магнита, кВт

13,7

5,0

0,05

КПД с учетом питания магнита, %

23

26-29

30-38

Длина гиротрона, мм

1000

630

1150

Диаметр магнита, мм

315

300

340

Вес гиротрона, кг

18

15,8

50

Вес магнита, кг

79

90

600

Как следует из приведенных данных, потенциал традиционной конструкции в промышленных гиротронах далеко не исчерпан: частоты и входные мощности далеки от предельных для такой конструкции; используется один из простейших низших типов колебаний, проблема селекции мод решается достаточно просто.

III.   Супергиротроны для нагрева термоядерной плазмы

Изготовитель

Gycom Россия [7]

JAERTI Япония [6]

EUROOOM -FZK Г ермания— Франция [8]

ИПФ РАН Россия [9]

ИПФ РАН IHM Россия—Германия (проект)

Частота, ГГц

110

140

170

170

140

140

170

Выходная мощность, кВт

0,9

0,96

0,74

0,9

1,0

1,1

5

Электронный КПД, %

38…42

40…45

30…45

48

30

30

Технический КПД (с рекуперацией)

50

50

Напряжение, кВ

70…75

70…75

75…80

75

80

90

Ток пучка, А

25…40

28…40

30..40

22…26

40

42

Мода резонатора

Hl9,5,l

Н22Д1

Н25ДОД

Нз1Д1

Н28,8

Н28Д6

Тип резонатора

полый

полый

полый

полый

коаксиальный

коаксиальный

коаксиальный

Длина импульса, с

2

1,2

3

9,2

10

2

К гиротронам этого класса предъявляются экстремальные требования. Действительно, по данным ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) для разогрева термоядерной плазмы нужны частоты между 140 и 200 ГГц и импульс длительностью порядка 1000 с и пиковой мощностью 100 МВт. Достигнутые к настоящему времени параметры супергиротронов для ITER приведены в таблице 2.

Приведенные данные относятся к предшествующему периоду разработок супер-гиротронов. В этих разработках использованы все последние научные, технические и технологические достижения в области электронной оптики, электродинамики и теплотехники. Электронная оптика позволяет формировать трубчатые электронные пучки с очень малой толщиной Аго по ведущим центрам электронных ротаторов (Аго«Х) и малым угловым разбросом скоростей электронов; выходной квазиоптический трансформатор позволяет преобразовывать волновую моду в гауссовы пучки (обычно 2 пучка) с высоким КПД; вакуумно-плотные окна вывода энергии изготовляются из алмаза, что позволяет обеспечить высокий уровень плотности электромагнитной энергии, пропускаемой окном без разрушения в течение импульса; «размазывание» электронного потока по стенке коллектора за счет сканирующих вспомогательных магнитов позволят значительно повысить уровень рассеиваемой на коллекторе энергии. Однако при достигнутых к настоящему времени уровнях выходной мощности и высокой рабочей частоты уже достаточно остро проявляется известное противоречие, обусловленное традиционной конструкцией гиротрона: для повышения мощности электронного пучка при заданном ускоряющем напряжении следует увеличивать площадь его поперечного сечения; однако при условии Аго«Х это можно сделать только за счет увеличения радиуса пучка го, а это заставляет использовать очень высокие типы волн Hni (n~30, i~10). Но использование таких высоких типов волн резко осложняет проблему селекции мод: для отстройки или подавления паразитных волн уже придется использовать составные резонаторы [10, 11] или холостые электронные пучки, нагружающие паразитные моды [11].

Таблица 2

IV.                 Супер гирокпистроны

Для ПВО и ПРО нового поколения наземного и морского базирования, для систем слежения за астероидами, а также для питания ускорителей разрабатываются релятивистские импульсные гирокпистроны с пиковой мощностью в десятки МВт.

Типичные данные о параметрах разрабатываемых супер гирокпистронов приведены в таблице 3.

