Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ВЫХОДНУЮ
МОЩНОСТЬ И КПД ГИРОКЛИСТРОНОВ С ПРОСТРАНСТВЕННО
РАЗВИТЫМИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ, И
СПОСОБЫ ИХ КОМПЕНСАЦИИ 21
1.1. Влияние разброса скоростей электронов на КПД гироклистрона на
второй гармонике гирочастоты 21
1.1.1 Основные уравнения, описывающие работу гироклистрона с
электронным пучком, имеющим разброс по скоростям 22
1Л .2 КПД двухрезонаторного гироклистрона с моноскоростным
электронным пучком 29
Влияние разброса скоростей на КПД в случае однородного магнитного поля в резонаторах гироклистрона 32
Компенсация влияния разброса скоростей за счет оптимизации структуры магнитного поля 35
1.2. Паразитная генерация в гироклистроне на второй гармонике
циклотронной частоты с квазиоптическим входным преобразователем ....40
Исследование характерных неустойчивостей, возникающих во входном узле гироклистрона 41
Самовозбуждение автоколебаний в выходном резонаторе гироклистрона и его подавление путем профилирования продольной структуры магнитного поля 58
1.3. Паразитная генерация в гироклистроне на основном циклотроном
резонансе 70
Исследование устойчивости входного узла гироклистрона и влияния структуры магнитного поля на стартовый ток 71
Паразитные автоколебания в электродинамической системе гироклистрона с радиальным индексом рабочего типа колебаний больше единицы 77
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОГО
ГИРОКЛИСТРОНА 8-ММ ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН НА ВТОРОЙ
ГАРМОНИКЕ ГИРОЧАСТОТЫ 86
2.1. Исследование лабораторного макета гироклистрона, работающего в
магнитном поле сверхпроводящего соленоида 87
Конструкция гироклистрона 87
Экспериментальная проверка возможности подавления паразитной генерации в выходном резонаторе путем профилирования магнитного поля 95
Экспериментальная проверка влияния разброса скоростей на КПД двухрезонаторного гироклистрона 107
2.2. Экспериментальное исследование гироклистрона, работающего в
поле постоянного магнита 111
Магнитная система гироклистрона 112
Конструкция гироклистрона 114
Экспериментальное исследование двухрезонаторного варианта гироклистрона 122
Трехрезонаторный вариант гироклистрона 126
ГЛАВА 3. МОЩНЫЙ ГИРОКЛИСТРОН 3-ММ ДИАПАЗОНА ДЛИН
ВОЛН 130
Конструкция усилителя 131
Результаты исследования двухрезонаторного гироклистрона 137
Экспериментальное исследование трехрезонаторного гироклистрона 146
3.4. Трехрезонаторный гироклистрон повышенной мощности 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 158
СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 161
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 164
Введение к работе
Актуальность темы.
Последние десятилетия характеризуются широким использованием электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн (ММДВ) в таких областях физики и техники как управляемый термоядерный синтез (УТС), обработка материалов, ускорение заряженных частиц, радиолокация и связь. По уровню выходной мощности в этом диапазоне несомненным преимуществом обладают гирорезонансные генераторы (гиротроны) и усилители (гироклистроны, гиро-ЛБВ), основанные на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических систем, которые не содержат малых, по сравнению с длиной волны, элементов [1*]. Достигнутый к настоящему времени уровень импульсной выходной мощности в миллиметровом диапазоне длин волн составляет для гиротронов порядка одного мегаватта, а для гироклистронов - сотни киловатт [2*, 3*, 4*].
Идея о возможности использования мазера на циклотронном резонансе с двумя резонаторами (МЦР-клистрона) для усиления или умножения частоты электромагнитных колебаний была высказана впервые в докладе А.В. Гапонова, А.Л. Гольденберга и В.К.Юлпатова [5*]. В 1967г. в Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) был продемонстрирован экспериментальный макет двухрезонаторного гироклистрона с КПД 70%, работавший в сантиметровом диапазоне длин волн на основном типе колебаний резонаторов ТЕщ.
В гироклистронах роль отдельных каскадов играют относительно низкодобротные цилиндрические резонаторы, разделенные запредельными для рабочего типа колебаний трубками дрейфа. Процесс усиления сигнала в гироклистроне аналогичен процессу усиления в обычном клистроне О-типа.
