КОМПАКТНЫЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

October 28, 2014 by admin Комментировать »

В. Г. Шпак, М. И. Яландин Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

Развитие релятивистской высокочастотной электроники показало, что в лабораторной практике могут эффективно использоваться малогабаритные сильноточные наносекундные электронные ускорители с невысоким энергозапасом – вплоть до единиц джоулей и энергией пучка до 300 кэВ. Начиная с 1980 года для этих целей в ИСЭ СО РАН, а в дальнейшем – в ИЭФ УрО РАН, были разработаны ускорители РАДАН [1]. В современных моделях этой серии обеспечена перестройка выходных параметров, они автономны и имеют ресурс более 107. Модель РАДАН-303 [2] и СВЧ-приборы на ее основе были доведены от экспериментальных макетов до экспортных образцов, не имеющих мировых аналогов. С использованием новой техники был выполнен ряд приоритетных исследований. Созданы релятивистские ЛОВ диапазона частот 37-140 ГГц с мультимегаваттным уровнем мощности, первый релятивистский черенковский усилитель миллиметрового диапазона, ЛОВ (70 ГГц) с фокусирующей системой на основе постоянных магнитов [3,4]. Важное место в исследованиях занимали проблемы повышения эффективности СВЧ-приборов и увеличения частоты повторения импульсов. По мере появления широкополосной цифровой осциллографической техники и диагностической аппаратуры появилась возможность на новом уровне продолжить исследования по генерированию субнаносекундных высоковольтных импульсов и электронных пучков [5]. В результате были созданы первые субнаносекундные источники широкополосных СВЧ- импульсов с мм-заполнением, работающие в режиме сверхизлучения [6, 7], а также частотные генераторы мощных сверхширокополосных радиоимпульсов на основе антенных систем ударного возбуждения [8].

Современный этап работ по высоковольтной импульсной и ускорительной технике в интересах релятивистской высокочастотной электроники связан с применением новых наносундных твердотельных генераторов высоковольтных импульсов с индуктивными накопителями энергии и полупроводниковыми прерывателями тока [9], разработанных в лаборатории импульсной техники ИЭФ УрО РАН. Они отличаются естественной "твердотельной" стабильностью параметров, большим ресурсом (> 108), частотами повторения импульсов более 3 кГц при выходном напряжении в сотни киловольт на нагрузках в десятки-сотни ом.

Высоковольтные генераторы РАДАН

Унифицированный импульсный генератор РАДАН-303 Б представляет собой двойную формирующую линию (ДФЛ), заряжаемую трансформатором Тесла и коммутируемую на нагрузку газовым разрядником (рис. 1, а). Напряжение пробоя регулируется от 10 до 200 кВ. Его стабильность типична для неуправляемых разрядников (дисперсия ~5%). Прибор обеспечивает электронный импульс длительностью 5 нс и фронтом 1-1,5 нс. Импульсная мощность на согласованной 45-омной нагрузке составляет 0,8 ГВт. Нагрузкой могут служить электронные и рентгеновские трубки или коаксиальные магнитоизолированные вакуумные диоды со взрывоэмиссионными катодами (КДМИ).Для укорочения импульса ускоряющего напряжения до 200-300 пс используется дополнительное устройство (рис. 1, в), принцип действия которого основан на вырезании короткого импульса из более длинного с помощью обостряющего и срезающего разрядников [5]. Установлено, что при частоте повторения импульсов 100 Гц полный разброс напряжения срабатывания разрядника-обострителя не превышал 5-6%. О стабильности генерируемых импульсов говорила сама возможность получения осциллограмм, накопленных за 500 импульсов цифровым стробоскопическим осциллографом. С использованием опыта исследований субнаносекундных преобразователей было разработано индуктивно-емкостное звено с газовым разрядником, обеспечивающее дополнительную компрессию энергии наносекундно генератора РАДАН-3 03 [10]. При зарядке короткого емкостного накопителя в режиме бегущей волны получено увеличение выходного напряжения со 150 до -200 кВ (рис. 2), что соответствует увеличению мощности импульсов в 1,75 раза. Эффективность преобразования энергии достигает 80%.

Рис. 1. Малогабаритный наносекундный генератор РАДАН-ЗОЗБ: а – сечение ДФЛ, б – внешний вид, в – субнаносекундный обостритель импульсов.

Рис. 2. Фронт импульса наносекундного драйвера и импульс увеличенной амплитуды на выходе звена сжатия.

Рис. 3. Гистограмма разброса фронта формируемого субнаносекундного импульса относительно фронта, запускающего разрядник.

