ВИРКАТОРЫ

November 13, 2014 by admin Комментировать »

С.    Д Коровин, И. В. Пегель, С. Д. Полевин, В. В. Ростов Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск

Наиболее интенсивные исследования СВЧ-генераторов с виртуальным катодом проводились в 80-е и в начале 90-х годов [1-6]. Именно в это время были получены рекордные мощности генерации на установке "Aurora”, Harry Diamond Labs, США (средняя мощность за импульс – до 4 ГВт на частотах ниже 1 ГГц [7]). В настоящее время в печати по-прежнему появляется значительное количество публикаций, посвященных теоретическим исследованиям виркаторных систем. Вместе с тем, круг лабораторий, ведущих экспериментальные исследования в этой области, заметно сузился. Отчасти это, по-видимому, связано с имеющим место в мире спадом интереса к мощным источникам микроволновых импульсов. С другой стороны, полученная в большинстве экспериментов с виркаторами невысокая эффективность генерации (-1%) приводила к необходимости использовать в качестве источников высоковольтных импульсов сверхмощные, а потому громоздкие, дорогие и сложные в работе лабораторные установки, при возрастающем интересе к компактным, недорогим и, по возможности, импульсно-периодическим устройствам.

Ниже представлен краткий обзор некоторых экспериментальных исследований СВЧ- генераторов с виртуальным катодом, выполненных в последние годы. В сложившейся классификации выделяют отражательные триоды, в которых виртуальный катод формируется в тормозящем потенциальном поле (рис. 1, а), и собственно виркаторы, в которых формирование виртуального катода происходит в области с эквипотенциальными границами (рис. 1, б, в). В отдельную группу иногда относят редитроны – виркаторы с магнитным полем, в которых поток электронов, отраженных от виртуального катода, отсекается коллиматором для предотвращения его возвращения в диодный промежуток (рис. 1, г).

Рис. 1. Конфигурации СВЧ-приборов с виртуальным катодом: а – отражательный триод, б – аксиальный виатор, в – радиальный виркатор, г – редитрон.1. Отражательные триоды с виртуальным катодом

Исследования триодов с виртуальным катодом продолжаются в Институте ядерной физики при Томском политехническом университете, где в конце 70-х годов начались исследования в данной области [2]. В экспериментах с использованием сверхразмерного цилиндрического резонатора увеличение эффективности генерации было достигнуто путем оптимизации распределения ВЧ-поля в резонаторе посредством установки в его объеме поглощающих и отражающих поверхностей. В дециметровом диапазоне (S-band) были получены микроволновые импульсы мощностью до 1,2 ГВт и длительностью более 50 нс при КПД по мощности до 12%. Импеданс системы составлял около 30 Ом. Было показано, что наилучшее качество фазовой сепарации электронов в триоде достигается при вполне определенной величине прозрачности анодной сетки. Результаты экспериментов позволили сформулировать требования к параметрам электронного пучка, необходимые для эффективной работы триода: наличие выраженной плоской части у импульса напряжения и его минимальная длительность в десятки наносекунд (при работе в S-band) [8].

Триод с виртуальным катодом был использован в составе источника СВЧ-импульсов на основе взрывомагнитного генератора [9]. В данных экспериментах получены импульсы мощностью -100 МВт и длительностью 100-200 нс на частоте -3 ГГц, при эффективности генерации -1%.

2. Аксиальные и радиальные виркаторы

В РФЯЦ – ВНИИЭФ (г. Саров) в аксиальном виркаторе с высокой (10-12-кратной) сверхкритичностью тока были получены импульсы излучения с длиной волны 3 см, с пиковой мощностью -160 МВт при эффективности до 11% и длительности импульса 15-20 нс [4]. В виркаторе с ленточным электронным пучком были получены импульсы пиковой мощностью -150 МВт и длительностью более 120 нс, причем генерация в течение импульса наблюдалась последовательно на частотах 1,7, 3,2 и 4,2 ГГц [10]. В других экспериментах [11] была продемонстрирована возможность получения генерации в 3-см диапазоне с эффективностью до 16% в лампе бегущей волны, снабженной анодной сеткой и работающей в режиме виртуального катода.

