CC BY
73
УДК 621.385.69
ПРОЕКТ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ГИРОТРОНА 1^ДИАПАЗОНА С ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ 5-10 МВТ*
Э. Б. Абубакиров, Ю. М. Гузнов, Г. Г. Денисов, В. Е. Запевалов, Н. А. Завольский, С. А. Запевалов, О. П. Планкин, Р. М. Розенталь, А. С. Седов, Е. С. Семенов, А. В. Чирков, А. С. Шевченко
Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород
Выполнено проектирование экспериментального релятивистского гиротрона 3 мм диапазона длин волн с электронным пучком с энергией 250 кэВ с рекордными выходными параметрами (мощность генерации 5-10 МВт, КПД 35-40%, длительность СВЧ-импульса 0.5-1.0 мкс). Представлено описание основных решений, примененных для создания компонентов прибора: электронно-оптической системы, формирующей винтовой электронный пучок; пространства электронно-волнового взаимодействия; электродинамической системы вывода высокочастотной энергии.
Ключевые слова: Релятивистский гиротрон, миллиметровое излучение.
Увеличение выходной мощности и частоты генераторов когерентного электромагнитного излучения на протяжении длительного времени имеет очевидный приоритет для научных исследований и инженерных разработок. Разработка СВЧ-источников мультимегаваттного уровня мощности миллиметрового диапазона длин волн важна и для ряда приложений. Среди них - системы питания ускорителей заряженных частиц со сверхвысоким темпом ускорения (1 ГэВ/м и более) [1, 2], радиолокационные устройства [3, 4] и другие. Отметим также возможность применения таких источников как систем накачки для реализации рассеяния волн на релятивистских электронных потоках (см., например, [5]), позволяющих получать мощные СВЧ-импульсы терагерцового диапазона частот. Наиболее перспективным классом таких источников представляются гирорезонансные приборы с релятивистскими электронными потоками. Успешное освоение диапазона сантиметровых волн при помощи таких устройств [6, 7] создало предпосылки для дальнейшего укорочения их рабочей длины волны.
Отметим, что возможности современных слаборелятивистских гиротронов по наращиванию выходной мощности единичного прибора в настоящее время близки
* Статья написана по материалам доклада, прочитанного на XVI Международной зимней школе-семинаре по радиофизике и электронике СВЧ. Саратов, Россия, 2-7 февраля 2015
к пределу [8]. В частности, существенным фактором, ограничивающим мощность и эффективность таких гиротронов, является провисание потенциала винтового электронного пучка AU, вызванное его собственным пространственным зарядом,
AU = —УГ+g2 ln(-У (1)
v \r J
Здесь I - ток электронного пучка; д = v±/v\\ - питч-фактор; v, v±, v\\ - соответственно полная, вращательная и поступательная скорости электронов в пространстве взаимодействия; R и r - радиусы резонатора гиротрона и ведущих центров винтового электронного пучка. Особенно значима роль провисания потенциала для импульсных систем с длительностью импульса т < Г0_5-Г0_4 с, в которых процессы ионной компенсации квазистатического пространственного заряда еще не успевают развиться. В мощных гиротронах, где для снижения омических потерь используются высшие моды с отношением R/r ~ 2, величина провисания потенциала может составлять 15-20% от анодного напряжения Ua, что существенно снижает мощность электронного потока. Соответственно рабочий ток прибора в этих условиях составляет уже заметную долю (30-40%) по отношению к предельному току транспортировки
mc
3 Л.2/3
(Уа/3 - г)3/2
!тах — г> /-, , ч ' (2)
2е л/ 1+ д2 Ы(К/т)
где уа — 1 + еПа/(тс2), е и т - заряд и масса электрона, с - скорость света. Известно, что влияние провисания потенциала на параметры винтового электронного пучка выражено гораздо сильнее, чем в случае прямолинейных электронных пучков [9]. Формирование электронного потока с приемлемым скоростным разбросом частиц и его транспортировка в такой ситуации существенно усложняются.
Максимальный уровень мощности, достигнутый в слаборелятивистских гиротронах, на текущий момент составляет 2.2 МВт [10, 11]. Естественным способом повышения мощности до уровней 5 МВт и более является увеличение энергии частиц винтового электронного пучка гиротрона, то есть переход в «релятивистскую» область энергий. Условной границей «релятивистской» области параметров для гиротронов может считаться энергия порядка 200 кэВ, когда нормированный импульс частиц р/(тс) становится близок к единице. Очевидно, что переход к релятивизму (при одной и той же частоте генерируемого излучения) требует создания более сильных магнитных полей, что следует из условия синхронизма
\e\Bo (3)
Ю « Юв — -, (3)
туос
где ю, Юв - частота колебаний и циклотронная частота вращения электронов; Во - индукция ведущего магнитного поля; уо — 1 + еЦо/(тс2) - начальный гамма-фактор электронов. Вместе с тем, максимум КПД в гиротронах реализуется при определенных значениях нормированной расстройки синхронизма [12]
А — ^ ^^В, (4)
Р1о Ю0 ' ^
где |3±0 — У±0/с, ю0 - критическая частота резонатора гиротрона. Из этого соотношения легко получить оценку оптимального магнитного поля
и т0с ( Ар д2 Л 1 \\ (5)
Варг — У0Ю0 ( 1--^ , д2 - • (5)
\e\ V 2 Г+ д
Оптимальное значение расстройки синхронизма Дарг находится в области положительных значений. Для модели гиротрона с низкодобротным резонатором Дарг = 0.6 [13], соответственно при повышении энергии от 100 кэВ до 250 кэВ винтового электронного пучка с питч-фактором 1.3 магнитное поле необходимо будет увеличить примерно в 1.35 раза.