В [13] показано, что если в конструкции гирокпистрона, параметры которого соответствуют второй колонке таблицы 3, заменить второй резонатор, настроенный на первую гармонику сигнала, резонатором, настроенным на вторую гармонику и работаю-

Таблица 3.

Разработчик

University of Maryland (UM), U.S.A [61

ГМ. CPI. U.SA [12]

Номер рабочей гармоники

1

1

2

1

Число резонаторов

2

3

2

4(юакс№

ал)

Напряжение, кВ

425

425

457

500

Ток пучка, А

190

195

244

300

Частота, ГГ ц

9,88

9,87

19,76

30

Импульсная мощность, МВт

24

27

32

50

КПД, %

30

32

29

45

Усиление, Дб

33

36

27

45

Длительность импульса, мс

1,2

1,2

0,8

1,2

щим на моде Н021 (с соответствующей оптимальной подстройкой), КПД этого гироклистрона может быть повышен до 47%.

Рис. 2 Fig. 2

При оптимизации местоположения этого резонатора и коррекции магнитостатического поля КПД гироклистрона может быть повышен еще до 52%. В том и другом случае повышение КПД достигается за счет существенного улучшения фазовой группировки электронов вследствие компенсации перегруппирующего действия сил пространственного заряда полем резонатора на второй гармонике рабочей частоты.

Недостатком супер-гироклистрона традиционной конструкции (резонаторы отрезки волновода) является невозможность электрической или механической перестройки полосы усиления, что необходимо для систем ПРО и ПВО нового поколения (полоса усиления супергироклистрона достаточна узкая до 0,5%).

V.     Супергиротроны и супергироклистроны с пьезоэлектрической перестройкой зеркального резонатора

Основные проблемы супергиротронов и супергироклистронов могут быть решены при использовании резонаторов бегущей Т-волны, образуемых четырехзеркальной системой отражателей [14… 17]. В гироприборах с такими резонаторами разрешаются следующие проблемы.

1)  Проблема динамического расслоения широкого электронного пучка, ограничивающая выходную мощность. В зеркальном резонаторе поперечная однородность поля в рабочей области обеспечивается независимостью компонент поля Т-волны от поперечных (к направлению распространения ) координат, а бегущая структура волны предопределяет независимость процесса фазовой группировки любого из слоев электронного потока от места его ветрела в рабочую область резонатора.

2)  Проблема селекции мод. В резонаторах с поглощающими или неотражающими экранами, окружающими зеркала, высшие моды не возбуждаются. Селекция бегущих вправо и влево волн решается путем введения внутреннего ускоряющего электрода (рис.2). Благодаря поперечному дрейфу электронов из-за доплеровского эффекта резонансные частоты при заданной индукции магнитностатического поля существенно сдвигаются. Так, при параметрах, принятых в [17] и в ниже приведенных вариантах, этот сдвиг составляет при Х=6 мм 24%, при Х=3 мм 12%, при Х=1 мм 4%. Таким образом, если одна из волн находится в условиях циклотронного излучения, то вторая в зоне циклотронного поглощения и , следовательно, не возбуждается

3)  Проблема перестройки частоты генерации и полосы усиления. Перестройка четырехзеркального резонатора возможна за счет перемещения зеркал. Это перемещение может осуществляться электричексим сигналом, подаваемым на пьезодвигатели, механически связанные с зеркалами резонатора; синхронно должна осуществляться подстройка магнитостатического поля.

Схема прибора

Схема прибора без устройства пьезоэлектрической перестройки резонатора (оно приведено на рис.З) и магнитной системы изображена на рис. 2: рис. 2, а поперечное, рис. 2, б продольное сечение прибора. Здесь 1 плоские полированные зеркала; 2 широкие спирализованные электронные потоки; 3 ускоряющий электрод с не отражающей поверхностью (поглощающей или шероховатой рассеивающей); 4 не отражающие металлические экраны; 5 катод; 6 коллектор.