Во входном резонаторе энергия вращательного движения электронов модулируется высокочастотным полем входного сигнала, частота которого близка к частоте циклотронного вращения электронов или ее гармоникам. В трубке дрейфа электроны группируются по фазе вращения из-за релятивистского эффекта. Образовавшиеся при группировке сгустки поступают в выходной резонатор, возбуждая в нем ВЧ поле на частоте усиливаемого сигнала с большой амплитудой [6*, 7*]. По аналогии с пролетным клистроном, для увеличения коэффициента усиления и КПД в гироклистроне могут быть использованы промежуточные резонаторы. Воздействие ВЧ полей, возбуждаемых пучком в промежуточных резонаторах, на предварительно сгруппированный электронный поток приводит к уплотнению фазовых сгустков и росту переменной составляющей электронного тока на входе последнего резонатора [8*].
В качестве рабочих типов колебаний гироклистронов используются моды ТЕоп и TEo2i открытых цилиндрических резонаторов кругового сечения. Возбуждение во входном резонаторе колебания ТЕ0ц осуществляется одномодовым прямоугольным волноводом, связанным с резонатором системой продольных синфазных щелей [9*]. В гироклистроне с рабочим типом колебаний TE02i ввод энергии в первый резонатор производится на волне ТЕоь через волновод, проходящий через отверстие в катоде электронной пушки, с последующим ее преобразованием при помощи аксиально-симметричного рефлектора, установленного между пушкой и входным волноводом, в волну ТЕо2, возбуждающую через диафрагму связи рабочий тип колебаний ТЕ02і в первом резонаторе[10*].
В начале семидесятых годов в НИРФИ и НИИ "Исток" (г. Фрязино, Московской обл.) были сконструированы и испытаны мощные усилители 8-мм диапазона длин волн с рабочим типом колебаний резонаторов ТЕ0ц: трехрезонаторный гироклистрон непрерывного действия с выходной мощностью около 10 кВт с КПД 25% и коэффициентом усиления 30 дБ
(НИИ "Исток ) и двухрезонаторный гироклистрон с импульсной мощностью 20 кВт при КПД 25% и коэффициенте усиления 20 дБ (НИРФИ). Первая американская разработка гироклистрона была предпринята фирмой "Вариан" в 1977 г. В экспериментальном макете гироклистрона был достигнут уровень мощности 65 кВт при КПД 9%, коэффициенте усиления 40 дБ в полосе рабочих частот 0,2% [11*].
Новый этап в развитии гироусилителей связан с их применением в миллиметровой радиолокации. С конца 70х годов в НПО "Радиофизика" (г. Москва) проводилась разработка многолучевой радиолокационной системы (РЛС) ММДВ, предназначенной для одновременного обнаружения и точного определения координат нескольких целей с размерами порядка одного метра на дальностях до 1000 км. Экспериментальный вариант наземной РЛС «Руза», работавшей на частоте 34 ГГц, которая соответствует первому окну атмосферной прозрачности, был создан и успешно испытан в конце 80х - начале 90х годов [12*]. Оконечными каскадами усилительных цепочек передатчика РЛС являлись мощные гироклистроны с рабочим типом колебаний ТЕогі открытых резонаторов большого поперечного сечения, которые обеспечивали эффективное усиление сигнала при уровнях выходной мощности порядка 500-700 кВт в полосе частот 250-300 МГц [13*, 14*].
В ходе испытаний были продемонстрированы уникальные энергетические характеристики радиолокатора в сочетании с высокой разрешающей способностью. Однако, по мнению разработчиков РЛС, необходимость использования для обеспечения работы гироклистронов сверхпроводящих соленоидов, охлаждаемых в криостате до температуры жидкого гелия, представляла собой весьма существенный недостаток как с точки зрения эксплуатации станции, так и с точки зрения ее мобильности и уязвимости. Вторым существенным недостатком являлся низкий коэффициент усиления оконечного каскада усилительной цепочки
передатчика РЛС, в качестве которого использовался двухрезонаторный гироклистрон. По этой причине, в качестве предоконечного каскада усиления был использован трехрезонаторный гироклистрон с рабочим типом колебаний ТЕоп, также работавший в магнитном поле, создаваемом криомагнитом. Реализовать каскадное группирование в гироклистроне с пространственно развитой электродинамической системой не представилось возможным вследствие самовозбуждения промежуточного резонатора на рабочей моде TEo2i при очень низких значениях электронного тока.