КПД релятивистского гиротрона в предположении, что в процессе электронно-волнового взаимодействия происходит изменение только поперечного импульса электронов, имеет следующий вид [14]:
где = 1 — р2±/р2±о> Р±> Р±0 - поперечный импульс электронов и его начальное значение. Черта сверху означает усреднение по начальным фазам влета электронов в пространство взаимодействия. Величина для слаборелятивистских частиц имеет смысл относительной потери их вращательной энергии и обычно называется поперечным КПД. Для релятивистских частиц выделение доли энергии, связанной только с вращательным движением, невозможно. Соответственно в этом случае данная характеристика прямого энергетического смысла не имеет и ее название следует понимать как условное.
Повышение энергии электронов, при условии сохранения величины поперечного КПД, в целом негативным образом сказывается на эффективности гиротрона. Так, в предельном случае уо ^ 1 КПД снижается двукратно относительно значения в области слабого релятивизма уо ~ 1. Долгое время считалось, что поперечный КПД гиротронов значительно уменьшается в релятивистской области, что, в свою очередь, приводит к ограничению полного КПД на уровне 20-30%. Однако детальное численное моделирование процессов электронно-волнового взаимодействия в резонаторах гиротронов показало, что независимо от энергии электронов возможна реализация условий, при которых поперечный КПД будет достигать больших значений ~ 1 [15]. Таким образом, даже в сильно-релятивистских гиротронах становятся достижимыми значения КПД на уровне 35-45% без использования рекуперации, в то время как в практически значимой области умеренно-релятивистской энергии частиц при у ~ 1.5-2.5 КПД может достигать значений 50% и более. Экспериментально это было подтверждено путем реализации в ИПФ РАН релятивистских гиротронов на частотах 9.2 и 30 ГГц с рекордными значениями уровня мощности (до 10 МВт) и КПД (более 50%) [6, 7].
Успех в реализации данных приборов предопределил постановку задачи создания гиротрона с аналогичными характеристиками в "-диапазоне частот. Новый гиротрон создается на основе электронного ускорителя «Сатурн-Б», позволяющего формировать винтовой электронный пучок с энергией до 500 кэВ, током до 200 А и частотой повторения до 10 Гц [16]. Криогенная система откачки ускорителя рассчитана на обеспечение уровня вакуума в рабочем объеме 5 х 10"5 Торр в дежурном режиме и 10"6 Торр в рабочем режиме. Для обеспечения вакуумных условий, близких к параметрам отпаянных приборов, предусмотрена возможность прогрева компонентов электродинамической системы до 400°С перед началом рабочей сессии. Как показывает опыт, данная мера позволяет стабилизировать параметры системы на протяжении, как минимум, двух суток, после чего может потребоваться повторный прогрев [17]. Расчетные значения рабочего магнитного поля позволяют использовать типовой криомагнит НПП «Гиком», применяемый в слаборелятивистских ги-
(6)
ротронах диапазона 140-170 ГГц с традиционной схемой вертикального расположения теплового отверстия. Сложность разработки гиротрона обусловлена общими особенностями проектирования и функционирования систем с релятивистскими электронами и связана с большими габаритами высоковольтных устройств питания, применением массивной защиты от неиспользуемого рентгеновского излучения и др. Очевидно, что существенные изменения конструкции в таких системах оказываются чрезвычайно ресурсоемкими. Эти обстоятельства в итоге ведут к необходимости выбора компромиссных вариантов режимов работы и конструкции прибора, не всегда оптимальных с точки зрения, например, достижения высокой электронной эффективности. В частности, это проявилось при адаптации существующего в ускорителе катодного узла к задаче формирования винтового электронного пучка, параметры которого значительно отличаются от использованного ранее.
