Методы повышения эффективности одномодовой генерации мощных гиротронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, доктор физико-математических наук Запевалов, Владимир Евгеньевич

• Запевалов, Владимир Евгеньевич
• доктор физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Запевалов, Владимир Евгеньевич

Оглавление

Обозначения и сокращения

Введение.

Глава 1. Методы и результаты теории селекции и взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами.

1.1 Проблема взаимодействия мод в гиротронах с резонаторами большого 24 поперечного сечения

1.2 Стартовые токи мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами и 27 селекция мод на стадии самовозбуждения.

1.3 Уравнения нестационарных процессов в многомодовых гиротронах и ус- 30 тойчивость стационарной одномодовой генерации.

1.4 Получение устойчивой стационарной одномодовой генерации при взаи- 36 модействии мод, синхронных с пучком на первой и второй гармониках циклотронной частоты.

1.5 Особенности конкуренции мод с продольной структурой бегущей волны.

1.6 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с энергетическим 50 взаимодействием мод.

1.7 Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с амплитудно- 60 фазовым взаимодействием мод

1.8 Обеспечение устойчивости генерации в трехмодовом гиротроне с фазо- 66 вой связью мод.

1.9 Использование связанных резонаторов с трансформацией мод в гиротро- 73 нах.

1.10 Селекция мод в многолучевых гиротронах.

1.11 Влияние статического пространственного заряда в электронных пучках, 96 циклотронной реабсорбции и ряда других факторов на характеристики гиротрона

Выводы.

Глава 2 Экспериментальные исследования и разработка мощных гиротронов на основном циклотронном резонансе. 2.1 Основные проблемы мощных квазинепрерывных гиротронов миллиметрового диапазона

2.2 Исследование и оптимизация параметров электронного пучка в мощных 108 гиротронах миллиметрового диапазона

2.3 Исследование высокоэффективных гиротронов с выводом энергии на ра- 127 бочей моде.

2.4 Оптимизация гиротрона со встроенным преобразователем.

2.5 Рекуперация в мощных гиротронах.

2.6 Разработка мощного многочастотного гиротрона.

2.7 Опытно-промышленные квазинепрерывные гиротроны мегаваттного 180 уровня мощности для У ТС.

2.8 Создание непрерывного гиротрона с частотой 300 ГГц

Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование гиротронов на гармониках 192 гирочастоты.

3.1 Особенности гиротронов на гармониках гирочастоты.

3.2 Эффекты конкуренции мод и селекция колебаний в гиротроне на второй 194 гармонике с рабочей модой ТЕ02.

3.3 Мощный гиротрон на второй гармонике гирочастоты.

3.4 Гиротрон на второй гармонике с дополнительным поглощающим пучком

3.5 Мощный гиротрон с двумя излучающими пучками

3.6 Гиротроны со связанными резонаторами с трансформацией мод.

3.7 Гиротроны на высоких гармониках с приосевым пучком. 229 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения эффективности одномодовой генерации мощных гиротронов»

Актуальность работы.

Поиски путей создания высокоэффективных источников когерентного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и оптического диапазонов, техническое освоение новых диапазонов частот и новых уровней мощности всегда составляли одну из основных задач исследований. С одной стороны, эти исследования были стимулированы потребностями нелинейной оптики, физики плазмы и электроники СВЧ, а с другой - явились закономерным этапом развития теории колебаний распределенных систем. Применительно к нелинейной оптике и электронике СВЧ одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля. В сущности, этим определяются предельные энергетические параметры соответствующих систем. Указанная задача в той или иной форме ставилась уже на первых этапах развития электроники СВЧ, в которой характерные размеры рабочего пространства были сравнимы с длиной волны. Пространственная структура электромагнитного поля в этих случаях соответствовала собственным колебаниям (модам) электродинамических структур.

В классической слаборелятивистской электронике СВЧ, базирующейся на черенков-ском и переходном излучениях электронов, в качестве электродинамических структур, как правило, использовались резонаторы, работающие на основном виде колебаний, и замедляющие системы. Анализ модового взаимодействия здесь практически не имел отношения к таким "грубым" характеристикам системы, как предельная мощность и КПД. Ситуация радикально изменилась после открытия новых принципов автофазировки заряженных частиц и основанных на них электронных приборов СВЧ, в которых используется индуцированное излучение классических электронных осцилляторов [1-8], а также релятивистских электронных систем [8-12].