Одно из возможных решений первой проблемы заключается в использовании в качестве выходных каскадов передатчиков РЛС гироклистронов, работающих на второй гармонике гирочастоты электронов. Однако вопрос о разработке в рамках проводимой программы создания РЛС ММДВ мощного гироклистрона на гармониках частоты циклотронного вращения электронов серьезно не обсуждался, поскольку в то время альтернативой сверхпроводящему соленоиду мог служить только обычный электромагнит, потребляющий большую мощность и требующий для обеспечения своей работы двухконтурной системы охлаждения (масляной и водяной). По этой причине интерес к гироклистронам на гармониках возник лишь в конце 90х годов в связи с появлением в России технологий создания магнитных материалов типа «неодим-железо-бор» с большой коэрцитивной силой, позволяющих получать сильные магнитные поля (до IT) в больших объемах. В ИПФ РАН по согласованию с ОАО «Радиофизика» была проведена НИР по созданию импульсного гироклистрона с выходной мощностью 300 кВт и полосой усиливаемых частот 100 МГц, работающего в постоянном магните. Гироклистрон с таким высоким уровнем выходной мощности должен иметь пространственно развитую электродинамическую систему и электронный поток с большим питч-фактором и малым разбросом скоростей электронов.
В период с 1997г. по 2000г. Военно-морской лабораторией США (Naval
Research Laboratory) проводилась разработка РЛС коротковолновой части ММДВ, которая впоследствии получила название WARLOC [15*]. РЛС WARLOC работала на частоте 94 ГГц, соответствующей второму окну атмосферной прозрачности. В качестве оконечного каскада усилительной цепочки передатчика станции использовался пятирезонаторный гироклистрон VGB-8194 SN2 с рабочим типом колебаний резонаторов ТЕ0ц, имеющий выходную импульсную мощность 100 кВт, среднюю мощность 10 кВт, КПД 31%, коэффициент усиления 33 дБ и полосу частот 700 МГц [16* -J- 20*]. Дальность действия РЛС составляет лишь 40 км (при размерах цели порядка одного метра), что обусловлено сильным затуханием излучения этого диапазона в атмосфере. Достигнутые в приборе VGB-8194 уровни импульсной и средней мощности являются, по сути дела, предельными для гироклистронов с рабочей модой ТЕ0ц. Очевидно, что дальнейшее увеличение мощности передатчика РЛС возможно лишь при использовании в качестве оконечных каскадов усилительной цепочки гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами, работающих на высших типах колебаний открытых цилиндрических резонаторов.
Можно выделить несколько наиболее важных проблем, возникающих при создании гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами (ЭДС).
Главная из них заключается в обеспечении устойчивости усилителя. В гироклистроне, работающем на основном циклотронном резонансе нарушение устойчивости, связано, в первую очередь, с самовозбуждением колебаний в области между электронной пушкой и входным резонатором, где магнитное поле слабонеоднородно [3]. В гироклистроне на второй гармонике возникает необходимость подавления не только указанной выше неустойчивости, но и автоколебаний, возбуждающихся на основной циклотронной гармонике в резонаторах и трубках дрейфа.
Вторая проблема связана с сильным влиянием на эффективность
гироклистронов разброса скоростей электронов в пучке. Для компенсации влияния скоростного разброса необходима оптимизация КПД гироусилителя путем подбора параметров электродинамической системы и продольного распределения магнитостатического поля.
Третья проблема возникает при создании гироклистрона, работающего в постоянном магните. Она связана с тем, что формирование электронного потока магнетронно-инжекторной пушкой производится в быстро нарастающем магнитном поле и носит неадиабатический характер, что негативно влияет на качество пучка.
Кроме того, в гироклистронах приходится учитывать ограничения, характерные для всех мощных СВЧ-приборов - опасность высокочастотных пробоев, проблему теплоотвода с поверхности резонаторов и коллектора электронов, трудности создания входных и выходных окон и т.д.
Поэтому, продвижение в направлении укорочения рабочей длины волны излучения, повышения выходной мощности, КПД, коэффициента усиления, расширения полосы рабочих частот и улучшения эксплуатационных свойств гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами возможно лишь в той мере, в которой указанные выше проблемы могут быть успешно разрешены.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании линейных и нелинейных режимов взаимодействия винтового электронного потока с высокочастотными полями открытых цилиндрических резонаторов в гироклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами миллиметрового диапазона длин волн, работающих на первой и второй гармониках частоты циклотронного вращения электронов. Исследования направлены на выяснение возможности реализации в гироклистронах высокоэффективных режимов усиления внешнего высокочастотного сигнала при уровне выходной импульсной мощности
порядка 300-350 кВт с коэффициентом усиления и шириной полосы рабочих частот, приемлемых с точки зрения использования этих приборов в передатчиках РЛС ММДВ нового поколения.