При расчетах приняты обозначения и безразмерные параметры [14]. В схеме прибора на рис. 2 воз-

можны два варианта поляризации бегущей вдоль

оси х Т-волны: вертикальная когда£составляющая Т-волны ортогональна направлению спирализованного электронного потока и горизонтальная когда Е параллельна направлению распространения

электронного потока. В последнем случае вектор Е параллелен плоскости зеркал и допустимая напряженность поля (по ВЧ пробою в вакууме) значительно повышается.

Оптимальные варианты гиромонотрона

При оптимизации режимов и параметров четырехзеркального гиромонотрона использовалась математическая модель, развитая в [14]. В ней приняты следующие безразмерные переменные:

/3() = и0/с, и0полная скорость электронов на входе в резонатор, с скорость света в пустоте;    ,

и_г поперечная скорость электронов, и продольная; F=eBo/m0tJO, Д=еЕ^/тоШС’, е, т0соответственно заряд и масса покоя электрона, Воиндукция продольного однородного магнитного поля в области взаимодействия, Ет амплитуда бегущей Тволны в iм резонаторе;

На рис.4 изображена экспериментальная зависимость удлинения пьезопакета, изображенного на рис.З (высота пакета вместе с кожухом 80 мм, диаметр30 мм), от управляющего напряжения иупр. Максимальное удлинение при Uynp 1600 В составляет 300 мкм. Таким образом, при т=8, ДЛ=0,15 мм. При Л=3 мм, следовательно, диапазон перестройки составляет 5%, что для многих применений вполне достаточно. При необходимости увеличить диапазон перестройки для заданной Л достаточно увеличить число пьезокерамических шайб в пьезодвижителях.

VI. Заключение

Приведенные данные указывают на принципиальную возможность создания достаточно высокоэффективных схем гирорезонансных приборов с зеркальными резонаторами бегущей Т-волны, особенно двухкаскадных и трехкаскадных. Важная их особенность отсутствие динамического расслоения широкого ленточного ЭП, что открывает возможности значительного повышения мощности гирорезонансных приборов в СВЧ и КВЧ диапазонах.

Важным свойством гиротронов с зеркальными резонаторами является показанная возможность электрической перестройки частоты с помощью пьезодвижителей и синхронно подстраиваемого магнитного поля вспомогательного электромагнита. Это свойство открывает новые области применения гиротронов и гироклистронов в системах радиолокации и радиопротиводействия нового поколения.

VII.  Список литературы

0.    Кураев А. А., Ковалев И. С., Колосов С. В. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ.

Мн.: Наука и Техника, 1975. — 296 с.

1.    Кураев А. А. Теория и оптимизация электронных приборов СВЧ. Мн.: Наука и Техника, 1979. — 334 с.

2.    Кураев А. А. Мощные приборы СВЧ. Методы анализа и оптимизации параметров. М.: Радио и связь. 1986. — 208 с.

3.    Кураев А. А., Байбурин В. Б., Ильин Е. М. Математические модели и методы оптимального проектирования СВЧ приборов. Мн.: Наука и Техника, 1990. — 392 с.

4.    Kolosov S. V. and Kurayev A. A. Radio Engng. Electron. Phys., 1974, v. 19, pp. 65-73.

5.    Felch K.L., Danly B.G., Jory H.R. Kreischer K.E.,

Lawson W.. Levush S., Temkin R.J. Proc. Of the IEEE,

1999, v. 87, № 05, pp. 752-780.

6.    Мясников В. E., Агапова М. В., Ильин В. Н. и др. Радиотехника, 2000, № 2, с. 87-71.

7.    Dammertz G.. Albertis.. Arnold A. et. al. Third IEEE International Vacuum Electronics Conference, U.S.A. April 23-25, 2002, pp. 330-331.

8.    PavelyevA. S., Flagin V. A.. Khizhnak V. /., Manuilov V. N.. Zapevalov V. E. MSMW2001. Symposium Proceedings, Kharkov, Ukraine, June 4-9, 2001, pp. 507-512.