Принципиальная схема гиротрона представлена на рис. 1. Внешний вид катод-но-анодного узла и криомагнита представлены на рис. 2. Магнетронно-инжекторная пушка построена по трехэлектродной схеме, в которой напряжение на первом аноде формируется из полного ускоряющего напряжения с помощью активного делителя. Используется импрегнированный алюминатно-бариевый катод с рабочей температурой 1050-1100°С. Для устойчивого получения рабочих токов 80-100 А при сохранении приемлемых значений толщины пучка диаметр эмиттирующего пояска выбран равным 50 мм, угол наклона - 50°. Оптимизация параметров винтового электронного пучка осуществлялась программным комплексом ANGEL (ANalyzer of a Gyrating ELectrons), основанном на традиционных алгоритмах анализа электронно-оптических систем методами трубок тока и дискретных источников [18, 19].
На рис. 3 представлены расчетные зависимости питч-фактора и разброса поперечных скоростей от тока электронного пучка при различных значениях анодного напряжения. Точная подстройка радиусов ведущих центров (и, соответственно, границ пучка) электронного пучка будет осуществляться путем изменения напряженности магнитного поля на катоде корректирующим соленоидом. Возможность такой подстройки позволяет минимизировать зазор между зеркалами и пучком и, соответственно, снизить потери на рассеяние выходного излучения за счет максимизации апертуры зеркал.
Следует отметить, что повышение анодного напряжения ограничено предельными значениями напряженности электрического поля на поверхности катода. На практике предельное значение напряженности поля на поверхности катода, выше которого в течение импульса ускоряющего напряжения происходит пробой промежутка анод-катод, составляет 8-9 кВ/мм. В силу этого, напряжение на первом аноде ограничивалось значением равным 150 кВ. Согласно расчетам, при ускоряющем напряжении 250 кВ возможно формирование винтового электронного пучка с питч-фактором 1.3, током 80-100 А и приемлемой величиной относительного разброса поперечных скоростей 20-25%. В качестве общего замечания можно отметить, что переход к высоким напряжениям ведет к увеличению перемагничивания, соответствующего увеличению радиуса катода и ряда других эффектов [9], которые должны учитываться при проектировании электронно-оптических систем релятивистских ги-роприборов.
Особое внимание было уделено проектированию канала транспортировки пучка до входа в резонатор. Предшествующие эксперименты показали, что в канале транспортировки без применения специальных поглощающих элементов возможно возникновение паразитной генерации, инициирующей СВЧ-пробой и высоковольтный пробой пушки. Оптимизация профиля резонатора проводилась на осно-
2 3 4 5 8
Рис. 1. Принципиальная схема релятивистского гиротрона на частоту 94.4 ГГц: 1 - катод, 2 - корректирующий соленоид, 3 - анод, 4 - криомагнит, 5 - резонатор, 6 - канал транспортировки пучка, 7 - излучатель рабочей волны, 8 - зеркала квазиоптического преобразователя, 9 - коллектор, 10 - выходное окно
токовводы
Рис. 2. Внешний вид катодно-анодного узла (a) и криомагнита (б)
Рис. 3. Расчетные зависимости питч-фактора (а) и относительного разброса по поперечным скоростям (б) от тока электронного пучка при различных значениях анодного напряжения
ве стационарной модели с самосогласованной нефиксированной структурой поля с учетом омических потерь в резонаторе и начального разброса электронов по поперечным скоростям [15]. При определенной свободе выбора рабочей моды было принято решение ориентироваться на хорошо отработанные в данном частотном диапазоне решения. Предпочтение было отдано моде ТЕ^б, ранее применявшейся в качестве рабочей, к примеру, в непрерывном 200 кВт гиротроне диапазона 84 ГГц [20]. При оптимизации профиля резонатора, наряду с основной задачей повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия, решалась задача минимизации переизлучения рабочей моды в другие моды. В ранее реализованных релятивистских гиротронах сантиметрового диапазона, в силу относительно низких значений индексов мод (ТЕ01, ТЕ53), было допустимым использование резонаторов, выход которых представлял собой сочетание нескольких (двух или трех) конусов. Однако на длине волны 3 мм на «изломах» между конусами происходит значительное переизлучение рабочей моды в моды с другими поперечными индексами. К примеру, для простейшего выходного профиля в виде конического расширения в паразитные моды переизлучается около 5% мощности [21]. В этой связи применяется более сложная технология изготовления, при которой профиль перехода между резонатором и выходным излучателем задается в виде совокупности дуг окружностей с плавными переходами. В результате проведенной оптимизации
профиля перехода удается кардинально уменьшить переизлучения до уровня порядка 0.1%. На рис. 4 представлены распределение ведущего магнитного поля, оптимизированный профиль резонатора и распределение амплитуды и фазы рабочего колебания ТБ^дь На рис. 5 представлены зависимость КПД от ведущего магнитного поля для тока пучка 80 А и зависимость максимальной мощности генерации от тока пучка. Следует отметить, что повышение тока пучка приводит к снижению питч-фактора и как следствие уменьшению эффективности генерации. В свою очередь, со-
ад
Рис. 4. Распределение продольной компоненты поля криомагнита Бг (г), профиль резонатора Я(г), распределение амплитуды и фазы ф(г) ра-
бочей моды ТЕ12,5,1
Рис. 5. Зона генерации по магнитному полю для тока пучка 80 А (а) и зависимость максимальной выходной мощности от тока пучка (б) при и0 = 250 кВ, д = 1.3
хранение значения питч-фактора на уровне 1.3 при токах, превышающих 80 А, сопряжено с повышением анодного напряжения и увеличением риска возникновения пробоев анодно-катодного промежутка.