Анализ режимов стабилизации пробоя субнаносекундных разрядников позволил создать для ДФЛ-генераторов РАДАН прецизионно-управляемый трехэлектродный разрядник. Было доказано, что субнаносекундная точность запуска достигается, когда обеспечено опережающее развитие пробоя между отрицательным пусковым электродом и противоположным ему потенциальным [11]. Минимальное отношение энергии управляющего импульса к коммутируемой составляло 10′3. Дисперсия момента запуска не превышала длительности пускового импульса 300-400 пс (рис. 3). Несколько ДФЛ-генераторов РАДАН-303 могут быть запущены вообще без относительного джиттера с помощью двухэлектродного разрядника, один из электродов которого соединяет потенциальные электроды отдельных ДФЛ [12]. Наносекундные генераторы с управляемыми разрядниками также использовались для создания модульной сильночной системы. Были испытаны двухканальные генераторы с нагрузками в виде субнаносекундных обострителей (см. рис.1, в), которые генерировали импульсы длительностью 500 пс с джиттером 200-400 пс в зависимости от типа разрядников: объединенного или двух управляемых. Эти данные показывают, что модульные системы предоставляют возможности для исследований по СВЧ-электронике с применением сложных синхронизируемых комплексов: релятивистских усилителей с субнаносекундными пучками; установок для изучения рассеяния СВЧ-волны накачки потоком релятивистских электронов. Могут создаваться системы с когерентным суммированием СВЧ-мощности.Релятивистские СВЧ-генераторы миллиметрового диапазона

Для исследований по релятивистской СВЧ-электронике на базе генераторов РАДАН были разработаны наносекундные и субнаносекундные ускорители с магнитоизолированными коаксиальными вакуумными диодами. Наиболее энергоемкий элемент сильноточного СВЧ-прибора – импульсная магнитная система транспортировки пучка – в нашем случае становится компактной. Этому способствует уменьшение поперечных размеров из-за увеличения прочности вакуумной изоляции КДМИ при временах воздействия напряжений в единицы и, тем более, в доли наносекунд.

В 1980-1990 годы было создано несколько моделей СВЧ-генераторов (релятивистских ЛОВ) с сильноточными пучками с энергией от 150 до 200 кэВ [13]. Генераторы МГ-1, МГ-2 и МГ-3, работавшие на длинах волн 8 и 4 мм (мода Ε0ι) с частотой повторения импульсов 0,1-10 Гц, имели выходную пиковую мощность до 10 МВт. Электронный КПД удалось поднять до 10-15% с применением ускорителя на базе РАДАН-303 (250-300 кэВ), и для ЛОВ, работающей на частоте 35 ГГц (генератор МГ-4), мощность составила 60 МВт. При длительности генерации 3-4 нс ЛОВ, работающей на частоте 70 ГГц, был получен поток СВЧ-

Рис. 4. Блок релятивистской ЛОВ (70 ГГц) СВЧ- генератора МГ-6.

энергии в замедляющей системе ~0,5 ГВт/см2, а электрические поля на стенках одномодовой электродинамической структуры генератора МГ-6 составили ~2 МВ/см [3]. Достижение таких высоких удельных параметров мы относим к результату увеличения электрической прочности электродинамического тракта при малом времени воздействия СВЧ-полей.

В настоящее время генераторы серии МГ-4 – МГ-6 – наиболее компактные релятивистские СВЧ-приборы. Их частота повторения импульсов (до 10-40 Гц) обеспечивалась применением импульсных соленоидов с принудительным охлаждением. Компактный вакуумный диод генератора МГ-6 (рис. 4) послужил прототипом для КДМИ релятивистской ЛОВ с фокусирующей системой на основе постоянных магнитов Nd-Fe-B [4]. Магнитная система охватывала снаружи корпус диода. Это позволило сдвинуть реверс магнитного поля от катода к изолятору, а замедляющая система располагалась в однородном поле ~14 кЭ. Хотя в экспериментах не было достигнуто оптимальное превышение рабочего тока над стартовым, выходная мощность ЛОВ, работающей на частоте 70 ГГц, достигла 1 МВт, а частота повторения импульсов 100 Гц лимитировалась только ускорителем.

