ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ МИКРОВОЛНОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ

December 22, 2014 by admin Комментировать »

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

1.                                                                                          Введение

Спектр развиваемых и исследуемых в различных лабораториях микроволновых генераторов с релятивистскими электронными пучками, которые способны работать в импульснопериодическом режиме, разделяется на семейства, различающиеся диапазонами генерируемых длин волн, механизмами вынужденного излучения частиц, типами катодов, спецификой высоковольтных источников питания [1]. Простейшее деление на две группы можно провести в соответствии с тем, используется или нет в микроволновых устройствах внешнее магнитное поле для транспортировки электронного пучка.

Среди генераторов, не требующих затрат энергии на создание внешнего магнитного поля, следует назвать релтроны (Reltrons, Titan Pulse Sciences, Inc. [2]). В дециметровом диапазоне длин волн они могут обеспечивать импульсную мощность 400-500 МВт с эффективностью 40% при длительности импульсов более 100 нс в режиме пакетов {burst mode) с частотой повторения порядка 100 Гц [3]. Близкие параметры микроволнового излучения, но с меньшей эффективностью (~5 %), обеспечивает виркатор с обратной связью на частоте

1,5     ГГц (L-band), продемонстрировавший работоспособность с частотой повторения 20 Гц в течение 20си50Гц-в пакете с длительностью 1 с [4]. Проблемы разрушения сеток и надёжности катодов ограничивают ресурс таких устройств, а с другой стороны, снижают их конкурентоспособность в более коротковолновом диапазоне длин волн. Именно проблема катодов в значительной степени препятствует реализации импульсно-периодических режимов в генераторах типа MILO [5].

В длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн (S-band) относительно небольшие магнитные поля (0,4 Т) принципиально необходимы для работы релятивистского магнетрона [6] с мощность^ до 200 МВт в импульсах длительностью 45 нс (в непрерывном режиме – до 8 Гц, в пакетном – до 320 Гц). В проведенных экспериментах магнитное поле создавалось электромагнитом, потреблявшим 40 кВт, а в качестве высоковольтного источника применён модуль линейного индукционного ускорителя. Пакетный режим используется и для длинноволновых релятивистских магнетронов и усилительных клистронов гигаваттного уровня мощности [7, 8].

Для освоения в импульсно-периодическом режиме сантиметрового и значительной части миллиметрового диапазона длин волн в предпочтительном положении оказываются генераторы черенковского типа. Среди них выделяется достаточно адаптивная к изменению параметров пучка лампа обратной волны (ЛОВ), вполне закономерно ставшая первым реализованным релятивистским генератором в импульсном [9] и импульсно-периодическом режимах (частота повторения 50 Гц) [10].

В данной работе дан краткий обзор результатов, полученных в ИСЭ СО РАН в течение нескольких последних лет на основе сильноточных импульсно-периодических ускорителей "Синус" [11-14]. В настоящее время разработаны ускорители с энергией электронов 0,2-2 МэВ, током 0,2-20 кА, длительностью импульсов 4-50 нс и частотой следования импульсов до 1000 Гц. Эти ускорители компактны и надёжны в силу ряда особенностей построения схемы. Кроме этого, благодаря ряду испытаний и усовершенствований отдельных узлов, ускорители "Синус" имеют ряд преимуществ перед развиваемыми в настоящее время ускорителями с другими схемами формирования наносекундных высоковольтных импульсов [15, 16]. Дальнейшее повышение частоты повторения и стабильности высоковольтных наносекундных импульсов, по-видимому, могут обеспечить модуляторы на основе полупроводниковых ключей [17].

Зависимость генерируемой мощности от величины магнитного поля в релятивистских черенковских генераторах имеет сложный вид [18-21]. Отсутствие генерации в некоторой области магнитных полей связано с циклотронным поглощением встречной электромагнитной волны [21]. Данный эффект приводит к нарушению стартовых условий как в генераторах с фиксированной продольной структурой поля [20, 22], так и в случае лампы обратной волны [23, 24]. Для ЛОВ с рабочей модой ΤΜ0ι и длиной волны λ » 3,2 см точному резонансу соответствует индукция поля В « 0,8 Т для энергии электронов 300 кэВ [21] и 1,3 Т для энергии 500 кэВ [19, 24]. Ширина "провала" достаточно велика (АВ/В » 1), и это характерно для генераторов с сильноточными электронными пучками [24, 25], так как параметр силовой группировки частиц пропорционален току пучка в степени 1/2, а параметр инерционной группировки частиц пропорционален /£/3. Максимальные значения КПД в экспериментах достигаются, если магнитное поле в 1,5-2 раза превышает значение, соответствующее точному резонансу [26]. В области меньших по отношению к резонансу магнитных полей типичные значения генерируемой мощности оказывались много меньше, чем в сильных полях. Одной из причин падения эффективности генерации в слабых магнитных полях является рост поперечных скоростей и увеличение разброса продольных скоростей электронов в пучке [24]. Поэтому при большой частоте следования импульсов обычно применялись сверхпроводящие магниты [27-29]. В последние годы реализованы пакетные режимы, когда сильное магнитное поле (~3 Т) внутри "тёплого" соленоида существует в течение ограниченного промежутка времени ~1 с [30].