В реализованных ранее в ИПФ РАН релятивистских гиротронах была использована концепция осевого вывода энергии на рабочей моде. В такой схеме выходной волновод одновременно осуществляет функцию коллектора для отработанных электронов. Кроме очевидной проблемы неизбежного переизлучения рабочей моды на неоднородностях выходного волновода и, как следствие, возрастания потерь при дальнейшей транспортировке излучения, данная схема имеет еще один существенный недостаток, связанный со снижением порога развития мультипакторного разряда в области спада ведущего магнитного поля [22]. В разрабатываемом гиро-троне предполагается использовать располагаемый в вакуумном объеме встроенный квазиоптический преобразователь излучения рабочей моды в гауссов пучок. Проектируемый преобразователь (см., например, [23]) включает в себя излучатель рабочей волны TEi2,5 в свободное пространство, квазипараболическое зеркало и два поворотных зеркала. Расчетная величина потерь в квазиоптическом преобразователе не превышает 5%. Выходное окно с апертурой 63.5 мм изготавливается из керамики на основе нитрида бора с диэлектрической проницаемостью е = ew (1 + i tan 6), ew & 4.6, tan 6 ~ 10"3.
Заключение
Выполнено проектирование релятивистского гиротрона "-диапазона с выходной мощностью 5-10 МВт, включающее в себя выбор условий функционирования электронно-оптической системы для формирования винтового электронного пучка, оптимизацию профиля резонатора, разработку квазиоптического преобразователя излучения рабочей моды в гауссов волновой пучок. Основные проектные параметры гиротрона представлены в таблице.
Предшествующий опыт создания в ИПФ РАН релятивистских гиротронов диапазона 3 см и 1 см с рекордными значениями выходной мощности и КПД и слаборелятивистских гиротронов мега-ваттного уровня мощности [24,25] позволяет рассчитывать на успешную реализацию данного проекта. В дальнейшем предполагается использовать полученные наработки для создания усилителя с аналогичными параметрами на основе гироклистронной схемы, ранее успешно отработанной для диапазонов 1 см и 8 мм [26,17].
Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 14-29-00192.
Таблица
Проектные параметры гиротрона
Ускоряющее напряжение 250 кВ Напряжение анод-катод 120-160 кВ
Ток пучка 80-100 А
Питч-фактор 1.3
Радиус ведущих центров пучка в рабочем пространстве 6.5 мм
Длительность импульса 0.5-1.0 мкс
Рабочая частота 94.4 ГГц
Рабочая мода ТЕ12,5
Дифракционная добротность резонатора на моде ТЕ12,б 1400
Омическая добротность резонатора на моде ТЕ12,5 30300
Радиус однородного участка резонатора 15.039 мм
Оптимум магнитного поля 4.58 Тл
Максимум электронного/волнового КПД 37.1/35.4
Библиографический список
1. Tantawi S.G. Advanced high frequency acceleration // IEEE International Vacuum Electronics Conference. Monterey, CA, 22-24 April 2014.
2. Fazio M.V., Tantawi S.G., Dolgashev V.A. Bridging the gap between conventional RF acceleration and laser driven acceleration // Proceedings of LINAC 2014. Geneva, Switzerland, 31 August-5 September 2014. P. 358.
3. Manheimer W.M., Mesyats G.A., Petelin M.I. Super-high-power microwave radars // Proceedings of the International «Workshop Strong Microwaves in Plasmas». Moscow-Nizhny Novgorod-Moscow, 15-22 August 1993. Vol. 2. P. 632. http://www.ipfran.ru/biblio/smp2.html
4. SkolnikM. Role of radar in microwaves // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. Vol. 50, № 3. P. 625.
5. Реутова А.Г., Ульмаскулов М.Р., Шарыпов А.К., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И., Белоусов В.И., Гинзбург Н.С., Денисов Г.Г., Зотова И.В., Розен-таль Р.М., Сергеев А.С. Экспериментальное наблюдение эффекта сверхизлучения при вынужденном встречном рассеянии мощной микроволновой волны накачки сильноточным релятивистским электронным сгустком субнаносекунд-ной длительности // Письма в ЖЭТФ. 2005. Т. 82, вып. 5. С. 295.