Генерирование субнаносекундных СВЧ-импульсов миллиметрового диапазона в режиме сверхизлучения

Субнаносекундные электронные ускорители [14] дали возможность исследовать различные механизмы сверхизлучения короткого сильноточного электронного пучка в диапазоне от 38 до 150 ГГц [6, 7, 15]. Наибольшие мощности были получены в экспериментах по генерированию широкополосных (>5%) когерентных импульсов СВЧ при прохождении электронного пучка (0,5-1,5 нс, 1-2 кА, 200-300 кэВ) в гофрированных замедляющих системах типа ЛОВ. Пиковая мощность на частоте 38 ГГц достигала 140 МВт при длительности импульса 300 пс и темпе роста мощности на фронте 0,3 ГВт/нс (рис. 5). Также наблюдались импульсы с центральной частотой 75 ГГц и мощностью 10-15 МВт при длительности менее 150 пс и пики сверхизлучения 150 ГГц с фронтом 75 пс. Важно то обстоятельство, что в экспериментах [7] была продемонстрирована фундаментальная особенность механизма сверхизлучения –квадратичная зависимость пиковой мощности от заряда электронного пучка (рис. 6). Сам же новый СВЧ-прибор допускал частоту повторения импульсов 25-100 Гц, будучи оборудованным сверхпроводящей фокусирующей магнитной системой.

Рис. 6. Зависимость пиковой СВЧ-мощности от квадрата полного заряда частиц в электронном сгустке.

Рис. 5. Осциллограммы импульсов ускоряющего напряжения (а), тока пучка (б) и СВЧ-излучения частотой 38 ГГц (в).

Источники сверхширокополосных субнаносекундных радиоимпульсов

Генерировать сверхширокополосное излучение радиочастотного, а в принципе и СВЧ- диапазона, можно без "участия" электронного пучка. Для этого волна напряжения импульсного генератора преобразуется в электромагнитную при возбуждении ТЕМ-антенн. Из-за проблем электрической прочности трактов антенн наиболее компактными оказываются системы с коротким возбуждающим импульсом "фронт-спад". Субнаносекундные генераторы на основе драйверов РАДАН удовлетворяют этому требованию и используются для создания излучателей с характеристической частотой в единицы гигагерц при подводимой к антенне мощности -200-400 МВт [8]. Субнаносекундный униполярный импульс может быть предварительно преобразован специальными устройствами в биполярный, более выгодный энергетически при излучении ТЕМ-антенной [8]. С помощью управляемых разрядников [11] импульсные генераторы могут запускаться с высокой точностью, что позволяет создавать многоэлементные сверхширокополосные излучатели типа импульсных антенных решеток с увеличенными мощностью и направленностью (рис. 7).

Рис. 7. Диаграммы направленности сверхширокополосных антенн: а – одиночный ΤΕΜ-рупор; б – система двух рупоров с базой 1,35 м.

Перспективы увеличения частоты повторения импульсов

По мере продвижения исследований по генерированию мощных СВЧ-импульсов в суаносекундном диапазоне обостряется проблема метрологии. Во всех отмеченных выше экспериментах [5, 7, 11, 14, 15] имелись ограничения по полосе регистрации (5-6 ГГц) даже при использовании наиболее современных осциллографов реального времени, например Те250. Поскольку подобная измерительная техника уже близка к физическому ограничению по полосе регистрации, то перспективы осциллографии процессов с временным разрешением лучше 100 пс связаны с использованием стробоскопических цифровых регистраторов, применяемых для записи только стабильных сигналов при их большой частоте повторения. То есть к практическому аспекту требований увеличения частоты повторения импульсов и стабильности короткоимпульсных релятивистских СВЧ-приборов добавляется метрологический.

В соответствии с этими тенденциями в ИЭФ УрО РАН выполнены исследования и разработки, позволившие создать генератор РАДАН-Н110, допускающий частоту повторения импульсов до 1000 Гц в пакетном режиме [16]. Импульс длительностью 2 нс и напряжением 100-120 кВ после 20-омного выхода может быть трансформирован для получения в диоде ускорителя пучка с энергией до 150-180 кэВ и током до 1 кА.

Рис. 8. Квазипрямоугольный импульс с длительностью на полувысоте 720 пс, полученный на частоте повторения 3,5 кГц, при средней мощности на выходе модулятора до 1,4 кВт.

Еще большие возможности открываются с применением высоковольтных твердотельных модуляторов с индуктивными накопителями энергии и полупроводниковыми прерывателями тока [9]. В работе [17] представлены результаты исследования ЛОВ (38 ГГц, 4 нс, 40 МВт), где впервые использован инжектор электронного пучка на основе полностью твердотельного модулятора SM-3NS. В данном случае частота повторения импульса (20 Гц) ограничивалась только импульсным фокусирующим соленоидом.

Драйвер (SM-3NS), доукомплектованный субнаносекундным обострителем с водородными разрядниками (100 атм.), позволяет формировать стабильные квазипрямоугольные импульсы с амплитудами 180-200 кВ при частотах повторения 1-3,5 кГц и средней выходной мощности до 1,4 кВт на 45-омном выходе (рис. 8). Такой суаносекундный модулятор применим как для питания ТЕМ-антенн ударного возбуждения, так и (в случае применения сверхпроводящего или квазистационарного соленоида) для генерирования пакетов импульсов сверхизлучения с пиковой мощностью 100 МВт и выше наподобие тех, что были получены в экспериментах [15].