Другое направление исследований было связано с попытками повышения КПД в слабых магнитных полях (в пределе таких, которые могут быть созданы постоянными магнитами) за счёт модификации релятивистской ЛОВ, связанной с переходом к пространственноразвитой замедляющей системе [25].

2.                                                                                    Пакетный режим

Для создания магнитного поля с индукцией ~3 Т в объёме ~1 дм3 на основе частичного разряда емкостного накопителя запасаемая в нём энергия должна составлять ~1 МДж,

Рис. 1. Пакет из 100 импульсов, регистрируемых микроволновым детектором чтобы спад поля не превышал ΙΟΙ 5%. Накопитель на основе молекулярных конденсаторов (типа ИКЕ 57/160), обладающих достаточно высоким значением плотности запасаемой энергии (~2,5 кДж/кг), имеет вполне приемлемые размеры. Такой подход позволил создать несколько микроволновых генераторов с максимальной излучаемой мощностью до 700 МВт в диапазоне 9-10 ГГц. Длительность импульсов находилась в пределах от 15 до 30 нс, частота повторения – до 200 Гц при длительности магнитного поля 1-3 с (рис. 1). Пауза между пакетами им-

пульсов превышала 30-40 с, а средняя рассеиваемая в соленоиде мощность могла составлять единицы киловатт.

В пакетном режиме облегчается решение таких технических задач, как охлаждение соленоида и некоторых узлов ускорителя, и становится возможной реализация в режиме пакетов частот повторения импульсов 600-1000 Гц [28]. Максимальная частота повторения в этих случаях ограничивается возрастанием разброса амплитуд напряжения, при которых происходит пробой газа в разряднике.

Один из созданных микроволновых генераторов с импульсной мощностью до 500 МВт и длительностью импульсов 15 нс размещался в транспортном контейнере, причем объем, занимаемый источником питания соленоида, не превышал 0,5 м3. Для формирования гауссова пучка использовалась электродинамическая система, обеспечивающая сравнительно малые потери энергии (2-4%) в кроссполяризованное излучение.

3.                                                                  Режим слабых магнитных полей

Качество сильноточного электронного пучка может быть улучшено, если при заданном внешнем магнитном поле уменьшить электрическое поле на катоде, например, путем увеличения поперечных размеров катода, анода и замедляющей системы. Примечательно, что такой шаг одновременно приводит к ослаблению роли поперечного взаимодействия в ЛОВ (сужению полосы магнитотормозного резонанса) при сохранении рабочего типа волны ΤΜ0ι [25]. Однако в традиционной схеме построения ЛОВ с волной ΤΜ0ι такая цель труднодостижима, поскольку размер пучка ограничен сверху диаметром отрезка запредельного сужения («2 см для λ « 3 см). Другой проблемой, возникающей при переходе к сверхразмерным системам, является проблема селекции типов волн. Один из возможных рецептов решения данной задачи был известен и заключался в использовании рабочей волны более высокого типа, когда для определённого радиуса пучка можно, теоретически, свести к нулю эффект циклотронного поглощения [31]. Оправдывая себя как метод циклотронной селекции волн, этот способ ограничивает возможности повышения КПД в силу значительного удаления частиц пучка от стенок ЗС. Ограничены и возможности дальнейшего снижения магнитного поля. Указанные выше проблемы могут быть разрешены при сохранении рабочей волны ТМ0ь если для вывода излучения использовать селективный резонансный отражатель, одновременно играющий роль модулирующей секции [25, 32, 33]