6. Zaitsev N.I., Ginzburg N.S., Ilyakov E.V., Kulagin I.S., Lygin V.K., Manuilov V.N., Moiseev M.A., Rosenthal R.M, Zapevalov V.E., Zavolsky N.A. X-band, high-efficiency relativistic gyrotron // IEEE Trans. on Plasma Sci. 2002. Vol. 30, № 3. P. 840.
7. Зайцев Н.И., Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Иляков Е.В., Кулагин И.С., Лы-гин В.К., Моисеев М.А., Нечаев В.Е., Петелин М.И., Розенталь Р.М. Десяти-мегаваттный импульсный гиротрон с длиной волны 1 см и КПД 50% // Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 10. С. 914.
8. Запевалов В.Е. Гиротрон: Пределы роста выходной мощности и КПД // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 10. С. 864.
9. Цимринг Ш.Е. Введение в высокочастотную вакуумную электронику и физику электронных пучков / Пер. с англ. Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2012. 576 с.
10. Rzesnicki T., Piosczyk B., Kern S., Illy S., Jianbo J., Samartsev A., Schlaich A., Thumm M.2.2-MW Record Power of the 170-GHz European Preprototype Coaxial-Cavity Gyrotron for ITER // IEEE Transactions on Plasma Science. 2010. Vol. 38, № 6. P. 1141.
11. Thumm M.Recent advances in the worldwide fusion gyrotron development // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 42, № 3. P. 590.
12. Моисеев М.А., Нусинович Г.С. Некоторые результаты численных исследований уравнений гиротрона / Гиротрон. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. С. 41. http://www.ipfran.ru/biblio/g1.html
13. Ginzburg N.S., Nusinovich G.S., Zavolsky N.A. Theory of non-stationary processes in gyrotrons with low Q resonators // International Journal of Electronics. 1986. 61:6. 881.
14. Bratman V.L., Ginzburg N.S., Nusinovich G.S., Petelin M.I., Strelkov P.S. Relativistic gyrotrons and cyclotron autoresonance masers // Int. J. Electronics. 1981. Vol. 51, №4. P. 541.
15. Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Моисеев М.А. О повышении КПД релятивист-
ского гиротрона // Изв. вузов. Радиофизика. 2001. Т.44, №4. С.345.
16. Zaitsev N.I., Zapevalov S.A., Ilyakov E.V., Kornishin S.Yu., Kofanov S.V., Kryltsov M.Yu., Kulagin I.S., Lygin V.K., Malygin A.V., Manuilov V.N., Movshevich B.Z., Perminov V.G., Petelin M.I., Fiks A.Sh., Shevchenko A.S., Tsalolikhin V.I., Kladu-khin V.V., Krasnykh A. 500 keV, 200A microsecond electron accelerator with a repetition rate of 10 Hz // Proceedings of XXI Russian Accelerator Conference. Zvenigorod, 2008. P. 339.
17. Зайцев Н.И., Гвоздев А.К., Запевалов С.А., Кузиков С.В., Мануилов В.Н., Моисеев М.А., Плоткин М.Е. Экспериментальное исследование мультимегаваттного импульсного гироклистрона // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, № 2. С. 179.
18. Планкин О.П., Семенов Е.С. Комплекс программ ANGEL-2DS для моделирования пушки гиротрона: Инструкция для пользователя. Н. Новгород: ИПФ РАН, 2011. 32 с.
19. Планкин О.П., Семенов Е.С. Траекторный анализ электронно-оптической системы технологического гиротрона // Вестник НГУ. Серия «Физика». 2013. Т. 8, № 2. С. 44.
20. Belousov V.I., Bogdashov A.A., Denisov G.G., Kurbatov V.I., Malygin V.I., Malygin S.A., Orlov V.B., Popov L.G., Solujanova E.A., Tai E.M., Usachov S.V The test results of the 84 GHz/200 kW/CW gyrotron // 13th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating. Nizhny Novgorod, Russia, May 17-20, 2004.
21. Цимринг Ш.Е. Аксиально-симметричные волноводные переходы и трансформаторы // Гиротроны: Сб. научн. тр. Горький: ИПФ АН СССР, 1989. С. 113. http://www.ipfran.ru/biblio/gir.html
22. Гвоздев А.К., Жарова Н.А., Зайцев Н.И., Семенов В.Е., Сорокин А.А. Развитие мультипактора в выходном тракте мощного импульсного гироклистрона // Журнал технической физики. 2012. Т. 82, вып. 10. С. 72.
23. Чирков А.В., Денисов Г.Г., Куфтин А.Н., Запевалов В.Е., Малыгин В.И., Моисеев М.А., Корнишин С.Ю. Многочастотный гиротрон с высокоэффективным синтезированным волноводным преобразователем // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33, вып. 8. С. 71.
24. Litvak A.G., Denisov G.G., Myasnikov V.E., Tai E.M., Azizov E.A., Ilin V.I. Development in Russia of megawatt power gyrotrons for fusion // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2011. Vol. 32. P. 337.
25. Thumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers (Update 2012). Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2013.
26. ЗайцевН.И., ИляковЕ.В., Кузиков С.В., Кулагин И.С., Лыгин В.К., МоисеевМ.А., Петелин М.И., Шевченко А.С. Импульсный гироклистрон на объёмной моде высокого порядка// Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. 48, № 10-11. С. 830.
References
1. Tantawi S.G. Advanced high frequency acceleration // IEEE International Vacuum Electronics Conference. Monterey, CA, 22-24 April 2014.
2. Fazio M.V., Tantawi S.G., Dolgashev V.A. Bridging the gap between conventional RF acceleration and laser driven acceleration // Proceedings of LINAC 2014. Geneva, Switzerland, 31 August-5 September 2014. P. 358.
3. Manheimer W.M., Mesyats G.A., Petelin M.I. Super-high-power microwave radars // Proceedings of the International «Workshop Strong Microwaves in Plasmas». Moscow-Nizhny Novgorod-Moscow, 15-22 August 1993. Vol.2. P. 632. http://www.ipfran.ru/biblio/smp2.html
4. SkolnikM. Role of radar in microwaves // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002. Vol. 50, № 3. P. 625.
5. Reutova A.G., Ul'maskulov M.R., Sharypov A.K., Shpak V.G., Shunailov S.A., Yalan-din M.I., Belousov V.I., Ginzburg N.S., Denisov G.G., Zotova I.V., Rozental R.M., Sergeev A.S. Experimental observation of superradiance in the stimulated scattering of an intense microwave pump wave by a counterpropagating subnanosecond high-current relativistic electron bunch// JETP Letters. 2005. Vol. 82, Iss. 5. P. 263.
6. Zaitsev N.I., Ginzburg N.S., Ilyakov E.V., Kulagin I.S., Lygin V.K., Manuilov V.N., Moiseev M.A. , Rosenthal R.M, Zapevalov V.E. , Zavolsky N.A. X-band, high-efficiency relativistic gyrotron // IEEE Trans. on Plasma Sci. 2002. Vol. 30, № 3. P. 840.
7. Zaitsev N.I., Zavolsky N.A., Zapevalov V.E., Ilyakov E.V., Kulagin I.S., Lygin V.K., Moiseev M.A., Nechaev V.E., Petelin M.I., Rozental R.M. Ten-megawatt pulsed gyrotron with a 1-cm wavelength and a 50% efficiency // Radiophysics and Quantum Electronics. 2003. Vol. 46, Iss. 10. P. 816.
8. Zapevalov V.E. The gyrotron: Constraints on output-power and efficiency increase// Radiophysics and Quantum Electronics. 2006. Vol. 49, Iss. 10. P. 779.
9. Tsimring Sh.E. Electron Beams and Microwave Vacuum Electronics. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2007.
10. Rzesnicki T., Piosczyk B., Kern S., Illy S., Jianbo J., Samartsev A., Schlaich A., Thumm M.2.2-MW record power of the 170-GHz European preprototype coaxial-cavity gyrotron for ITER // IEEE Transactions on Plasma Science. 2010. Vol. 38, № 6. P. 1141.
11. Thumm M. Recent advances in the worldwide fusion gyrotron development // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 42, №3. P. 590.
12. Moiseev M.A., Nusinovich G.S. Some results of numerical study of gyrotron equations / Gyrotrons. Gorky: Institute of Applied Physics, 1981. P. 41 (in Russian). http://www.ipfran.ru/biblio/g1.html
13. Ginzburg N.S., Nusinovich G.S., Zavolsky N.A. Theory of non-stationary processes in gyrotrons with low Q resonators // International Journal of Electronics. 1986. 61:6. 881.
14. Bratman V.L., Ginzburg N.S., Nusinovich G.S., Petelin M.I., Strelkov P.S. Relativistic gyrotrons and cyclotron autoresonance masers // Int. J. Electronics. 1981. Vol. 51, №4. P. 541.
15. Zavolsky N.A., Zapevalov V.E., Moiseev M.A. Efficiency enhancement of the relativistic gyrotron // Radiophysics and Quantum Electronics. 2001. Vol. 44, Iss. 4. P. 318.
16. Zaitsev N.I., Zapevalov S.A., Ilyakov E.V., Kornishin S.Yu., Kofanov S.K, Kryltsov M.Yu., Kulagin I.S., Lygin V.K., Malygin A.V., Manuilov V.N., Movshevich B.Z., Perminov V.G., Petelin M.I., FiksA.Sh., Shevchenko A.S., Tsalolikhin V.I., Kladukhin V.V., Krasnykh A. 500 keV, 200A microsecond electron accelerator with a repetition rate of 10 Hz // Proceedings of XXI Russian Accelerator Conference. Zvenigorod, 2008. P. 339.