9.    Kurayev A. A.. Shevchenko F. G. and Shestakovich V. P. Radio Engng. Electron. Phys., 1974, v. 19, pp 96-103.

10.  Zapevalov V. E. MSMW2001 Symposium Proceedings Kharkov, Ukraine, June 4-9, 2001, pp. 117-122.

11.  Blank М.. Borchard P.. Cauffman S.. Felch K.. Mizuchara Y.M.. Lawson W. Third IEEE International Vacuum Electronics Conference, U.S.A. April 23-25, 2002, pp. 85-86.

12.  Kurayev A. A.. Kolosov S. V. IEEE Electron Device Letters. 1997, v. 1, No 6, pp. 254-257.

13.  Кураев А. А. Доклады АН БССР, 1990, т. 34, № 7, с. 610-612.

14.  Кураев А. А.. Рудницкий А. С.. Слепян А. Я.

A.C.SU № 1776 155A1 H01 J25/00 от 20.08.1990.

15.  Колосов С. В.. Кураев А. А. Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, № 1, с. 96-99.

16.  Кураев А. А., Синицын А. К. Материклы КрыМиКо’2002. Севастополь: Вебер, с. 176-178.

THE STATE, ADVANCE AND OUTLOOK OF HIGH FREQUENCY GYRODEVICES

Yeryomka V. D Usikov Institute of Radiophysics & Electronics

NAS of Ukraine

12,        Akad. Proskura St., Kharkov 61085, Ukraine FAX: 3-0572-441-105 E-mail: eremka&jre.kharkov. ua Kuraev A. A., Sinitsyn A. K.

Belarus State University of Informatics and Radioelectronics P. Brovka St., 6, Minsk 220027, Belarus Tel. (0172) 39-84-98,

E-mail: kuravey@.bsuir.unibel.bv

Abstract The analysis of advances in area of increase of output power and operating frequency of gyrodevices (gyrotrons and gyroklystrons) of traditional designs had been carried out. It is shown that radical improvement of this parameters may be achieved in multi-mirror resonators with T-travelling wave gyrotrons.

I.  Introduction

The main problem at rise of gyrotrons power in HF band is the dynamic stratification of electron beam (EB). Using the resonators with travelling wave formed by four-mirror reflecting system may treat this problem. The present paper shows efficiency of twoand three-cascade schemes of such devices on the basis of computer simulation.

II.  The Gyrotrons for industrial application

Parameters of the gyrotrons working on the 2-nd harmonic of cyclotron frequency are resulted in Table 1.

III.    The SuperGyrotrons for heating thermonuclear plasma

The parameters achieved to the modern super-gyrotrons for ITER are resulted in Table 2.

IV.  The SuperGyroklystrons

The typical data on parameters of developed supergyroklystrons are resulted in Table 3.

V.  The Super-Gyrotrons and Super-Gyroklystrons with mirror Resonators of travelling T-wave

The scheme of the devices is represented on Fig. 2: Fig. 2a is transversal, Fig. 2b is a longitudinal section of the devices. Here 1 is the plane polished mirrors; 2 is wide helical EB; 3 is accelerating electrode with non-reflecting surface; 4 nonreflecting metal screens; 5 the cathode; 6 a collector. The initial type of this gyrotron has been proposed by Kurayev [14]. On Fig. 3 the design of the device of frequency change of the mirror resonator is resulted

This design of gyrotron has the following advantages: 1) output power at short wavelength is not restricted because the thick and wide electron beams may be used; effect of dynamic stratification of beam is absent in wide travelling TEM-wave ray of resonator; 2) the angular spread of electron velocity has faint influence on efficiency because field does not depend on z; 3) the electron beam may interact with a few harmonics of cycle frequency at the same time; 4) it is possible to make the recuperation in this design of gyrotron.

VI.  Conclusion

The represented data indicate enough high performance of gyroresonant devices with mirror resonators of a travelling wave, especially concerning cascade schemes. Their important feature is absence of a dynamic stratification of wide EB, which opens possibilities of substantial increase of power of gyroresonant devices in SHF band.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты