Повышение эффективности гиротронов путем улучшения качества электронного потока и многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Трофимов Павел Анатольевич

• Трофимов Павел Анатольевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Трофимов Павел Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ВЭП В

ГИРОТРОНАХ (ОБЗОР)

1.1. Формирование ВЭП в электронно-оптической системе гиротрона. Диагностика электронного потока и методы улучшения его качества

1.1.1. Факторы, определяющие качество ВЭП

1.1.2. Методы определения скоростных и энергетических характеристик ВЭП

1.1.2.1. Метод тормозящего поля

1.1.2.2. Метод емкостного зонда

1.1.3. Методы определения эмиссионной неоднородности катода

1.1.4. Методы улучшения качества ВЭП

1.2. Коллекторные системы в гиротронах

1.2.1. Классификация коллекторных систем и их основные типы. Принципы работы коллекторов

1.2.2. Коллекторы с магнитным полем

1.2.2.1. Коллекторные системы со статическим адиабатическим магнитным полем

1.2.2.2. Коллекторные системы со сканирующим магнитным полем

1.2.2.3. Коллекторные системы с нарушением адиабатичности

1.2.3. Коллекторные системы с комбинированным электрическим и магнитным полем. Рекуперация остаточной энергии ВЭП

1.3. Выводы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Экспериментальный прибор и установка

2.2. Методы измерения параметров ВЭП

2.3. Методики регулирования распределений электрического и магнитного полей

2.4. Выводы

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО

ГИРОТРОНА

3.1. Описание расчетной модели

3.2. Влияние неоднородности эмиссии на качество ВЭП

3.3. ВЭП с улучшенными скоростными характеристиками в электронно-оптической системе гиротрона

3.4. Взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в резонаторе гиротрона

3.5. СВЧ диагностика скоростных характеристик ВЭП

3.5.1. Проектирование диагностической системы для гиротрона СПбПУ

3.5.2. Численное моделирование высокочастотных процессов в замедляющей системе

3.6. Выводы

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРОВ С МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ

СИСТЕМОЙ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ГИРОТРОНОВ

4.1. Принцип сепарации электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях

4.2. Система рекуперации энергии для гиротрона СПбПУ

4.2.1. Конструкция коллекторной системы. Распределения электрического и магнитного полей

4.2.2. Траекторный анализ отработанного ВЭП в коллекторной области гиротрона СПбПУ

4.3. Система с рекуперации энергии для прототипа гиротрона DEMO

4.3.1. Параметры гиротрона DEMO

4.3.2. Коллекторная система с идеализированным распределением азимутального магнитного поля

4.3.3. Коллекторная система с тороидальным соленоидом

4.4. Выводы

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО ГИРОТРОНА

5.1. Энергетические спектры электронов в отработанном пучке

5.2. Подавление паразитных низкочастотных колебаний при оптимизации распределения электрического поля в области МИП

5.3. Повышение электронного КПД гиротрона при оптимизации распределения электрического поля в области МИП

5.4. Повышение полного КПД гиротрона СПбПУ с системой рекуперации остаточной энергии электронов

5.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности гиротронов путем улучшения качества электронного потока и многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов»

Актуальность работы

Гиротроны являются наиболее эффективными мощными генераторами электромагнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн [15]. Области применения современных гиротронов в установках по микроволновой обработке материалов, при нагреве высокотемпературной плазмы в токамаках и стелларато-рах и для других приложений диктуют необходимость увеличения эффективности работы и снижения энергопотребления таких приборов.

Эффективность и достижимые параметры гиротронов зависят от качества формируемого в них винтового электронного потока (ВЭП), являющего своеобразной активной средой [1-3, 5]. Наиболее распространенным типом электронно-оптических систем (ЭОС), используемым в мощных гиротронах, является система, включающая магне-тронно-инжекторную пушку (МИП) и область адиабатически нарастающего магнитного поля. Среди факторов, определяющих качество ВЭП, можно выделить среднюю осцилля-торную энергию электронов, разброс их поперечной и продольной скорости, энергетический разброс, а также пространственную структуру потока [6]. Формирование однородного в поперечном сечении ВЭП с малыми скоростным и энергетическим разбросами позволяет реализовать рабочие режимы гироприборов с увеличенной долей энергии, сосредоточенной в осцилляторном движении частиц, из которой черпается энергия выходного электромагнитного излучения [7].

Одним из ключевых факторов, влияющих на качество ВЭП, является неоднородность термоэлектронной эмиссии с катода [8]. Практикуемые в настоящее время методы оценки неоднородности эмиссии в гироприборах базируются на определении интегрального коэффициента эмиссионной неоднородности, полученного путем дифференцирования вольт-амперной характеристики электронной пушки [9, 10]. Однако для выявления причин неоднородности эмиссии, а также для уточнения закономерностей ее влияния на качество ВЭП и эффективность работы гиротронов, необходимы знания не только об интегральном коэффициенте неоднородности, но также и о пространственном распределении эмиссионного тока по поверхности катода. Метод диагностики, реализованный ранее в СПбПУ, позволяет получать такие распределения непосредственно в работающем ги-ротроне [7, 11]. Новая информация о влиянии эмиссионной неоднородности на работу

гиротронов может быть получена с помощью трехмерного траекторного анализа, используя при этом измеренные распределения плотности тока эмиссии с поверхности различных катодов.

Для обеспечения эффективной работы гиротрона важным является знание скоростных характеристик ВЭП, особенно на этапе его формирования. Существующие методы диагностики скоростей электронов (например, [12, 13]) не обеспечивают достаточный уровень информативности, либо неприменимы в рабочих режимах гиротронов из-за возмущающего действия датчиков и анализаторов. Актуальной задачей поэтому является разработка новых слабовозмущающих методов диагностики ВЭП, позволяющих определять параметры скоростного распределения электронов на участке формирования электронного потока.

Повышения качества ВЭП и, как следствие, электронного КПД гиротронов можно добиться в результате оптимизации распределений электрического и магнитного поля в области формирования пучка [7, 8]. Такая оптимизация позволяет снизить скоростной разброс электронов, подавить паразитные колебания пространственного заряда и увеличить средний питч-фактор а (а = у± / Уц, где у± и Уц - поперечная и продольная компоненты скорости электрона). Среди паразитных колебаний в ВЭП можно отдельно выделить низкочастотные колебания (НЧК), развивающиеся в пространственном заряде в ловушке между катодом и пробкой магнитного поля [11, 14]

Электронный КПД мощных гиротронов, как правило, не превышает 30-40 %. При этом полный КПД, который определяется отношением выходной СВЧ мощности к мощности, потребляемой из сети, может быть дополнительно повышен при использовании коллектора с системой рекуперации энергии отработанного электронного потока. В таком коллекторе электроны тормозятся электрическим полем, тем самым возвращая часть остаточной энергии, не переданной электромагнитному полю, обратно в электрическую цепь. Системы одноступенчатой рекуперации широко применяются в мощных гиротро-нах, что позволяет увеличить их полный КПД до 50-55% [5, 15]. Дальнейшее повышение эффективности работы гиротрона возможно в результате раздельного торможения фракций электронного потока с разной энергией, что обеспечивает многоступенчатую рекуперацию электронного потока [15-17]. Однако системы с многоступенчатой рекуперацией пока не были реализованы в гиротронах. Это связано со сложностью пространственной

сепарации электронных фракций ВЭП в коллекторе из-за наличия остаточного магнитного поля в этой области, а также вследствие имеющегося в пучке разброса электронов по компонентам скорости и координатам.

Таким образом, актуальным является проведение исследования, направленного на достижение повышенных значений полного КПД гиротронов как за счет формирования ВЭП высокого качества при оптимизированных распределениях электрического и магнитного полей, так и за счет эффективной многоступенчатой рекуперации энергии отработанного ВЭП.

Цель и задачи научно-квалификационной работы

Цель исследования заключалась в определении закономерностей формирования винтового электронного потока высокого качества в гиротронах и возможностей повышения на этой основе их электронного КПД, а также в выявлении эффективных методов пространственной сепарации электронов отработанного пучка для построения коллекторов с многоступенчатой рекуперацией в мощных гироприборах.

В настоящей научно-квалификационной работе были поставлены следующие задачи исследований:

1. Определение закономерностей влияния неоднородности эмиссии с катода на качество ВЭП с помощью трехмерного численного моделирования при использовании распределений плотности тока эмиссии, измеренных для различных катодов в ги-ротроне СПбПУ с частотой 74.2 ГГц и выходной мощностью примерно 100 кВт.

2. Проведение комплексного численного моделирования процессов в гиротроне СПбПУ, включающего траекторный анализ в электронно-оптической системе, расчет взаимодействия электронного пучка с высокочастотным полем в резонаторе и траекторный анализ в коллекторной области, с целью определения режимов с малым скоростным разбросом электронов и повышенными питч-фактором и электронным КПД и получения информации о параметрах отработанного пучка для разработки системы рекуперации.

3. Разработка слабовозмущающего метода диагностики скоростных характеристик электронного пучка перед поступлением в резонатор, и проектирование диагностической секции для реализации этого метода диагностики в гиротроне СПбПУ.

4. Разработка нового метода пространственной сепарации электронов с различной энергией в ВЭП гиротронов, предназначенного для реализации на его основе системы многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов.

5. Разработка систем многоступенчатой рекуперации энергии в коллекторах гиро-трона СПбПУ и прототипа гиротрона для проекта DEMO. Определение возможностей достижения повышенных значений полного КПД в разработанных системах многоступенчатой рекуперации.

6. Определение в эксперименте возможностей повышения полного КПД гиротрона СПбПУ в режимах с малым скоростным разбросом, подавленными паразитными колебаниями пространственного заряда и высоким питч-фактором, достигнутыми в результате оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП, а также при реализации системы рекуперации остаточной энергии электронов.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые был проведен трехмерный траекторный анализ в ЭОС гиротрона с неоднородными катодами, который показал необходимость учета влияния на качество ВЭП не только интегрального коэффициента эмиссионной неоднородности, но и особенностей пространственного распределения тока эмиссии на поверхности катода.

2. Разработан новый слабовозмущающий метод определения скоростных характеристик электронов в ВЭП, основанный на усилении СВЧ сигнала малой мощности при взаимодействии ВЭП с электромагнитным полем в замедляющей системе с дисперсией.

3. Разработан новый метод пространственной сепарации электронов в коллекторной области гиротрона, основанный на радиальном дрейфе электронов под действием скрещенных азимутального магнитного и продольного электрического полей. На базе данного метода были спроектированы системы многоступенчатой рекупера-

и U T-v

ции для гиротронов средней и высокой мощности. В результате численного моделирования показана возможность достижения полного КПД гиротронов 70-80 % при использовании разработанных систем рекуперации энергии.

4. Экспериментально исследован метод повышения качества ВЭП, основанный на регулировании распределения электрического поля у поверхности эмиттера при использовании катода с многосекционным управляющим электродом. Реализованы режимы гиротрона СПбПУ с электронным КПД свыше 45 % в результате оптимизации распределений электрического поля в прикатодной области и магнитного поля в области компрессии пучка. Экспериментально показана возможность повышения полного КПД гиротрона СПбПУ до значений более 60 % в результате рекуперации остаточной энергии электронов.

Теоретическая значимость работы заключается в определении новых закономерностей влияния неоднородности эмиссии на качество ВЭП в гиротронах; в установлении механизмов повышения качества ВЭП и эффективности работы гиротронов при оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования пучка; в определении механизмов эффективной пространственной сепарации электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях для многоступенчатой рекуперации энергии в гиротронах.

Практическая значимость работы заключается в разработке нового метода улучшения качества ВЭП за счет оптимизации распределения электрического поля при использовании многосекционного управляющего катодного узла, что позволит реализовы-вать рабочие режимы с высоким питч-фактором и, следовательно, с высоким электронным КПД. Разработанный слабовозмущающий метод диагностики может быть использован в гиротронах и других устройствах вакуумной электроники для определения средних значений компонент скорости электронов в пучке. Новый метод пространственной сепарации электронов, основанный на использовании продольного электрического и азимутального магнитного полей, позволит реализовать системы эффективной многоступенчатой рекуперации энергии в гиротронах и других вакуумных электронных приборах с аксиально-симметричным потоком.

Защищаемые положения:

1. Снижение качества ВЭП, вызванное неоднородностью эмиссии с катода магне-тронно-инжекторной пушки, определяется не только интегральным коэффициен-

том эмиссионной неоднородности, но и распределением эмиссионного тока по поверхности катода, определяемым локальными неоднородностями работы выхода и температуры.

2. Метод СВЧ диагностики, основанный на анализе частотной зависимости коэффициента усиления сигнала с частотой в области единиц гигагерц, позволяет определять средние значения компонент скорости электронов и питч-фактора в ВЭП ги-ротронов.

3. Метод, основанный на дрейфе электронов в скрещенных аксиальном электрическом и азимутальном магнитном полях, позволяет осуществлять эффективную сепарацию электронов с разными энергиями в отработанном ВЭП гиротронов, что может быть использовано для разработки на его основе систем многоступенчатой рекуперации энергии.

4. Повышение полного КПД гиротронов до 70-80 % может быть достигнуто в результате создания высококачественного ВЭП при оптимизированных распределениях электрического и магнитного полей в области формирования пучка и многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов при использовании метода пространственной сепарации электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Апробация работы

Основные результаты исследования докладывались на 40-й, 41-й, 43-й и 44-й международных конференциях "Infrared, Millimeter and Terahertz Waves IRRMW-THz" (Гонг-Конг, Китай, 2015; Копенгаген, Дания, 2017; Нагоя, Япония, 2018; Париж, Франция, 2019); 44-м, 45-м и 46-м научном форуме с международным участием «Неделя Науки СПбПУ» (Санкт-Петербург, Россия, 2015, 2016, 2017); на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, Россия, 2018); на 16-й и 17-й международной зимней школе-семинаре по радиофизике и электронике сверхвысоких частот (Саратов, Россия, 2015, 2018); на 10-м Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 2016); на 18-й международной конференции "IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC-2017" (Лондон, Великобритания, 2017); на международной конференции "Emerging Trends in Applied and Computational Physics ETACP-2019" (Санкт-

Петербург, Россия, 2019); на 29-й международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии КрыМиКо-2019» (Севастополь, Россия, 2019); на международной конференции "Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies YETI-2020" (Санкт-Петербург, Россия, 2020).

Публикации по материалам диссертации

По результатам диссертационного исследования опубликованы 22 работы. Из них - 8 статей в реферируемых изданиях, входящих в список ВАК, 3 статьи в других изданиях и 11 трудов конференций. Публикации приведены отдельным списком в конце работы.

Структура диссертации:

Основная часть работы состоит из введения, пяти основных глав и заключения. Во введении кратко изложена тема работы и обоснована её актуальность. Указаны цели и задачи исследования, представлена новизна, теоретическая и практическая значимость результатов, а также представлены защищаемые положения данной диссертационной работы.

В главе 1 дается краткий обзор научно-технической литературы, посвящённый изучению влияния различных факторов, определяющих качество ВЭП в гиротронах, а также рассмотрению методов определения характеристик электронного пучка в гироприборах. В обзоре описаны типы коллекторных систем, реализуемые в гиротронах, в том числе системы с рекуперацией энергии. На основе проведённого анализа поставлены задачи данной работы.

В главе 2 приведено описание экспериментальной установки, основным элементом

и __и л

которой является импульсный гиротрон 4-миллиметровго диапазона длин волн с выходной мощностью 100 кВт, оснащенный набором диагностик для определения характеристик винтового электронного потока и параметров выходного излучения. В главе описаны методики измерений и способы улучшения параметров ВЭП, используемые в экспериментальных исследованиях.

Глава 3 посвящена численному моделированию процессов в гиротроне СПбПУ. Приведены результаты траекторного анализа в ЭОС гиротрона, задачами которого были изучение влияния неоднородности эмиссии на параметры ВЭП, а также исследование методов повышения качества пучка за счет оптимизации распределения электрического

поля в прикатодной области. Данные об электронном потоке, формируемом в оптимизированной ЭОС, использовались затем для расчетов процессов в резонаторе гиротрона. В результате этих расчетов были определены режимы стабильной генерации на рабочей моде TEi2,3 с электронным КПД более 45 % при использовании однородного и секционированного катодов. Полученные расчетные данные о параметрах отработанного ВЭП служили затем входным интерфейсом для траекторного анализа в коллекторной системе с многоступенчатой рекуперацией энергии. В данной главе приведены также результаты теоретического исследования нового слабовозмущающего метода СВЧ диагностики, предназначенного для определения скоростных характеристик ВЭП перед его поступлением в резонатор, и проектирования диагностической секции для гиротрона СПбПУ, основанной на этом методе.

В главе 4 описаны результаты численного моделирования коллекторных систем для гиротронов. Описан новый метод пространственной сепарации электронов с разной энергией, основанный на их дрейфе в скрещенных электрическом и магнитном полях. Представлены результаты проектирования коллекторных систем с многоступенчатой рекуперацией для гиротрона СПбПУ и прототипа гиротрона для установки DEMO.

Глава 5 посвящена результатам экспериментальных исследований по увеличению эффективности гиротрона СПбПУ. Анализируются данные, полученные при реализации метода подавления низкочастотных паразитных колебаний в области формирования ВЭП при регулировании распределения электрического поля в области пушки. Приведены результаты измерений в режимах работы гиротрона с оптимизированными распределениями электрического и магнитного полей, в которых достигнут максимальный электронный КПД более 45 % за счет повышения качества ВЭП. В завершении главы представлены результаты исследования работы гиротрона с модернизированной коллекторной системой, предназначенной для рекуперации остаточной энергии электронного потока.

В заключении описаны основные результаты выполненной работы.

Диссертационная работа изложена на 158 страницах, включающих основную часть, список цитируемой литературы, состоящий из 123 наименований, а также список публикаций автора по теме проведенного исследования, содержащий 22 наименования. Диссертация содержит 72 рисунка и 10 таблиц.

Глава 1

СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ВЭП В ГИРОТРОНАХ (ОБЗОР)

В данной главе проводится обзор научно-технической литературы по теме исследования. Раздел 1.1 данной главы содержит общие сведения об особенностях формирования и транспортировки электронных потоков в гиротронах. Обсуждается влияние различных факторов на качество электронного пучка и, как следствие, на выходные параметры гироприборов. Рассмотрены некоторые традиционно применяемые методы определения качества ВЭП - диагностики, направленные на измерение скоростного и энергетического разбросов, степени эмиссионной неоднородности катода электронных пушек и других параметров. Раздел 1.2 посвящен описанию коллекторных систем в гиротронах. Приведена актуальная информация о существующих коллекторных системах, в том числе оснащенных рекуперацией остаточной энергии электронного потока в устройствах гиротронного типа, а также рассматриваются возможности реализации систем многоступенчатой рекуперации в гиротронах.

1.1. Формирование ВЭП в электронно-оптической системе гиротрона.

Диагностика электронного потока и методы улучшения его качества

1.1.1. Факторы, определяющие качество ВЭП

Своеобразной активной средой в гиротронах выступает винтовой электронный пучок, который представляет собой аксиально-симметричный поток электронов, движущихся по спиральным траекториям под действием удерживающего магнитного поля (например, [1]). Электронные траектории, в силу винтообразного движения частиц в маг-

еВ

нитном поле, характеризуются циклотронной частотой вращения юц = —, где В - индук-

т

ция магнитного поля, т = те />/1 - V2 / с2 - масса электрона с учётом релятивистской зависимости массы от скорости, те - масса покоя электрона, V - полная скорость заряженной частицы; а также радиальным положением оси спирали относительно оси прибора Я и двумя компонентами скорости: продольной V и поперечной v1 относительно направления силовых линий магнитного поля (рис. 1.1 (а)).

Радиус вращения, также называемый ларморовским радиусом, определяется по формуле г± = у± / юц. Для описания скоростных параметров частиц, как правило, используются величины полной скорости V и питч-фактора а = v1 / V , характеризующего долю

энергии электрона, заключенную в его поперечном движении. В большинстве случаев в гиротронах используется поливинтовой электронный поток (рис. 1.1 (б)), средний радиус которого Я0 заметно превышает ларморовский радиус вращения частиц г±. Отметим, что

разброс ведущих центров электронных траекторий, характеризующий толщину стенки пучка АЯ0, как правило, должен быть меньше X /6, где X - длина волны выходного излучения гиротрона [18].

Качество ВЭП в реальных системах характеризуется разбросами продольной и поперечной компонент скоростей электронов 8^, 8^, а также разбросом полных скоростей

Sv, который связан с энергетическим разбросом 8е. В случае моноэнергетичности пучка выполняется соотношение = а28^ .

В гирорезонансных приборах разработаны и применяются различные ЭОС для формирования ВЭП (например, [2, 5, 19]). Наиболее распространенная ЭОС, используемая, например, в мощных гиротронах, генерирующих излучение в миллиметровом диапазоне длин волн, содержит магнетронно-инжекторную пушку и область дрейфа пучка в адиабатически нарастающем магнитном поле (рис. 1.2). В МИП электроны эмитируются с тонкого катодного термопояска и попадают в скрещенные электрическое и магнитное поля, где приобретают как продольную, так и поперечную скорость. По мере движения в

плавно нарастающем магнитном поле продольная энергия электронов постепенно перекачивается в поперечную, из которой впоследствии черпается энергия СВЧ излучения в области резонатора. Гиротроны более узкого назначения, например, гиротроны с большой орбитой, применяемые в спектроскопии высокого разрешения [20], могут использовать электронные пушки с плоским эмиттером или пушку Пирса в комбинации с так называемым "кикером" - областью, в которой магнитное поле изменяется неадиабатически в коротком промежутке пространства (резко возрастает или меняет свою полярность). Электроны, изначально эмитирующие лишь с продольной компонентой скорости, в пространстве кикера приобретают вращательное движение, и, следовательно, поперечную компоненту скорости.

Резонатор в гиротроне (рис. 1.2) расположен в области "полки" распределения магнитного поля, в которой магнитная индукция практически не изменяется в продольном направлении. При движении электронов в области резонатора происходит взаимодействие ВЧ поля рабочей моды ТЕт,п с электронами пучка. В результате этого взаимодействия часть энергии электронов, заключенной в их поперечном движении, передаётся ВЧ полю. Передача энергии электронов ВЧ полю обусловлена фазовой группировкой частиц в этом поле (например, [1-3]). Данная группировка является следствием развития МЦР-неустойчивости, в основе которой лежит релятивистская зависимость циклотронной частоты от энергии, приводящей к тому, что с ростом энергии циклотронная частота умень-Эо»

шается, т. е. —- < 0. де

При условии, что частота электромагнитного поля в резонаторе ЮВЧ незначительно превышает циклотронную частоту электронов юц, фазовый сгусток формируется в фазовом интервале с преобладающей тормозящей ^-компонентой ВЧ поля. Таким образом, электроны в среднем будут передавать кинетическую энергию в излучение.

После прохождения через резонатор электроны попадают в область уменьшающегося магнитного поля и впоследствии осаждаются на коллекторе, который может представлять собой квазирегулярный цилиндрический волновод (см. рис. 1.2). Через этот волновод распространяется и вышедшая из резонатора ВЧ мощность. В гиротронах мегаватт-ного уровня мощности вывод электромагнитного излучения и осаждение отработанного ВЭП осуществляют раздельно. Излучение выводится с помощью системы зеркал в направлении, перпендикулярном оси прибора [2, 5].

Эффективность и предельно достижимые параметры гиротронов определяются качеством формируемого винтового электронного пучка, поступающего в резонатор. Можно выделить несколько основных параметров, определяющих качество ВЭП [6]:

- питч-фактор а;

разброс по продольной 8^ и поперечной Sv1 скоростям;

энергетический разброс 8е;

структура ВЭП в плоскости поперечного сечения, характеризуемая толщиной стенки АЯ0 и степенью неоднородности плотности пространственного заряда.

Поскольку энергия электромагнитного поля черпается только из поперечной (ос-цилляторной) компоненты энергии движения электронов, повышение питч-фактора необходимо для увеличения выходной СВЧ мощности. Однако, наличие скоростного разброса у электронов в пучке ограничивает возможности достижения стабильной работы гиротронов в режимах с высокой долей поперечной энергии. В присутствии скоростного разброса часть электронов с большим начальным питч-фактором может отразиться обратно в сторону катода в результате перекачки всей продольной энергии в поперечную на этапе магнитной компрессии. Эти частицы затем могут отразиться и от катода, где для них будет действовать тормозящее напряжение, и повторять данный цикл отражений. Таким образом, часть заряда накапливается в ловушке между магнитной пробкой и катодом электронной пушки. Развитие динамических процессов на этом участке ЭОС может привести

к возбуждению паразитных низкочастотных колебаний накопленного в ловушке пространственного заряда с частотой в диапазоне десятков-сотен мегагерц [6, 11, 21]. Появление НЧК на этапе формирования ВЭП может привести к увеличению скоростного и энергетического разбросов, ухудшению пространственной структуры пучка в плоскости поперечного сечения и к другим негативным явлениям [6, 11, 22, 23]. Отметим, что кроме неустойчивости захваченных в ловушку электронов, в электронных пучках гиротронов могут развиваться и другие паразитные неустойчивости в широком диапазоне частот вплоть до циклотронной частоты [6, 8].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Трофимов Павел Анатольевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Flyagin, V.A. Gyrotron oscillators / V.A. Flyagin, G.S. Nusinovich// Proceedings of the IEEE. - 1988. - V. 76, N. 6. - P. 646-647.

[2] Nusinovich, G.S. Introduction to the physics of gyrotron / G.S. Nusinovich. - Baltimore: The Johns Hopkins University Press, 2004. - 335 p.

[3] Гиротрон: Сборник научных трудов / под ред. А.П. Гапонова-Грехова. - Нижний Новгород: Изд-во ИПФ АН СССР, 1981. - 254 с.

[4] Денисов, Г.Г. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС / Г.Г. Денисов, В.Е. Запевалов, А.Г. Литвак, В.Е. Мясников // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2003. - Т. 46, № 10. - С. 845-858.

[5] Thumm, M. State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers / M. Thumm // J. Infrared Millim. Terahertz Waves. - 2020. - V. 41, N. 1. - P. 1-140.

[6] Tsimring, Sh.E. Gyrotron electron beams: velocity and energy spread and beam instabilities / Sh.E. Tsimring // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 2001. - V. 22, N. 10. - P. 1433-1468.

[7] Louksha, O.I. On potentials of gyrotron efficiency enhancement: measurements and simulations on a 4-mm gyrotron / O.I. Louksha, B. Piosczyk, G.G. Sominski, et al. // IEEE Trans.Plasma Sci. - 2006. -V. 34,N. 3. -P. 502-511.

[8] Лукша, О.И. Винтовые электронные потоки гиротронов: динамика пространственного заряда и методы повышения качества: дисс. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.04 / Лукша Олег Игоревич. - СПбПУ, Санкт-Петербург, 2011. - 285 с.

[9] Glyavin, M.Yu. Experimental studies of gyrotron electron beam systems / M.Yu. Glyavin, A.L. Goldenberg, A.N. Kuftin, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 1999. - V. 27, N.2. - P. 474-483.

[10] Anderson, J.P. Design and emission uniformity studies of a 1.5-MW gyrotron electron gun / J.P. Anderson, S.E. Korbly, R.J. Temkin, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2002. - V. 30, N. 6. - P. 2117-2123.

[11] Лукша, О.И. Динамические процессы в винтовых электронных потоках гиротронов / О. И. Лукша, Д. Б. Самсонов, Г. Г. Соминский, С. В. Сёмин // ЖТФ. - 2013. - Т. 83, № 5. - С. 132-140.

[12] Kuftin, A.N. Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams / A.N. Kuftin, V.K. Lygin, V.N. Manuilov, et al. // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 1999. - V. 20, N. 3. - P. 361-381.

[13] Guss, W.C. Velocity spread measurements on a magnetron injection gun beam / W.C. Guss, M.A. Basten, K.E. Kreischer, R.J. Temkin // J. Appl. Phys. - 1994. -V. 76, N. 6. -P. 3237-3243.

[14] Лукша, О.И. Моделирование низкочастотных коллективных процессов в электронных потоках гиротронов / О.И. Лукша // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2009. - Т. 52, № 5-6. - С. 425-437.

[15] Manuilov, V.N. Gyrotron collector systems: types and capabilities / V.N. Manuilov, M.V. Morozkin, O.I. Luksha, M.Yu. Glyavin // Infrared Phys. Tech. - 2018. - V. 91. - P. 4654.

[16] Glyavin, M.Yu. Two-stage energy recovery system for DEMO gyrotron / M.Yu. Glyavin, V.N. Manuilov, M.V. Morozkin // Proc. 43rd Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves.- Nagoya, Japan, 2018. - P. 8510139-1-8510139-2.

[17] Wu, C. Preliminary studies on multistage depressed collectors for fusion gyrotrons / C. Wu, I.Gr. Pagonakis, S. Illy, et al. // German Microwave Conf. - Bochum, Germany, 2016. - P. 365-368.

[18] Pu, R. Effect of the thickness of electron beams on the gyrotron efficiency / R. Pu, G.S. Nusinovich, O.V. Sinitsyn, T.M. Antonsen// Phys. Plasmas. - 2010. - V. 17, N. 8. -P. 083105-083105-6.

[19] Tsimring, Sh.E. Electron beams and microwave vacuum electronics / Sh.E. Tsimring. -Hoboken: Wiley-Interscience, 2007. - 599 p.

[20] Братман, В.Л. Электронно-оптическая система гиротрона с большой орбитой / В.Л. Братман, Ю.К. Калынов, В.Н. Мануилов, С.В. Самсонов // ЖТФ. - 2005. - Т. 75, № 12. - С. 76-81.

[21] Мануилов, В.Н. Численное моделирование низкочастотных колебаний пространственного заряда и потенциала в электронно-оптической системе гиротрона / В.Н. Мануилов // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2006. - Т. 49, № 10. - С. 872-879.

[22] Pedrozzi, M. Electron beam instabilities in gyrotron beam tunnels / M. Pedrozzi, S. Alberti, J.P. Hogge, et al. // Phys. Plasmas. - 1998. - V. 5, N. 6. - P. 2421-2430.

[23] Запевалов, В.Е. К теории винтовых пучков с захваченными электронами / В.Е. Запевалов, В.Н. Мануилов, Ш.Е. Цимринг // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1990. - Т. 33, № 12. - С. 1406-1411.

[24] Венедиктов, Н.П. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне / Н.П. Венедиктов, М.Ю. Глявин, А.Л. Гольденберг, и др. // ЖТФ. - 2000. - Т. 70, № 4. - С. 95-98.

[25] Венедиктов, Н.П. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне / Н.П. Венедиктов, М.Ю. Глявин,

A.Л. Гольденберг, и др.// ЖТФ. - 2000. - Т 70, № 12. - С. 63-65.

[26] Kas'yanenko, D.V. Experimental investigation of electron energy spectra in collector region of moderate-power millimeter-wave gyrotron / D.V. Kas'yanenko, O.I. Louksha,

B. Piosczyk, et al. // Proc. 10th ITG-Conf. Displays and Vacuum Electronics. - Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2004. - P. 81-86.

[27] Авдошин, Е.Г. Экспериментальное исследование скоростного разброса в винтовых электронных пучках / Е.Г. Авдошин, Л.В. Николаев, И.Н. Платонов, Ш.Е. Цимринг // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1973. - Т. 16, № 4. - С. 605-612.

[28] Fischer, R.P. Velocity ratio measurements on a 20-60 kV quasi-optical gyrotron electron beam / R.P. Fischer, A.W. Fliflet // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2000. -V. 28, N. 3. - P. 910-917.

[29] Calame, J.P. Measurements of velocity ratio in a 90 MW gyroklystron electron beam / J.P. Calame, J. Cheng, B. Hogan // IEEE Trans. Plasma Sci.- 1994. -V. 22, N. 4. -P. 476485.

[30] Kuftin, A.N. Theory of helical electron beams in gyrotrons / A.N. Kuftin, V.K. Lygin, V.N. Manuilov, et al. // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 1993. - V. 14, N. 4. - P. 783816.

[31] Pagonakis, J.Gr. Evolution of an electron beam with azimuthal density nonuniformity in a cylindrical beam tunnel / J.Gr. Pagonakis, J.L. Vomvoridis // IEEE Trans. Plasma Sci.

- 2004. - V. 32, N. 3. - P. 890-898.

[32] Братман, В.Л. Разброс начальной энергии электронов в гиротроне, обусловленный развитием неустойчивости отрицательной массы в магнетронно-инжекторной пушке / В.Л. Братман, М.Ю. Глявин, А.Л. Гольденберг, А.В. Савилов // ЖТФ. -2000. - Т. 70, № 4. - С. 90-94.

[33] Felch, K. Results of 10-sec pulse tests on a 110 GHz gyrotron / K. Felch, M. Blank, P. Borchard, et al. // Proc. Int. Vac. Electron. Conf. - Monterey, USA, 2000. - P. 1-2.

[34] Dumbrajs, O. Azimuthal instability of radiation in gyrotrons with overmoded resonators / O. Dumbrajs, G.S. Nusinovich // Phys. Plasmas. - 2005. - V. 12, N. 5. - P. 053106053106-9.

[35] Glyavin, M.Yu. Experimental investigation of emission inhomogeneity of gyrotron cathodes basing on their current-voltage characteristics / M.Yu. Glyavin, A.N. Kuftin, N.P. Venediktov, et al. // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 1997. - V. 18, N. 11. - P. 2137-2146.

[36] Глявин, М.Ю. Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем: дисс. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.04 / Глявин Михаил Юрьевич. - ИПФ РАН, Нижний Новгород, 2009. - 319 с.

[37] Nusinovich, G.S. Quasilinear theory of mode interaction in gyrotrons with azimuthally inhomogeneous electron emission / G.S. Nusinovich, M. Botton // Phys. Plasmas. - 2001.

- V. 8, N. 3. - P. 1029-1036.

[38] Nusinovich, G.S. Effect of the azimuthal inhomogeneity of electron emission on gyrotron operation / G.S. Nusinovich, A.N. Vlasov, M. Botton, et al. // Phys. Plasmas. - 2001. -V. 8, N. 7. - P. 3473-3479.

[39] Nusinovich, G.S. Effect of the azimuthal inhomogeneity of electron emission on gyrotron operation / G.S. Nusinovich, A.N. Vlasov, M. Botton, et al. // Phys.Plasmas. - 2001. - V. 8, N. 7. - P. 3473-3479.

[40] Мануилов, В.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек гиротронов в режиме ограничения тока пространственным зарядом / В.Н. Мануилов, Б.В. Райский, Е.А. Солуянова, Ш.Е. Цимринг // Радиотехника и электроника. - 1995. - Т. 40, № 4. - С. 648-655.

[41] Lawson, W. Space-charge limited magnetron injection guns for high-power gyrotrons / W. Lawson, H. Raghunathan, M. Esteban // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2004. - V. 32, N. 3. - P. 1236-1241.

[42] Khodnevich, S.P. Determination of emission homogeneity on the cathode by current-voltage characteristic / S.P. Khodnevich // Electronics technology, Microwave electronics - 1969. - V. 20, N. 4. - P. 118-130.

[43] Anderson, J.P. Experimental studies of local and global emission uniformity for a magnetron injection gun / J.P. Anderson, R.J. Temkin, M.A. Shapiro // IEEE Trans. Electron Devices. - 2005. - V. 52, N. 5. - P. 825-828.

[44] Zhang, J. Evaluation and influence of gyrotron cathode emission inhomogeneity / J. Zhang, St. Illy, I.Gr. Pagonakis, et al. // IEEE Trans. Electron Devices. - 2017. - V. 64, N. 3. - P. 1315-1322.

[45] Ives, R.L. Improved magnetron injection guns for gyrotrons / R.L. Ives, P. Borchard, G. Collins, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2008. - V. 36, N. 3. - P. 620-630.

[46] Manuilov, V.N. Numerical simulation models of forming systems of intense gyrotron helical electron beams / V.N. Manuilov, P.V. Krivosheev, V.K. Lygin, Sh.E. Tsimring // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 2001. V. 22, N. 8. - P. 1119-1145.

[47] Sakamoto, K. Achievement of robust high-efficiency 1 MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170 GHz continuous-wave gyrotron / K. Sakamoto, A. Kasugai, K. Takahashi, et al. // Nature Physics. - 2007. - V. 3, N. 6. - P. 411-414.

[48] Zaitsev, N.I. X-band high-efficiency relativistic gyrotron / N.I. Zaitsev, N.S. Ginzburg, E.V. Ilyakov, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2002. - V. 30, N.3. - P. 840-845.

[49] Гольденберг, А.Л. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке / А.Л. Гольденберг, М.И. Петелин // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1973. - Т. 16, № 1. - С. 141-148.

[50] Yeh, Y.S. Beam characteristics of mechanically tunable magnetron injection guns / Y.S. Yeh, T.H. Chang, C.T. Fan // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 2001. - V. 22, N. 7.

- P. 983-997.

[51] Кривошеев, П.В. Влияние распределения электрического поля в области электростатического зеркала на бомбардировку катода отраженными электродами в МИП гиротронов / П.В. Кривошеев, В.Н. Мануилов - Прикладная физика. - 2004.

- № 1. - С. 101-104.

[52] Лукша, О.И. Повышение качества винтового электронного потока и КПД гиротрона при регулировании распределения электрического поля в области магнетронно-инжекторной пушки / О.И. Лукша, Д.Б. Самсонов, Г.Г. Соминский, А.А. Цапов // ЖТФ. - 2012. - Т. 82, № 6. - С.101-105.

[53] Иляков, Е.В. Экспериментальное исследование возможности увеличения питч-фактора интенсивного релятивистского винтового электронного пучка / Е.В. Иляков, И.С. Кулагин, В.Н. Мануилов, А.С. Шевченко // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2008. - Т. 51, № 10. - С. 855-863.

[54] Tsimring, Sh.E. Experimental study of intense helical electron beams with trapped electrons / Sh.E. Tsimring, V.E. Zapevalov // Int. J. Electron. - 1996. - V. 81, N. 2. - P. 199-205.

[55] Louksha, O.I. Experimental study and numerical modeling of the electron beam formed in the electron-optical system of a gyrotron / O.I. Louksha, G.G. Sominskii, D.V. Kas'yanenko // J. Commun. Technol. Electron. - 2000. - V. 45, N. 1. - P. S71-S75.

[56] Li, H. Space charge instabilities in gyrotron beams / H. Li, T.M.Jr. Antonsen // Phys. Plasmas. - 1994. - V. 1, N. 3. - P. 714-729.

[57] Братман, В.Л. Неустойчивость отрицательной массы в слое электронов, вращающихся в медленно меняющемся магнитном поле / В.Л. Братман, А.В. Пылин // Письма в ЖТФ. - 1992. - Т. 18, № 10. - С. 49-53.

[58] Запевалов, В.Е. Катодная неустойчивость в мощных гиротронах / В.Е. Запевалов, С.А. Малыгин, В.Н. Мануилов, Ш.Е. Цимринг // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1990. - Т. 33, № 10. - С. 1193-1194.

[59] Piosczyk, B. A coaxial magnetron injection gun (CMIG) for a 2 MW, 170 GHz coaxial cavity gyrotron / B. Piosczyk // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 2006. - V. 27, N. 8. - P. 1041-1061.

[60] Запевалов, В.Е. Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД / В.Е. Запевалов // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2006. - Т. 49, № 10. -С. 864-871.

[61] Братман, В.Л. Релятивистские электронные приборы миллиметрового диапазона длин волн / В.Л. Братман // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2003. - Т. 46, № 10. - С. 859-873.

[62] Jelonnek, J. Developments of fusion gyrotrons for W7-X, ITER and EU DEMO: ongoing activities and future plans of KIT/J. Jelonnek, G. Aiello, K. Avramidis, et al. // Proc. 42nd Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Cancun, Mexico, 2017. - P. 1-2.

[63] Kajiwara, K. Progress of the development of gyrotron and gyrotron system for ITER / K. Kajiwara; Y. Oda; A. Kasugai, et al. // Proc. 13th IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. -Monterey, CA, USA, 2012. - P. 1-2.

[64] Джексон, Дж. Классическая электродинамика / пер. с англ. Г.В. Воскресенского, Л.С. Соловьева; под ред. Э.Л. Бурштейна. - М: Мир, 1965. - 703 с.

[65] Denisov, G.G. The collector of a megawatt gyrotron with a static nonadiabatic magnetic field / G.G. Denisov, V.N. Manuilov // Radiophys. Quantum Electron. - 2013. - V. 56, N. 6. - P. 379-384.

[66] Nanni, E.A. THz Dynamic Nuclear Polarization NMR / E.A. Nanni, A.B. Barnes, R.G. Griffin, et al. // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. - 2011. - V. 1, N. 1. - P. 145163.

[67] Glyavin, M.Y. High power terahertz sources for spectroscopy and material diagnostics / M.Y. Glyavin, G.G. Denisov, V.E. Zapevalov, et al. // Adv. Phys. Sci. - 2016. - V. 59, N. 6. - P. 595-604.

[68] Bykov, Y. 24-84-GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications / Y. Bykov, A. Eremeev, M. Glyavin, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2004. - V. 32, N. 1. - P. 67-72.

[69] Morozkin, M.V. A High-Efficiency Second-Harmonic Gyrotron with a Depressed Collector / M.V. Morozkin, M.Yu. Glyavin, G.G. Denisov, A.G. Luchinin // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 2008. - V. 29, N. 11. - P. 1004-1010.

[70] Ларичев, Ю.Д. СВЧ-прибор: пат. 1238617 СССР: MnKH 01 J 23/027 / Ю.Д. Ларичев, А.Ш. Фикс // заяв. и правообл. ИПФАН СССР. - № 3794977/21; заявл. 02.10.1984: опубл. 10.05.2000. - 1 с.

[71] Zapevalov, V.E. Problems and solutions for collector systems of powerful gyrotrons / V.E. Zapevalov // EPJ Web of Conferences. - 2018. - V. 187, N. 5 - P. 01024-1-010242.

[72] Illy, St. Collectorloading of the 2-MW, 170-GHz gyrotron for ITER in case of beam power modulation / St. Illy, St. Kern, I.Gr. Pagonakis, A. Vaccaro // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2013. - V. 41, N. 10. - P. 2742-2747.

[73] Галисевич, С.Ю. Коллекторные системы мощных гиротронов с высокой частотой сканирования электронного пучка / С.Ю. Галисевич, Г.Г. Денисов, В.Н. Мануилов // Вестник Нижегородского унив. им. Н.И.Лобачевского. - 2013. - № 5-1. - С. 91101.

[74] Baxi, C.B. Thermal stress analysis of 1MW gyrotron collector / C.B. Baxi, R.W. Callis, I.A. Gorelov, J. Lohr // Fusion Eng. Des. - 2007. - V. 82, N. 5-14. - P. 731-735.

[75] Illy, St. Enhanced transversal collector sweeping for high power CW gyrotrons / St. Illy, M. Schmid, H. Braune, et al. // Proc. 33rd Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. -Pasadena, CA, USA, 2008. - P. 1-2.

[76] Schmid, M. Transverse field collector sweep system for high power CW gyrotrons / M. Schmid, St. Illy, G. Dammertz, et al. // Fusion Eng. Des. - 2007. - V. 82, N. 5-14. -P. 744-750.

[77] Pagonakis, I.Gr. Study of the ITER stray magnetic field effect on the EU 170-GHZ 2-MW coaxial cavity gyrotron / I.Gr. Pagonakis, F. Li, St. Illy, et al. // IEEE Trans. PlasmaSci. - 2012. - V. 40, N. 7. - P. 1945-1956.

[78] Алямовский, И.В. Электронные пучки и электронные пушки / И.В. Алямовский. -М.: Советское радио, 1966. - 456с.

[79] Fix, A.Sh. The problems of increase in power, efficiency and frequency of gyrotrons for plasma investigations / A.S. Fix, V.A. Flyagin, A.L. Goldenberg, et al. // Int. J. Electron.

- 1984. - V. 57, N. 6. - P. 821-826.

[80] Kulagin, I.S. Separation of energetic fractions of electron beam by cusped magnetic field / I.S. Kulagin, V.N. Manuilov, M.I. Petelin, N.I. Zaitsev // Proc. 3rd Int. workshop Strong microwaves in plasmas. - Nizhny Novgorod, Russia, 1997. - V. 2. - P. 723-729.

[81] Glyavin, M.Y. Separation of energy fractions of an electron beam by a localized nonuniformity of magnetic field in the collector region of gyrodevices / M.Y. Glyavin, M.V. Morozkin, M.I. Petelin // Radiophys. Quantum Electron. - 2006. - V. 49, N. 10. -P. 811-815.

[82] Saraph, G.P. A comparative study of three single-stage depressed-collector design of a 1-MW, CW gyrotrons / G.P. Saraph, K.L. Felch, J. Feinstein, et al. // IEEE Trans. PlasmaSci. - 2000. - V. 28, N. 3. - P. 830-840.

[83] Bratman, V.L. To the problem of energy recuperation in gyrotrons / V.L. Bratman, G.G. Denisov, A.V. Savilov // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 1995. - V. 16, N. 13. -P. 1433-1468.

[84] Sakamoto, K. Major Improvement of Gyrotron Efficiency with Beam Energy Recovery / K. Sakamoto, M. Tsuneoka, A. Kasugai, et al. // Phys. Rev. Lett. - 1994. - V. 73, N. 26.

- P.3532-3535.

[85] Венедиктов, Н.П. Экспериментальное исследование 110 ГГц/1 МВт гиротрона с одноступенчатой рекуперацией энергии / Н.П. Венедиктов, М.Ю. Глявин, В.Е. Запевалов, А.Н. Куфтин // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1998. - Т. 41, №5. - С. 670-678.

[86] Glyavin, M.Yu. Experimental investigation of a 110 GHz/1 MW gyrotron with the one-step depressed collector / M.Yu. Glyavin, A.N. Kuftin, N.P. Venediktov, V.E. Zapevalov // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 1997. - V. 18, N. 11. - P. 2129-2136.

[87] Завольский, Н.А. Численное моделирование и экспериментальное исследование мощных гиротронов с рекуперацией / Н.А. Завольский, В.Е. Запевалов,

A.Н. Куфтин, А.С. Постникова // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2019. - Т. 62, №11. -С. 842-854.

[88] Singh, A. Design of multistage depressed collector system for 1-MW CW gyrotrons — Part I: Trajectory control of primary and secondary electrons in a two-stage depressed collector / A. Singh, S. Rajapatirana, Y. Men // IEEE Transa. Plasma Sci. - 1999. - V. 27, N. 2. - P. 490-502.

[89] Dumbrajs, O. Reflections in gyrotrons with radial output: consequences for the ITER coaxial gyrotron / O. Dumbrajs, G.S. Nusinovich, B. Piosczyk // Phys. Plasmas. - 2004. - V. 11, N. 12. - P. 5423-5429.

[90] Morozkin, M.V. A high-efficiency second-harmonic gyrotrons with a depressed collector / M.V. Morozkin, M.Yu. Glyavin, G.G. Denisov, A.G. Luchinin // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 2008. - V. 29, N. 11. - P. 1004-1010.

[91] Piosczyk, B. Single-stage depressed collectors for gyrotrons / B. Piosczyk, C.T. Iatrou, G. Dammertz, M. Thumm // IEEE Trans. Plasma Sci. - 1996. - V. 24, N. 3. - P. 579-585.

[92] Ling, G. A new approach for a multistage depressed collector for gyrotrons / G. Ling,

B. Piosczyk, M.K. Thumm // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2000. - V. 28, N. 3. - P. 606613.

[93] Ives, R.L. Design of multistage depressed collector system for 1-MW CW gyrotrons — Part I: Trajectory control of primary and secondary electrons in a two-stage depressed collector / R.L. Ives, A. Singh, M. Mizuhara // IEEE Trans. Plasma Sci. - 1999. - V. 27, N. 2. - P. 490-502.

[94] Srivastava, V. Design of four-stage depressed collector for a high efficiency helix TWT / V. Srivastava, A.K. Sinha, S.N. Joshi, et al. // Proc. 3rd IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. - Monterey, USA, 2002. - P. 257-258.

[95] Zhang, X. Design of multistage depressed collector for Ku-band three-beam TWT / X. Zhang, Q. Hu, Y. Hu, et al. // Proc. 16th IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. - Beijing, China, 2015. - P. 1-2.

[96] Kosmahl, H.G. Modern multistage depressed collectors - a review / H.G. Kosmahl // Proc. IEEE. - 2015. - V. 70, N. 11. - P. 1325-1334.

[97] Read, M.E. Depressed collectors for high-power gyrotrons / M.E. Read, W.G. Lawson, A.J. Dudas, A. Singh // IEEE Trans. Electron Devices - 1990. - V. 37, N. 6. - P. 15791589.

[98] Okoshi, T. Microwave electron tube device: patent 3526805 US / T. Okoshi, E. Chiu // T.S.E. Co, Japan. - N. 723831; filled 24.04.1968; patented 01.09.1970. - 6 p.

[99] Pagonakis, I.Gr. A new concept for the collection of an electron beam configured by an externally applied axial magnetic field / I.Gr. Pagonakis, J.-P. Hogge, A. Stefano, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2008. - V. 36, N. 2. P. 469-480.

[100] Pagonakis, I.Gr. Multistage depressed collector conceptual design for thin magnetically confined electron beams / I.Gr. Pagonakis, C. Wu, St. Illy, J. Jelonnek // Phys. Plasmas. - 2016. - V. 23, N. 4. - P. 043114-1-043114-8.

[101] Wu, C. Conceptual designs of ExB multistage depressed collectors for gyrotrons / C. Wu, I.Gr. Pagonakis, G. Gantenbein, et al. // Phys. of Plasmas. - 2017. - V. 24, N. 4. - P. 043102-1-043102-8.

[102] Wu, C. Novel multistage depressed collector for high power fusion gyrotrons based on an ExB drift concept /C. Wu, I.Gr. Pagonakis, St. Illy, et al. //Proc. 18th IEEE Int. VacuumElectronics Conf. - London, UK, 2017. - P. 1-2.

[103] Wu, C. Gyrotron multistage depressed collector based on ExB drift concept using azimuthal electric field. I. Basic design / C. Wu, I.Gr. Pagonakis, K.A. Avramidis, et al. // Phys. of Plasmas. - 2018. - V. 25, N. 3. - P. 033108-1-033108-10.

[104] Wu, C. Gyrotron multistage depressed collector based on ExB drift concept using azimuthal electric field. II: Upgraded designs / C. Wu, I.Gr. Pagonakis, D. Albert, et al. // Phys. of Plasmas. - 2019. - V. 26, N. 1. - P. 013108-1-013108-6.

[105] Pagonakis, I.Gr. Progress in the development of a multistage depressed collector system for high power gyrotrons / I.Gr. Pagonakis, C. Wu, B. Ell, et al. // Proc. 43rd Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Nagoya, Japan, 2018. - P. 1-2.

[106] Ell, B. Coaxial multistage depressed collector design for high power gyrotrons based on ExB concept / B. Ell, I.Gr. Pagonakis, C. Wu, et al. // Phys. Of Plasmas. - 2019. - V. 26, N. 11. - P. 113107-1-113107-8.

[107] Лучинин, А.Г. Выходные характеристики излучения гиротронов с импульсными соленоидами / А.Г. Лучинин, Г.С. Нусинович, В.А. Флягин, Б.В. Шишкин // Письма в ЖТФ. -1984. - Т. 10, № 16. - С. 993-996.

[108] Малыгин, С.А. Электронная пушка мазера на циклотронном резонансе: пат. 1034536 СССР / С.А. Малыгин, В.Н. Мануилов, Ш.Е. Цимринг // заявл. 18.12.1981: опубл. 08.04.1983. - 1 с.

[109] Зайцев, Н.И. Магнетронно-инжекторные пушки для релятивистских гиротронов сантиметрового диапазона длин волн / Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, П.В. Кривошеев и др. // Прикладная физика. - 2003. - № 1. - С. 27-34.

[110] Программное обеспечение для электромагнитной симуляции и анализа CST Studio Suite 3D [Электронный ресурс] // Программное обеспечение для 3D-проектирования - Дассо Систем [сайт]. [2002]. URL: https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/cst-studio-suite (дата обращения 20.10.2020).

[111] Weiland, T. Time domain electromagnetic field computation with finite difference methods / T. Weiland // Int. J. Numer. Model. - 1996. - V. 9. - P. 295-319.

[112] Taflove, A. Computational Electrodynamics / A. Taflove. - Norwood: Artech House Publishers, 1995. - 599 p.

[113] Herrmannsfeldt, W.B. Electron Trajectory Program / W.B. Herrmannsfeldt. - Stanford, California: Stanford University, 1979. - SLAC. - 226 p.

[114] Завольский, Н.А. Влияние разброса скоростей и энергий в электронном пучке на стартовые условия и КПД гиротрона/ Н.А. Завольский, В.Е. Запевалов М.А. Моисеев // Изв. вузов. Радиофизика. - 2006. - Т. 49, № 2. - С. 121-133.