17. Zaitsev N.I., Gvozdev A.K., Zapevalov S.A., Kuzikov S.K, Manuilov V.N., Moiseev M.A., Plotkin M.E. Experimental study of a multimegawatt pulsed gyroklystron //
Journal of Communications Technology and Electronics. 2014. Vol. 59, Iss. 2. P. 16.
18. Plankin O.P., Semenov V.E. ANGEL 2DS Program Package for Gyrotron Gun Modeling: User's Guide. Nizhny Novgorod: IAP RAS, 2011 (in Russian).
19. Plankin O.P., Semenov V.E. Trajectory analysis of the electronic-optical system of technological gyrotron // Vestnik NSU. Series: Physics. 2013. Vol. 8, Iss.2. P. 44 (in Russian).
20. Belousov V.I., Bogdashov A.A., Denisov G.G., Kurbatov V.I., Malygin V.I., Maly-gin S.A., Orlov V.B., Popov L.G., Solujanova E.A., Tai E.M., Usachov S.V. The test results of the 84 GHz/200 kW/CW gyrotron // 13th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating. Nizhny Novgorod, Russia, May 17-20, 2004.
21. Tsymring Sh.E. Axially symmetric waveguide tapers and transformers // in: Gyrotrons. Gorky: Institute of Applied Physics, 1989. P. 113 (in Russian). http://www.ipfran.ru/biblio/gir.html
22. Gvozdev A.K., Zharova N.A., Zaitsev N.I., Semenov V.E., Sorokin A.A. Development of a multipactor discharge in the output channel of a powerful pulsed gyroklystron // Technical Physics. 2012. Vol. 57, Iss.10. P. 1394.
23. Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuftin A.N., Zapevalov V.E., Malygin V.I., MoiseevM.A., Kornishin S.Yu. // Technical Physics Letters. 2007. Vol. 33, Iss. 4. P. 350.
24. Litvak A.G., Denisov G.G., Myasnikov V.E., Tai E.M., Azizov E.A., Ilin V.I. Development in Russia of megawatt power gyrotrons for fusion // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2011. Vol. 32. P.337.
25. Thumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers (Update 2012). Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2013.
26. Zaitsev N.I., Ilyakov E.V., Kuzikov S.K, Kulagin I.S., Lygin V.K., Moiseev M.A., Petelin M.I., Shevchenko A.S. Pulsed high-order volume mode gyroklystron // Radio-physics and Quantum Electronics. 2005. Vol. 48, Iss. 10-11. P. 737.
Поступила в редакцию 7.04.2015
DESIGN OF W-BAND 5-10 MW OUTPUT POWER RELATIVISTIC GYROTRON
E.B. Abubakirov, Yu.M. Guznov, G. G. Denisov, V.E. Zapevalov, N.A. Zavolsky, S. A. Zapevalov, O. P. Plankin, R. M. Rozental, A. S. Sedov, E. S. Semenov, A. V. Chirkov, A. S. Shevchenko
Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences
The 3-mm band relativistic gyrotron excited by 250 keV electron beam with record output parameters (power 5-10 MW, efficiency 35-40%, microwave pulse duration 0.5-1 p,s) was developed. The main design solutions of components, such as the electron-optical system forming helical electron beam, the interaction space and the electrodynamic system of microwave output, are presented.
Keywords: Relativistic gyrotron, millimeter wave radiation.
Абубакиров Эдуард Булатович родился (1957) в Горьком. Окончил радиофизический факультет Горьковского госуниверситета (1980) по специальности «радиофизика и электроника», защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора физико-математических наук (2007). С 1980 года работает в Ин-стиуте прикладной физики АН (с 1991 - ИПФ РАН), в настоящее время - ведущий научный сотрудник отдела высокочастотной релятивистской электроники. Область научных интересов включает высокочастотную электронику и электродинамику, физику сильноточных электронных потоков. Является автором и соавтором более 70 научных работ.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: edward@appl.sci-nnov.ru
Гузнов Юрий Михайлович родился (1987) в деревне Слободское Борского района Горьковской обл. Окончил радиофизический факультет ННГУ по специальности «радиофизика и электроника» (2012). С 2012 года работает в ИПФ РАН сначала в должности инженера, а потом в должности младшего научного сотрудника. Количество публикаций: 2 статьи в рецензируемых журналах, 6 статей в сборниках.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: yuguznov@rambler.ru
Денисов Григорий Геннадьевич родился (1956) в Горьком. Окончил радиофизический факультет Горьковского госуниверситета (1978). Защитил кандидатскую диссертацию (1985, ИПФ АН) и докторскую диссертацию (2002, ИПФ РАН). В настоящее время заместитель директора ИПФ РАН (Нижний Новгород), глава консультационного совета в НПП ГИКОМ. Член-корреспондент РАН. Область научных интересов: разработка гиротронов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, а также для технологических приложений; релятивистские генераторы и усилители (в т.ч. лазеры на свободных электронах); методы измерения и контроля параметров квазиоптических пучков; разработка линий передачи СВЧ-излучения и антенных систем. Лауреат международной премии за отличие в технике термоядерного синтеза (1996), лауреат Государственной премии РФ за достижения в науке (2003) и премии Правительства РФ в области науки и техники (2011).