(рис. 2). Возрастание амплитуды поля в области рефлектора связано с наличием запертой моды ТМ02- Расстояние между замедляющей системой и рефлектором (L& на рис. 2) задаёт фазу высокочастотного тока относительно синхронной гармоники волны. Теоретические и экспериментальные исследования схемы показали возможность повышения КПД в слабых магнитных полях [25]. В эксперименте с использованием импульсного соленоида (напряжение на катоде 600 кВ, ток пучка 5,5 кА) мощность СВЧ-излучения с длиной волны λ « 3 см могла составлять 0,8 ГВт при индукции магнитного поля 0,6 Т. Полученный результат позволил реализовать импульсно-периодический режим релятивистской ЛОВ с импульсной мощностью до 500 МВт (энергия электронов – до 530 кэВ, ток – до 5 кА) и частотой повторения до 150 Гц на основе охлаждаемого соленоида постоянного тока (0,6 Т) с потребляемой мощностью 20 кВт [30, 33].

Рис. 2. Схема релятивистской ЛОВ с резонансным рефлектором

Как показали испытания, разработанный релятивистский СВЧ-генератор имеет высокий ресурс работы, порядка 108 импульсов [34]. Ограничение ресурса может быть связано с уносом материала катода. Для графита в условиях экспериментов эта величина составила 1,7· 10-4 г/Кл. На рис. 3 приведены типичные осциллограммы напряжения (а), тока (б) и сигналов, регистрируемых микроволновым детектором (в).Рис. 3. Выборка из 15 последовательно чередующихся сигналов в режиме работы релятивистского СВЧ-генератора с частотой следования импульсов 150 Гц.

Таким образом, в результате проведенных исследований создан ряд мощных микроволновых источников, способных работать с большой частотой повторения импульсов.

Литература

1.        Gold S. H.f Nusinovich G. S. Review of high-power microwave source research // Rev. Scient. Instr. 1997. V. 68, № 11. P. 3945-3974.

2.        Miller R. B., Muehlenweg C. A., Habiger K. W., and Clifford J. R. Super-reltron progress // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. V. 22, № 5. P. 701-705.

3.        Schamiloglu E., Barker R. J. Recent achievements in the university HPM research program in the United States // Proc. 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Tomsk, Russia. 2000. V. 2. P. 393-398.

4.        Kitsanov S. A., Klimov A. /., Korovin S. D., et al. Tunable L-band and S-band Gigawatt Vircators with feedback // Proc. 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Tomsk, Russia. 2000. V. 2. P. 423-428.

5.        Haworth M., Baca G., Benford J., et al Significant pulse-lengthening in a multigigawatt magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) // IEEE Trans. Plasma Sci. 1998. V. 26, № 5. P. 698-703.

6.        Бутаков Л. Д., Винтизенко И. И., Гусельников В. И. и др. Импульсно-периодический релятивистский магнетрон // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, вып. 13. С. 66-70.

7.        Benford J. N., Cooksey N. J., Levine J. S., and Smith R. R. Techniques for high                power microwave sources at high

average power // IEEE Trans. Plasma Sci. 1993. V. 21, № 4. P. 388-392.

8.        Levine J. S., Harteneck B. D. Repetitively pulsed relativistic klystron amplifier               // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65,

№ 17. P.2133-2135.

9.        Ковалев Η Ф., Петелин M. H, Райзер M. Д. и др. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, № 4. С. 232-235.

10.     Белоусов В. И., Бункин Б. В., Гапонов-Грехов А. В. и др. Генерация мощного микроволнового излучения потоком релятивистских электронов в режиме периодического следования импульсов//Письма в ЖТФ. 1978. Т. 4, № 23. С. 1443-1448.

11.     Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974. 256 с.

12.     Загулов Ф. Я., Борисов И. Я., Власов Г. Я. и др. Импульсный наносекундный сильноточный ускоритель электронов с частотой срабатывания 100 Гц // ПТЭ. 1976, № 5. С. 18-20.

13.     Ельчанинов А. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д. и др. Сильноточные импульсно-периодические ускорители электронов для генераторов СВЧ-излучения // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. Вып. 2. С. 5-21.

14.     Коровин С. Д, Ростов В. В. Сильноточные наносекундные импульсно-периодические ускорители электронов на основе трансформатора Тесла//Изв. вузов. Физика. 1996, № 12. С. 21-30.

15.     Wilson С. R., Erickson G. A., and Smith Р. W. Compact, repetitive, pulsed power generators based on transmission line transformers // Proc. 7th IEEE Pulsed Power Conf. Monterey, 1989. P. 108-112.