[115] Gilmour, A.S. Klystrons, traveling wave tubes, magnetrons, cross-field amplifiers, and gyrotrons / A.S. Gilmour - Norwood, MA: Artech House, 2011. - 859 p

[116] Силин, Р.А. Замедляющие системы / Р.А. Силин, В.П. Сазонов. - М.: Советское радио, 1966. - 632 с.

[117] Field, L.M. Some slow-wave structures for traveling-wave tubes / L.M. Field // Proceedings of the IRE. - 1949. - V. 37, N. 1. - P. 43-40.

[118] Пименов, Ю.В. Техническая электродинамика / Ю.В. Пименов, В.И. Вольман, А.Д. Муравцов. - М.: Радио и связь, 2000. -536 с.

[119] Молоковский, С.И. Интенсивные электронные и ионные пучки / С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 305 с.

[120] Хазов, В.Н. Кольцевой электромагнит для создания азимутального магнитного поля: пат. 532899 СССР: МПК H 01 F 7/06 / В.Н. Хазов // № 2136691/07, заявл. 23.05.1975: опубл. 25.10.1976. - 4 с.

[121] Jelonnek, J. Design considerations for future DEMO gyrotrons: A review on related gyrotron activities within EUROfusion / J. Jelonnek, J. Aiello, S. Alberti, et al. // Fusion Engineering and Design. - 2017. - V. 123. - P. 241-246.

[122] Denisov, G.G. First experimental tests of powerful 250 GHz gyrotron for future fusion research and collective Thomson scattering diagnostics / G.G. Denisov, M.Yu. Glyavin, A.P. Fokin, et al. // Review of Scientific Instruments. - 2018. -V. 89, N. 8, P. 084702-1084702-4.

[123] Goldenberg, A.L. Energy spectra of electrons and depressed potential collector in gyrotrons / A.L. Goldenberg, V.N. Manuilov, M.A. Moiseev, N.A. Zavolsky // Int. J. Infrared Millim. Waves. - 1997. - V. 18, N. 1. - P. 43-55.

Список публикаций автора по теме диссертации

[A1] Фефелов, С.А. Стабилизация магнитного поля теплой катушки импульсного соленоида гиротрона при неуправляемом разряде батареи емкостного накопителя / С.А. Фефелов, О.И. Лукша, Д.Б. Самсонов, П.А. Трофимов // Приборы и техника эксперимента. - 2015. - № 5. - С. 124-127

[A2] Лукша, О.И. Метод сепарации электронов для систем многоступенчатой сепарации в гиротронах / О.И. Лукша, П.А. Трофимов // ЖТФ. - 2015. - Т. 41, № 18. - С. 3845.

[A3] Louksha, O.I. A method of sorting of electrons in gyrotron multistage depressed collectors / O.I. Louksha, P.A. Trofimov // Proc. 40th Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Hong Kong, China, 2015. - P. 7327434.

[A4] Трофимов, П.А. Новый метод сепарации электронов для систем многоступенчатой рекуперации в гиротронах / П.А. Трофимов, О.И. Лукша // «Неделя науки СПбПУ».

Материалы н.-т. конференции. ИФНиТ. - Санкт-Петербург, Россия, 2015. - С. 139142.

[A5] Трофимов, П.А. Новый метод определения скоростных характеристик электронов в гиротроне / П.А. Трофимов, Н.Г. Колмакова, О.И. Лукша // «Неделя науки СПбПУ». Материалы н.-т. конференции. ИФНиТ. - Санкт-Петербург, Россия, 2015.

- С. 201-205.

[A6] Колмакова, Н.Г. Разработка методики определения скоростей электронов в гиротроне / Н.Г. Колмакова, О.И. Лукша, Г.Г. Соминский, П.А. Трофимов // ЖТФ.

- 2016. - Т. 86, № 12, С. 145-151.

[A7] Louksha, O.I. Gyrotron research at SPbPU: diagnostics and quality improvement of electron beam / O.I. Louksha, G.G. Sominski, A.V. Arkhipov, et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2016. - V. 44, N. 8. - P. 1310-1319.

[A8] Kolmakova, N.G. A new microwave diagnostics of electron beam in gyrotrons / N.G. Kolmakova, O.I. Louksha, G.G. Sominski, P.A. Trofimov // Proc. 41st Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Copenhagen, Denmark, 2016. - P. 7758518.

[A9] Louksha, O.I. A multistage depressed collector with azimuthal magnetic field for gyrotrons / O.I. Louksha, P.A. Trofimov // Proc. 41st Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Copenhagen, Denmark, 2016. - P. 7758519.

[A10] Трофимов, П.А. Разработка системы многоступенчатой рекуперации для гиротронов с использованием нового метода сепарации электронов / П.А. Трофимов, О.И. Лукша // «Неделя науки СПбПУ». Материалы н.-т. конференции. Лучшие доклады. - Санкт-Петербург, Россия, 2016. - С. 157-161.

[A11] Трофимов, П.А. Влияние неоднородности эмиссии с катода в электронно-оптической системе гиротрона / П.А. Трофимов, О.И. Лукша // «Неделя науки СПбПУ». Материалы н.-т. конференции. ИФНиТ. - Санкт-Петербург, Россия, 2017.

- С. 226-229.

[A12] Лукша, О.И Исследование влияния неоднородности эмиссии с катода на качество электронного потока в электронном-оптической систему гиротрона / О.И. Лукша, П.А. Трофимов // Электроника и микроэлектроника СВЧ. - 2018. - Т. 1. - С. 165169.

[A13] Лукша, О.И. Моделирование неоднородных электронных потоков в электронно-оптической системе гиротрона / О.И. Лукша, П.А. Трофимов // ЖТФ. - 2018. - Т.

88, № 4. - С. 614-620.

[A14] Louksha, O.I. Simulations of nonuniform electron beams in a gyrotron electron optical system / O.I. Louksha, P.A. Trofimov // Proc. 43rd Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Nagoya, Japan, 2018. - P. 1-2.

[A15] Louksha, O.I. A multistage depressed collector system for gyrotrons / O.I. Louksha, P.A. Trofimov // Proc. 18th IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. - London, UK, 2018. - P. 12.

[A16] Лукша, О.И. Высокоэффективный гиротрон с многоступенчатой рекуперацией остаточной энергии электронов / О.И. Лукша, П.А. Трофимов // ЖТФ. - 2019. - Т.

89, № 12. - С. 1988-1996.

[A17] Louksha, O.I. High-efficiency gyrotron with beam energy recovery / O.I. Louksha, P.A. Trofimov // Proc. 44th Int. Conf. Infrared Millim. Terahertz Waves. - Paris, France, 2019. - P. 1-2.

[A18] Louksha, O.I. Development of the gyrotron collector system with multistage energy recovery / O.I. Louksha, P.A. Trofimov / J. Phys. Conf. Series. - 2019. - N. 1236. - P. 012047.

[A19] Trofimov, P.A. Simulation of high-efficiency gyrotron with the system of multistage energy recovery / P.A. Trofimov, O.I. Louksha // ITM Web Conf. - 2019/ - V. 30. - P. 02001.

[A20] Trofimov, P.A. Development of multistage energy recovery system for gyrotrons / P.A. Trofimov, O.I. Louksha // ITM Web Conf. - 2019/ - V. 30. - P. 02002.

[A21] Лукша, О.И. Разработка коллектора с многоступенчатой рекуперацией для гиротрона / О.И. Лукша, П.А. Трофимов // Радиотехника и электроника. - Т. 65, № 8. - С. 813-819.

[A22] Лукша, О.И. Траекторный анализ в коллекторе с многоступенчатой рекуперацией энергии для прототипа гиротрона DEMO. Часть I. Идеализированное распределение магнитного поля / О.И. Лукша, П.А. Трофимов, В.Н. Мануилов, М.Ю. Глявин // ЖТФ. - 2021. - Т. 91, № 1. - С. 135-140 (в печати).