В Техасском технологическом университете (США) проводятся исследования вирката с радиально сходящимся электронным пучком [12]. Увеличение добротности полуоткрытого резонатора с бегущей волной за счет введения дополнительных отражений позволило увеличить мощность генерации на частоте -2 ГГц с 400 до 900 МВт при эффективности по мощности 5,5% и длительности импульса около 30 нс на полувысоте [13]. Импеданс вакуумного диода виркатора составлял около 12 Ом.

3.                               Виркаторы с предварительной модуляцией электронного пучка

Первые экспериментальные исследования в данной области были выполнены в ХФТИ АН Украины [14]. Реализация электродинамической обратной связи путем ответвления части генерируемой мощности в ускоряющий промежуток вакуумного диода (рис. 2, а) позволила получить СВЧ-импульсы мощностью до 600 МВт в сантиметровом диапазоне длин волн. В приборе было использовано внешнее магнитное поле напряженностью 2-6 кЭ. Эффективность генерации достигала 17%, импеданс вакуумного диода составлял 30-35 Ом.

С 1996 года исследования виркаторов с предварительной модуляцией электронного пучка и двухсекционными электродинамическими системами проводятся в ИСЭ СО РАН [15-17]. Был проведен теоретический анализ основных механизмов генерации СВЧ-излучения в приборах с виртуальным катодом (прямая модуляция тока, связанная с колебаниями потенциала виртуального катода в ВЧ-поле, механизм группировки электронов типа "отражательногоРис. 2. Виркаторы с предварительной модуляцией электронного пучка в вакуумном диоде (а) [14] и в модулирующей секции электродинамической системы (б) [15-17]: 1 – короткозамыкающие поршни, оллектор электронов, 3 – фазовращатель, 4 – соленоид, 5 – модулирующий зазор, 6 – отверстие связи.

клистрона", обусловленный позиционными колебаниями ВК, и инерционная группировка отраженных частиц, существенная при нерелятивистских энергиях электронов). Было показано, что использование в виркаторе двухзазорной электродинамической системы теоретически позволяет за счет сдвига фаз между ВЧ-колебаниями в секциях (и осуществления таким образом благоприятного распределения ВЧ-поля вдоль траектории электронов) достичь при небольшой (-30%) надкритичности тока и γ -2-3 эффективности генерации до -20% в треерой модели и -40% в одномерной модели, что более чем втрое превышает эффективность однозазорной системы при аналогичных условиях. Значительная (-20%) ширина полосы электронной восприимчивости вблизи частоты релаксационных колебаний электронного потока с виртуальным катодом дает возможность изменения частоты генерации за счет соответствующей настройки электродинамической системы.

Достижение указанной высокой величины эффективности в реальном эксперименте сдерживается необходимостью одновременного удовлетворения большого числа взаимосвязанных физических условий (ширина зазоров, фазировка и соотношение амплитуд ВЧ-полей в секциях, формирование сильноточного электронного пучка с заданными параметрами).

На основе результатов численного эксперимента, выполненного с привлечением трехмерной версии электромагнитного PIC-кода KARAT, был разработан экспериментальный макет двухсекционного виркатора без внешнего магнитного поля, с синфазными полями в секциях (рис. 2, б). В отличие от генератора, описанного в [14], предварительная модуляция пучка в данном приборе происходит не в вакуумном диоде, а в первой секции электродинамической системы. Рабочая сверхкритичность тока пучка в приборе составляет 30-50%.

Рис. 3. Зависимость мощности и эффективности генерации дециметрового виркатора от мощности электронного пучка.

В экспериментах с использованием сильноточного импульсно-периодического электронного ускорителя в дециметровом диапазоне длин волн (2,65 ГГц) была получена одномодовая генерация мощностью до 1 ГВт и длительностью -25 нс при эффективности генерации -5%. При варьировании мощности электронного пучка эффективность генерации виркатора практически не изменялась (рис. 3). Ширина спектра составила около 50 МГц, т. е. была близка к естественной. Одним из факторов, ограничивших величину эффективности, оказался существенный дрейф параметров электронного пучка в течение импульса, свойственный сильноточным диодам без магнитного поля. Вместе с тем, частота генерации не изменялась как в течение импульса, так и от импульса к импульсу, что доказывает определяющее влияние резо-нансных свойств электродинамической системы. За счет варьирования параметров резонатора удалось реализовать непрерывную перестройку частоты генерации виркатора в полосе ~15% на половинном уровне мощности.