Принципиальная возможность в указанных системах существенно увеличивать объем рабочего пространства при сохранении заданного частотного диапазона (за счет взаимодействия с незамедленными электромагнитными волнами) ставит проблему селекции и взаимодействия мод как одну из основных и наиболее актуальных.

Особый интерес представляет исследование магнитотормозного индуцированного излучения электронов в однородном магнитном поле (мазеры на циклотронном резонансе [1, 13, 14]). К настоящему времени МЦР и созданные в нашей стране гиротроны (А.В.Гапонов-Грехов, А.Л. Гольденберг, М.И. Петелин, В.А.Флягин, В.К. Юлпатов и др.) [13 - 16], значительно превзошли по уровню средней мощности [1, 16-19, 1а-7а] другие источники СВЧ излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Выходные характеристики этих приборов, способных работать в длинно-импульсном или непрерывном режиме генерации, позволяют успешно использовать их в качестве источников СВЧ-энергии в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу (УТС), а также в области технологии обработки материалов и для многих других приложений [17-19]. Гиротрон - относится к классу мазеров на циклотронном резонансе (или гирорезонансных мазеров), приборов основанных на индуцированном магнитотормозном излучении электронов, вращающихся в магнитном поле и являющихся неизохронными осцилляторами вследствие релятивистского эффекта.

Гиротроны состоят из адиабатической пушки магнетронного типа, открытого резонатора с дифракционным выводом СВЧ-энергии и выходного узла, включающего в себя коллектор электронов и, обычно, преобразователь рабочей моды в волновой пучок с линейной поляризацией. Варианты общей схемы гиротрона без преобразователя мод и с преобразователем приведены на рисунках В. 1а и В. 16, соответственно. Сильные магнитные поля, необходимые для работы гиротронов миллиметрового диапазона, обычно создаются сверхпроводящими соленоидами.

Главные проблемы, которые необходимо решить при разработке мощных гиротронов таковы [1а-7а]:

• формирование интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП), с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом частиц;

• обеспечение устойчивой, высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах;

• эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок с оптимизацией его пространственного распределения;

• разработка надежного коллектора электронного пучка;

• создание выходного окна, способного передать высокочастотное излучение из гиротрона в рабочем режиме.

Все эти проблемы только в некоторой степени являются независимыми, а по мере развития мощных и высокоэффективных гиротронов все их приходиться решать в той или иной связи. Существенным обстоятельством является то, что ни удельные, ни интегральные тепловые нагрузки ни в одной из подсистем гиротрона не должны превышать некоторых предельных значений, обычно обусловленных возможностями системы охлаждения. Максимальные величины статических и высокочастотных полей не должны превышать пробойных значений. Существуют и другие ограничения, носящие более частный характер.

Как известно, и в электронике СВЧ и в нелинейной оптике одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля. Явно выраженная тенденция к увеличению

ООАШЩ а)

ЗЕРКАЛО б

Рис. В.1. мощности излучения ведет к созданию систем с развитым пространством взаимодействия. В циклотронных мазерах, а особенно в тех разновидностях МЦР, которые используют винтовые электронные пучки и однородное магнитное поле, возможности увеличения активной среды и рабочего пространства весьма значительны. Поэтому в указанных системах наиболее целесообразно использовать пространственно развитые электродинамические структуры. Следует иметь в виду, что развитие пространства взаимодействия существенно увеличивает вероятность резонансного взаимодействия активной среды одновременно с несколькими модами [20-22]. Многомодовость в МЦР приводит к нестабильности и полному срыву генерации на рабочей моде, перескокам частоты и многочастотной генерации с примесью паразитных мод или излучению только паразитных видов. Эти эффекты подобны явлениям конкуренции и кооперации мод в генераторах и усилителях СВЧ и оптического диапазонов [2328]. В таких системах растет число возможных типов колебаний и проблема возбуждения только одного рабочего колебания все более усложняется.

Для обеспечения одномодовой генерации в МЦР применяются методы электродинамической и электронной селекции. Первые состоят в снижении добротности паразитных мод или изменении плотности спектра вблизи рабочей моды (С.Н.Власов, А.Л.Гольденберг, И.М.Орлова, М.И.Петелин и др.) [16, 29-34]. Примерами электродинамической селекции является применение коаксиальных [16, 29], связанных, двухзеркальных [16, 29-30] и гофрированных [34] резонаторов. Электронная селекция использует то обстоятельство, что электронный поток по-разному взаимодействует с модами, отличающимися друг от друга эффективным объемом, продольным распределением и поперечной структурой поля [16, 30-32].

До проведения настоящего исследования изучение взаимодействия мод в гиротронах со сверхразмерными резонаторами в основном ограничивались рамками теоретического анализа. Несмотря на то, что основные уравнения, описывающие процессы в гиротроне, были уже получены, расчет конкретных систем находился на уровне аналитических оценок и первоначального численного моделирования, в рамках возможностей ЭВМ того времени. Методика экспериментального исследования таких гиротронов и их подсистем также была в начальной стадии разработки. Эксперименты сводились, главным образом, к регистрации зависимостей выходной мощности и КПД от тока пучка, ускоряющего напряжения и. т.д. Получаемые при этом величины максимальной выходной мощности и порогового тока, соответствующего срыву генерации, содержали мало информации и были недостаточны для сопоставления с теорией. Таким образом, и теория и эксперимент в то время не были доведены до уровня, допускающего их непосредственное количественное сопоставление.

Первоначально конкуренция мод в гиротроне и эффективность различных методов селекции оценивались лишь на основании линейной теории (из сравнения стартовых токов конкурирующих мод). Впоследствии была развита более полная теория, позволяющая анализировать многомодовый гиротрон с учетом нелинейных эффектов. В [20, 21, 35-38] сформулированы уравнения, описывающие многомодовые процессы в гиротроне и рассмотрен двух-модовый гиромонотрон, в котором ширина резонансных кривых и разнос собственных частот мод малы по сравнению с шириной полосы циклотронного резонанса. В [35] на основе общих уравнений двухмодового гиротрона [20] получены условия устойчивой стационарной одномодовой генерации гиротрона. В [36] уравнения многомодового гиротрона обобщены на случай нефиксированной структуры полей мод в низкодобротных резонаторах (самосогласованная задача).

Анализ условий одновременного возбуждения многих мод и их взаимодействия в ги-ротронах со сверхразмерными резонаторами требует нестационарного рассмотрения. Только в этом случае можно выяснить характер установившегося режима генерации (если он реализуется). Как следует из рассмотрения простейших моделей [21, 37, 38], нелинейные колебательные процессы в МЦР могут носить черты не только конкуренции, но и кооперации мод. Определение соответствующих условий для реальных генераторов и в том числе нахождение конкретных условий, при которых взаимодействие мод носит характер конкуренции или кооперации, представляет собой задачу, важную для разработки коротковолновых гиротро-нов большой мощности. По существу, это связано с вопросом определения предельной эффективности нелинейной электронной селекции.

Особое место в изучении межмодового взаимодействия при индуцированном циклотронном излучении занимает проблема устойчивости одномодовой генерации на гармониках циклотронной частоты. Теоретически и экспериментально было показано, что гиротрон на второй гармонике (МЦР-2) может иметь КПД на уровне лучших образцов гиротронов на основном циклотронном резонансе (А.В.Гапонов, А.Л.Гольденберг, В.К.Юлпатов, М.И.Петелин, Г.Г.Нусинович, А.А.Кураев, Ш.Е.Цимринг и др. [14, 39-46, 8а, 9а]). В прикладном плане гиротроны на второй гармонике с непрерывной мощностью порядка 10 кВт особенно привлекательны для технологических приложений [17-19, 1а, 9а-14а]. Снижение магнитного поля в гиротронах на гармониках (МЦР-n) существенно упрощает конструкцию магнитной системы, а при имеющихся магнитных полях позволяет получать наиболее коротковолновое излучение. Можно указать и другие особенности гиротронов на гармониках, благоприятствующие их применению [48]. Однако реализация всех этих достоинств наталкивается на существенно меньшую устойчивость генерации МЦР-2, обусловленную конкуренцией типов колебаний [22, 48, 8а, 9а-17а]. Для гиротронов на гармониках, где эффекты неустойчивой генерации очень сложны, разработка адекватной методики экспериментального изучения взаимодействия мод имеет первостепенное значение. В то время как в гиротронах на основном циклотронном резонансе были разработаны и широко используются различные методы селекции мод, в гиротронах на гармониках гирочастоты опыт подавления паразитных мод практически отсутствовал.

Совершенно очевидна важность задачи формирования активной среды гирорезонанс-ных мазеров - интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) - с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом [22, 47-51, 1а, 7а, 15а, 18а]. Исследования характеристик реальных винтовых электронных пучков необходимы как для оптимизации систем формирования, так и для корректного анализа взаимодействия мод. Соответственно, требуется разработка методики определения параметров ВЭП, проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиротронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории. С другой стороны, результаты теоретического и экспериментального исследования должны привести к выработке требований к характеристикам активной среды и соответствующих систем формирования ВЭП. Взаимосвязь модо-вого взаимодействия и структуры электронных пучков также не была изучена в достаточной мере и требовала специальных исследований, в том числе особенностей систем с секционированной активной средой.

Для продвижения в более высокие уровни рабочих частот и мощностей могут оказаться благоприятными особенности селекции мод в гирорезонансных мазерах с секционированным пространством взаимодействия, где области модуляции электронного пучка и энергоотбора пространственно разделены [1, 18, 22, 43, 44, 47, 49]. Наиболее перспективные варианты таких систем должны быть детально рассмотрены как теоретически, так и экспериментально.

Вплотную к вышеупомянутым задачам исследования электронных потоков и процессов взаимодействия мод примыкает задача использования рекуперации остаточной энергии электронных потоков для повышения КПД высокомощных гиротронов [18, 49, 51, 52, 1а, 7а, 15а]. Отметим, что повышение КПД в непрерывных гиротронах большой мощности зачастую является фактически необходимым условием реализации надежного коллектора электронного пучка. Кроме того, использование рекуперации способствует повышению эффективности и надежности гиротронных комплексов [52, 7а]. Разработка, теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией являются составными частями этой задачи.

Целью диссертационной работы является:

1. Развитие теории взаимодействия мод в сверхразмерных резонаторах при магнитотор-мозном излучении электронов, в том числе и на гармониках циклотронной частоты и, в частности, исследование нестационарных процессов взаимодействия мод в гиротронах и нахождение условий устойчивости одномодовой генерации с высоким КПД.

2. Разработка методики экспериментального исследования винтовых электронных пучков - активной среды гирорезонансных мазеров, особенно свойств пучков существенных для взаимодействия мод. Проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиро-тронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.

3. Развитие методики экспериментального исследования взаимодействия мод. Проведение экспериментов с гиротронами на основном гирорезонансе и гармониках циклотронной частоты и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.

4. Разработка методов электронной и электродинамической селекции мод, в частности, применение связанных резонаторах с трансформацией мод и многолучевых электронных потоков.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией энергии.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами:

1. Предложена и отработана методика экспериментального исследования межмодового взаимодействия в гиротронах, основанная на изучении структуры зон генерации различных мод.

2. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном гирорезонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность циклотронных мазеров, работающих на гармониках циклотронной частоты.

3. Предложена и реализована новая модификация методики измерения параметров винтовых электронных пучков, позволяющая оценить влияние электронов, захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом, и с помощью указанной методики исследованы электронно-оптические системы гиротронов в широком диапазоне частот. С использованием новой методики проведена оптимизация электронно-оптических систем мощных гиротронов.

4. Экспериментально продемонстрирована возможность работы гиротронов с использованием высших пространственных мод резонатора, что позволило реализовать мегаваттный уровень мощности с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.

5. Разработаны и экспериментально исследованы прототипы и опытно-промышленные образцы высокоэффективных мощных квазинепрерывных гиротронов, работающие на высших пространственно-развитых модах, включая гиротроны, в которых радикально повышен выходной КПД и снижена нагрузка на коллектор путем рекуперации остаточной энергии электронного пучка. В миллиметровом диапазоне (длины волн 3,6-1,7 мм) достигнута максимальная выходная мощность свыше 1 МВт при КПД до 40% без рекуперации и более 60% с рекуперацией,

6. Предложены и исследованы многолучевые гиротроны, в которых радикально усиливается селекция мод по поперечному индексу. Предложены варианты двухлучевых электронно-оптических систем МЦР. Впервые созданы и экспериментально исследованы двух-лучевые гиротроны, работающие на второй гармонике циклотронной частоты (максимальная выходная мощность около 1 МВт при КПД 25% и длине волны 12 мм).

7. Выяснены условия, при которых существенно усиливается селекция мод и в то же время может быть реализован высокий КПД в гиротронах на связанных резонаторах с трансформацией мод.

8. Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на 3-5-й гармониках гирочастоты, даже при умеренных ускоряющих напряжениях, при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка.

9. Предложена и экспериментально проверена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне. Реализация этой схемы существенно улучшает характеристики коаксиального гиротрона (КПД, перестройка частоты, возможность глубокой амплитудной модуляции) без изменения его конструкции.

Практическая значимость.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию генераторов миллиметрового диапазона мегаваттного уровня мощности с рекордными энергетическими характеристиками. Эти результаты могут быть также использованы при проектировании нового поколения высокоэффективных гиротронов мегаваттного и многомегаваттного уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Перспективным путем для увеличения мощности единичного гирорезонансного мазера представляется использование многолучевых МЦР. Разработка гироприборов, работающих на гармониках гирочастоты, представляет интерес для создания гиротронных технологических комплексов, для плазменных экспериментов, а также для освоения наиболее коротковолновых диапазонов.

Непосредственным применением диссертационной работы является использование ее результатов при создании гиротронных комплексов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза типа стелларатор (W7-AS) и то-камак: Т10, Т15, D-IIID, Asdex-Upgrade, TEXTOR, ИТЭР и др., а также гиротронов для технологических приложений.

К диссертации прилагается соответствующая справка НПП «ГИКОМ» об использовании).

Апробация результатов

Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по электронике сверхвысоких частот, на зимних школах-семинарах по теоретической электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1977,1984, 1996,1999, 2001, 2006гг.), Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н. Новгород, 2005, 2007), Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ст. Петербург 1990, 1996, 2002, 2005), Российско-Германских семинарах по гиротронам и ЭЦРН (1989-2007 гг.), Российско-Американских семинарах по гиротронам и линиям передачи (Нижний Новгород 1992г., 1998г., 2002г.), Международной университетской конференции по радиофизике и электронике сверхвысоких частот (Ст. Петербург, 1999), на 14-ой международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (2004, Севастополь, Украина), на Международных Харьковских симпозиумах «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (Харьков, Украина, 2001, 2004, 2007), на 1- 6-й Международных конференциях «Мощные микроволны в плазме» (1990, 1993; 1996, 1999; 2002; 2005; Н.Новгород), Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам (Лозанна, Швейцария, 1991; Пасадена, США 1992; Колчестер, Великобритания, 1993; Сендай, Япония, 1994; Орландо, США, 1995; Берлин, Германия, 1996; Винтер-грин, США, 1997; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтрей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Отсу, Япония, 2003; Карлсруэ, Германия, 2004; Вильямсбург, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006гг), Международных конференциях по Электронно-циклотронному излучению (ЕС6 -Хэфей, КНР, 1989г.; ЕСЮ-Амеланд, Нидерланды, 1997г; ЕС 11 - Охараи, Япония, 2000г; ЕС 12 - Экс-эн-Прованс, Франция, 2002г, ЕС-13 - Нижний Новгород, 2004г, ТС 14 - Санторин, Греция 2006г.), Международных конференциях по вакуумным электронным приборам (IVEC-2002, Монтерей, США; 2002; IVEC

2004 Сеул, Корея 2004; IVEC-2005 Нордвик, Нидерланды 2005; IVEC-2007, Китаюосю, Япония, 2007), Международных конференциях по вакуумной электронике и дисплеям (Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 1995, 1998г, 2001г, 2004г.), а также на научных семинарах кафедры электроники ННГУ, МИЭМ, НИРФИ и ИПФ РАН.

Публикации.

По теме диссертации автором сделано 166 публикаций. Среди публикаций:

26 статей издано в зарубежных журналах: ШЕЕ Transactions on Plasma Science - 5, Int. Journal of Electronics -6, Int. Journal Infrared and Millimeter Waves - 12, Int. Journal Vacuum - 1, Plasma device and operation -1, Fusion Engineering and design-2, Fusion Science and Technology -1.

44 статьи напечатано в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов: Изв. ВУЗов. Радиофизика - 36, Электронная техника, серия Электроника СВЧ - 1, Письма в ЖТФ - 3, ЖТФ - 2, Радиотехника и электроника - 2, Прикладная физика -1.

2 статьи размещены в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК: Электронная промышленность -1, Радиотехника -1.

7 - статей в тематических сборниках

31 - статья в сборниках трудов конференций 55 - тезисов докладов на конференциях, 2 работы являются авторскими свидетельствами.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы (172 названия)) и списка авторских публикаций (166 пунктов). Объем диссертации составляет 267 страниц, включая 160 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Запевалов, Владимир Евгеньевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