* * *

Укорочение длительности ускоряющего импульса и тока электронного пучка до долей наносекунд позволяет не только миниатюризировать мощный электрофизический СВЧ- прибор, но и определяет возможность проведения принципиально новых исследований. Упрощаются проблемы создания систем с большой частотой повторения импульсов. В ряде случаев основные параметры (плотности тока пучка и СВЧ-мощности, интенсивность излучения и т. д.) для компактных нан субнаносекундных релятивистских высокочастотных приборов могут значительно превосходить аналогичные характеристики больших длинноимпульсных установок. Это дает возможность широко применять относительно недорогие компактные приборы в исследовательской практике.

Литература

1.        Загулов Ф. Я. и др. РАДАН – малогабаритные сильноточные ускорители электронов импульсно-периодического действия // ПТЭ. 1989. № 2. С. 146-149.

2.        Mesyats G. A. et al. Compact high-current accelerators based on the RADAN SEF-303 pulsed power source // Proc. of the 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1993. V. 2. P. 835-838.

3.        Yalandin M. /. et al High-power repetitive millimeter range back-wave oscillators with nanosecond relativistic electron beam // Proc. of the 9th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1993. V. 1. P. 388-391.

4.        Shpak V. G. et al. A 70-GHz High-Power Repetitive Backward Wave Oscillator with a Permanent-Magnet-Based Electron-Optical System // Proc. BEAMS’96 – 11th Int. Conf. on High Power Particle Beams. Prague, Czech Republic. 1996. V. 1. P. 473-476.

5.        Mesyats G. A. et al. Desk-top subnanosecond pulser research, development and applications // Proc. of SPIE Int. Symp.: Intense Microwave Pulses. Los Angeles, CA, USA. 1994. V. 2154. P. 262-268.

6.        Shpak V. G. et al. A New Source of Ultrashort Microwave Pulses Based on the Effect of Superradi-ation of Subnanosecond Electron Bunches // Doklady Physics. 1999. V. 365, № 1-3. P. 143-146.

7.        Ginzburg N. S. et al. Generation of powerful subnanosecond microwave pulses by intense electron bunches moving in a periodic backward wave structure in the superradiative regime // Phys. Rev. E. 1999. V. 60. P. 3297-3304.

8.        Shpak V. G. et al. Generation of high-power broadband electromagnetic pulses with PRF of 100 pps // Proc. of the 10th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1995. P. 666-671.

9.        Rukin S. N. High-power nanosecond pulse generators based on semiconductor opening switches // Instr. Exper.Tekh. 1999. 42(4). P. 439^67.

10.     Shpak V. G. et al. Amplitude Compression of High-Voltage Pulses in Subnanosecond Formers on Gas Spark Gaps // In Digest of Technical Papers of the 12th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Monterey, California, USA. 1999. V. 2. P. 692-695.

11.     Shpak V. G. et al. Investigations of compact high-current accelerators RAD AN 303 synchronization with nanosecond accuracy // Proc.of the 10th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Albuquerque, NM, USA. 1995. P. 544-549.

12.     Shpak V. G. et al. Synchronously Operated Nano- and Subnanosecond Pulsed Power Modulators. In Digest of Technical Papers of the 12th IEEE Int. Pulsed Power Conference. June 27-30. 1999. Monterey, California, USA. V. 2. P. 1472-1475.

13.     Elchaninov A. S. et al. Generation and amplification of microwave radiation with the use of high-current small-size accelerators // Proc.VI Int. Conf. BEAMS’86. Kobe, Japan. 1986. P. 552-555.

14.     Shpak V. G. et al. Compact High-Current, Subnanosecond Electron Accelerator // Proc. XI Int.Conf. BEAMS’96. Prague, Czech Republic. 1996. V. 2. P. 913-916.

15.     Yalandin Μ. I. et al. Generation of Powerful Subnanosecond Microwave Pulses Thorough the Band of 38-150 GHz // In Digest of Technical Papers of the 12th IEEE Int. Pulsed Power Conf. Monterey, California, USA. 1999. V. 2. P. 863-866.

16.     Shpak V. G. et al. 1000-pps Subnanosecond High-Voltage Generator // Proc. of the 11th IEEE International Pulsed Power Conf. Baltimore, ML, USA. 1997. V. 2. P. 1575-1580.

Lyubutin S. K. et al. 38-GHz relativistic backward-wave tube based on a modulator with an inductive energy accumulator and a semiconductor current interrupter // Tech. Phys. Letters. 1999. V. 25. № 5. P. 377-379.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

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