С использованием виркатора дециметрового диапазона на основе электронного ускорителя СИНУС-7 был продемонстрирован пакетный импульсно-периодический режим генерации. Мощность излучения в каждом импульсе составляла около 100 МВт, длительность – 20-25 нс. Максимальное количество импульсов в пакете было ограничено разрушением сетки, разделяющей секции виркатора, и было равно примерно около 50 при частоте следования импульсов 50 Гц и 400 при частоте 20 Гц.

Виркатор с рабочей частотой 2,65 ГГц успешно работал в составе компактного микроволнового источника с генератором высоковольтных импульсов на основе индуктивного накопителя и размыкателя на взрывающихся проводниках [17]. В этих экспериментах были получены СВЧ-импульсы с пиковой мощностью -300 МВт и эффективностью -5% при длительности -50 нс. Частота генерации была постоянной, несмотря на изменение импеданса вакуумного диода в течение импульса более чем в 2 раза.

* * *

Анализ тенденций исследований, проводимых в последние годы, позволяет заключить, что прогресс работ в области создания конкурентоспособных СВЧ-источников с виртуальным катодом следует связывать с решением следующих задач:

1)       разработка электродинамических систем с оптимальными характеристиками с точки зрения достижения максимальных КПД и осуществления управления частотой генерации;

2)       улучшение пространственно-временных характеристик сильноточных электронных пучков, формируемых в вакуумных диодах со взрывоэмиссионными катодами без магнитного поля. Одной из возможностей этого является использование высоковольтных импульсов с коротким фронтом;

3)       совершенствование компактных генераторов высоковольтных импульсов;

4)       реализация условий транспортировки сильноточных электронных пучков в электродинамических системах, обеспечивающих возможность импульсно-периодической работы виркаторов.

Литература

1.        Granatstein V. L., AlexeffL High-Power Microwave Sources. Artech House. Boston. London, 1987.

2.        Диденко A. H. и dp. // Плазменная электроника. Киев: Наукова думка, 1989. С. 112-131.

3.        Рухадзе А. А. и др. И Радиотехника и электроника. 1992, № 3. С. 385-396.

4.        Селемир В. Д. и dp. И Физика плазмы. 1994. Т. 20. Вып. 7, 8. С. 689-708.

5.        Дубинов А. Е., Селемир В. Д. И Зарубежная радиоэлектроника. 1995, № 4. С. 54-55.

6.        GoldS. Я, Nusinovich G. S. И Rev. Sci. Instr., 1997. V. 68, № 11. Р. 3945-3974.

7.        Huttlin G. A., et al. H IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V. 18. P. 618.

8.        Didenko A. N., et al. / Proc. 12th Int. Conf. on High Power Particle Beams (BEAMS’98). Haifa, Israel. June 7-12, 1998. P. 65-68.

9.        Азаркевич E. И. и dp. И Теплофизика высоких температур. 1994. T. 3. С. 127.

10.     Дубинов А. Е. и dp. И Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22, вып. 1. С. 16-20.

11.     Селемир В. Д., Дубинов В. Д. И Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, вып. 14. С. 25-29.

12.     Jiang W., et al. И IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V. 27, № 5. P. 1538-1542.

13.     Jiang W., et al. H IEEE Trans. Plasma Sci. 1999. V. 27, № 5. P. 1543-1544.

14.     Гадецкий Η. П. и др. И Физика плазмы. 1993. T. 19, вып. 4. С. 530-538.

15.     Korovin S. D„ et al. / Proc. 11th IEEE Pulsed Power Conf. Baltimore. June 29 – July 2, 1997. P. 736-741.

16.     Kitsanov S. A., et al. / Proc. 1st Int’l Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. 24-29 Sept 2000. Tomsk, Russia. V. 2. P. 423—428.

17.     Ефремов A. M. и dp. // Письма в ЖТФ. 2001. T. 27, вып. 7. С. 57-63.

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

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