16.     Schneider L., Reed K, Harjes H., et al. Status of repetitive pulsed power at Sandia National Laboratories // Proc. 12th IEEE Pulsed Power Conf. Monterey, 1999. V. 1. P. 523-527.

17.     Lyubutin S. K, Mesyats G. A., Rukin S. N., et al. Nanosecond microwave generator based on the relativistic 38-GHz В WO and all-solid-state pulse power modulator // Proc. 12th IEEE Pulsed Power Conf. Monterey, 1999. V. 1. P. 2005.

18.     Иванов В. С., Кременцов С. И., Куценко В. A., et al. Исследование релятивистского черенковского автогенератора//ЖТФ. 1981. Т. 51, № 5. С. 970-975.

19.     Mesyats G. A., Zagulov F. Y., Elchaninov A. S., et al. The reb pulse-periodic microwave generators //Proc. 4th Int. Conf. on High Power Electron and Ion Beam Research and Technology. Palaiseau. 1981. V. 2. P. 847-852.

20.     Александров А. Ф., Афонин А. М., Галузо С. Ю. и др. Релятивистские черенковские генераторы с резонансными замедляющими системами // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. Вып. 2. С. 145-169.

21.     Зайцев Н. И., Ковалёв Η. Ф., Кольчугин Б. Д., Фукс М. И. Экспериментальное исследование релятивистского карсинотрона//ЖТФ. 1982. Т. 52, вып. 8. С. 1611-1617.

22.     Зайцев Н. И., Ковалёв Η. Ф., Кольчугин Б. Д. и др. Генерация мод шепчущей галереи релятивистским электронным пучком в условиях черенковского синхронизма // Тез. докл. 4-го Всесоюз. симпозиума по сильночной электронике. Томск. 1982. Т. 2. С. 136-138.

23.     Бунина Н. К, Коровин С. Д, Ростов В. В. Стартовые условия ЛОВ вблизи циклотронного резонанса //Тез. докл. 6-го Всесоюз. симпозиума по сильноточной электронике. Томск. 1986. Т. 3. С. 23-25.

24.     Быков Η. М., Губанов В. П., Бунин А. В. и др. Релятивистские импульсно-периодические СВЧ-генераторы сантиметрового диапазона длин волн // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1988. Вып. 5. С. 101-124.

25.     Куркан И. К, Ростов В. В., Тотьменинов В. И. О возможности снижения магнитного поля в релятивистской ЛОВ // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, № ю. С. 43-47.

26.     Ельчанинов А. С., Загулов Ф. Я., Ковалев Η. Ф. и др. Высокоэффективный релятивистский карсинотрон // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6, № 7. С. 1443-1447.

27.     Коровин С. Д., Ростов В. В., Сморгонский А. В. Импульсно-периодический релятивистский карсинотрон // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т. 29, №10. С. 1278-1280.

28.     Быков Η. М., Губанов В. П., Бунин А. В. и др. Релятивистский карсинотрон с высокой средней мощностью //ЖТФ. 1989. Т. 59, № 5. С. 32-38.

29.     Bunkin В. V., Gaponov-Grekhov А. V., Elchaninov A. S., et al. Nanosecond Radar System based on Repetitive Pulsed Relativistic В WO // Proc. 9 Int. Conf. on High Power Particle Beams. 1992. V. 1. P.192-205.

30.     Rostov V. V., Gunin A. V., Korovin S. D., et al. Repetitively-Pulsed Operation of the Relativistic В WO // Proc. 1st Int. Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Tomsk, Russia. 2000. V. 2. P. 408-411.

31.     Абубакиров 3. Б., Белоусов В. И., Варганов В. Н. и др. Экспериментальная реализация метода циклотроннорезонансной селекции мод в релятивистских электронных высокочастотных генераторах черенковского типа // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9, № 9. С. 533-536.

32.     Gunin А. V., Korovin S. D., Kurkan I. К, et al. Relativistic В WO with electron beam pre-modulation // Proc. 12th Int. Conf. on High-Power Particle Beams, Haifa. 1998. P. 849-852.

33.     Коровин С. Д., Куркан И. К, Ростов В. В., Тотьменинов Е. М. Релятивистская ЛОВ с сосредоточенным резонансным рефлектором // Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 12. С. 1189-1196.

Gunin А. V, Landl V. Б., Korovin S. D., et al. Experimental studies of long-lifetime cold cathodes for high power microwave oscillators // IEEE Trans. Plasma. Sci. 2000. V. 28, № 3. P. 437-541.

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