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: den@appl.sci-nnov.ru
Запевалов Владимир Евгеньевич родился (1949) в городе Бор Горьковской области. Окончил радиофизический факультет Горьковского государственного университета (1972) по специальности «радиофизика». После окончания работал в Горьковском государственном университете, а с 1985 и до текущего момента работает в Институте прикладной физики Академии наук СССР (в настоящее время ИПФ РАН). В настоящее время - заведующий лабораторией мощных гиротронов для управляемого термоядерного синтеза. Защитил диссертации - кандидатскую (1985) и докторскую (2008). Докторская диссертация посвящена проблемам повышения эффективности генерации мощных гиротро-нов. Область научных интересов: теоретическое и экспериментальное исследование электронно-волновых процессов в мощных электронных приборах, а также разработка гиротронов для управляемого термоядерного синтеза, спектроскопии и технологических приложений. Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники (2011).
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: zapev@appl.sci-nnov.ru
Завольский Николай Александрович родился (1956) в Ворсме Горьковской области. Окончил Горьковский государственный университет (1978) по специальности «математика». После окончания и до настоящего момента работает в Институте прикладной физики Академии наук СССР (в настоящее время ИПФ РАН) Область научных интересов: численные методы и разработка программного обеспечения в решении задач акустики, распространения радиоволн и электронно-волнового и взаимодействия в гиротронах.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: zavolsky@appl.sci-nnov.ru
Запевалов Сергей Анатольевич родился (1955) в Ростове-на-Дону. Образование высшее (1977). С 2006 года ведущий электроник в отделе высокочастотной релятивистской электроники ИПФ РАН. Имеет 6 публикаций в соавторстве.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: saturnf@appl.sci-nnov.ru
Планкин Олег Петрович родился (1978) в Балахне Горьковской области. Окончил ННГУ (2001) по специальности «микроэлектроника и полупроводниковые приборы». Область научных интересов: электроника СВЧ, электронная оптика. В настоящее время работает в Институте прикладной физики РАН программистом. Количество публикаций - 2.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: plankin@appl.sci-nnov.ru
Розенталь Роман Маркович родился (1977) в Горьком. Окончил радиофизический факультет ННГУ по специальности «электроника» (1999). С 1998 года работает в ИПФ РАН научным сотрудником. Основная область научных интересов - нестационарные процессы в мощных приборах вакуумной СВЧ-электроники. Автор и соавтор более 25 научных работ.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: rrz@appl.sci-nnov.ru
Седов Антон Сергеевич родился (1984) в Горьком, получил диплом бакалавра по научному направлению «физика» (2005, ННГУ) и диплом магистра по научному направлению «физика» (2007, ННГУ). После окончания ННГУ работает в ИПФ РАН младшим научным сотрудником. Область интересов -электронно-волновое взаимодействие в гиротронах милилметрового и субмиллиметрового диапазонов. Опубликовал около 10 научных статей по данной тематике.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: anton-sedov@mail.ru
Семенов Евгений Сергеевич родился (1980) в Дзержинске Горьковской области. Окончил ННГУ (2003) по специальности «математика». Защитил кандидатскую диссертацию (2009). С 2001 года по настоящее время - научный сотрудник ИПФ РАН. Область научных интересов: математическое моделирование. Область смежных интересов: программирование, параллельные вычисления. Количество публикаций: 6 статей в рецензируемых журналах, 3 статьи в сборниках, 2 препринта.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: semes@appl.sci-nnov.ru
Чирков Алексей Васильевич родился (1965) в городе Йошкар-Ола. Окончил Горьковский политехнический институт им. А.А. Жданова по специальности «радиотехника» (1987). С 1987 года и по настоящее время работает в ИПФ РАН. Кандидат ф.-м. н. (1995), д. ф.-м. н. (2009). Область интересов - методы анализа и синтеза волновых полей в сверхразмерных электродинамических системах гиротронов. Имеет около 100 опубликованных работ.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: chirkov@appl.sci-nnov.ru
Шевченко Александр Сергеевич родился (1960) в городе Ровеньки Воро-шиловградской области, окончил Полтавское Высшее военное командное училище связи (1982). С 1998 года работает ведущим электроником в ИПФ РАН. Принимал непосредственное участие в разработке, изготовлении и экспериментальных исследованиях релятивистских гиротронов и гироклистронов сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. Имеет 17 публикаций в соавторстве.
603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46 Институт прикладной физики РАН E-mail: saturnf@appl.sci-nnov.ru