В рамках решения этой задачи были выполнены:
Теоретический анализ влияния разброса скоростей на КПД двухрезонаторного гироклистрона на второй гармонике гирочастоты и сравнение степени этого влияния со случаем основного циклотронного резонанса.
Теоретическое и экспериментальное исследование различных механизмов самовозбуждения паразитных автоколебаний в гироклистронах, работающих на первой и второй гармониках гирочастоты
Реализация и экспериментальное исследование двух лабораторных макетов гироклистрона с рабочее модой ТЕ0,2,і на второй гармонике гирочастоты, работавших в длинноволновой части миллиметрового диапазона и использовавших магнитные поля сверхпроводящего соленоида и постоянного магнита соответственно.
Реализация и экспериментальное исследование двух- и трёхрезонаторного вариантов лабораторного макета гироклистрона 3 мм диапазона длин волн с рабочей модой TEo,2,i.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Проведены численные расчеты КПД гироклистрона, работающего на второй гармонике гирочастоты электронов, в моноскоростном приближении и с учетом разброса электронов по скоростям. Проанализировано влияние скоростного разброса и продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия на группировку пучка. Экспериментально подтверждена возможность существенного (до двух раз) повышения
КПД гироклистрона за счет оптимизации продольной структуры магнитостатического поля.
Рассчитаны стартовые токи и частоты паразитных колебаний, возбуждающихся в гироклистронах с пространственно развитыми электродинамическими системами. Показано, что ограничение выходной мощности и КПД гироклистрона, работающего на первой гармонике циклотронной частоты электронов, обусловлено возникновением генерации в переходной области между электронной пушкой и входным резонатором. Основной причиной ограничения мощности и КПД в гироклистроне, работающем на второй гармонике гирочастоты электронов, является самовозбуждение на основном циклотронном резонансе моды, наиболее близкой по магнитному полю к рабочему типу колебаний в выходном резонаторе. Экспериментально продемонстрирована возможность существенного повышения стартового тока этой генерации за счет профилирования магнитного поля в области выходного резонатора.
Предложена конструкция трехрезонаторного гироклистрона с пространственно развитой электродинамической системой, в которой требуемая добротность промежуточного резонатора обеспечивается не только поглощением в его стенках рабочей моды, но, главным образом, излучением ее энергии из открытого конца резонатора в трубку дрейфа с хаотически-неоднородной внутренней поверхностью. На неоднородностях трубки дрейфа происходит переизлучение рабочей моды в низшие типы колебаний с последующим их высвечиванием из рабочего объема гироклистрона.
Разработан и создан лабораторный макет трехрезонаторного гироклистрона импульсного действия, работающего на второй гармонике частоты циклотронного вращения электронов в постоянном магните на основе материала «неодим-железо-бор». Постоянный магнит
обеспечивал формирование магнитостатического поля с напряженностью 0,65 Т на длине однородного участка 140 мм. В гироклистроне на частоте 32,3 ГГц была продемонстрирована пиковая мощность 300 кВт с КПД 23%, коэффициентом усиления 23 дБ в полосе частот 45 МГц. Ограничение ширины полосы рабочих частот достигнутым уровнем обусловлено, в первую очередь, высокой добротностью выходного резонатора гироклистрона. Попытка уменьшения добротности резонатора приводит к резкому падению КПД и выходной мощности.
5. Показано, что использование в гироклистронах коротковолновой части ММДВ в качестве рабочих высших типов колебаний открытых цилиндрических резонаторов большого поперечного сечения позволяет повысить выходную импульсную мощность более, чем в три раза, по сравнению со значением, достигнутым к настоящему времени в зарубежных аналогах, использующих моду ТЕ0ц. В лабораторном макете трехрезонаторного гироклистрона, работающем на первой гармонике гирочастоты электронов в сверхпроводящем соленоиде, на частоте 93,2 ГГц реализована пиковая мощность 340 кВт при КПД 24%, коэффициенте усиления 25 дБ и ширине полосы усиливаемых частот 370 МГц. Экспериментально продемонстрировано, что оптимизация продольного распределения статического магнитного поля в пространстве взаимодействия позволяет повысить КПД гироклистрона в 1,3-1,5 раза по сравнению со случаем однородного магнитного поля.
Практическая значимость и использование результатов работы.
В диссертационной работе исследованы физические процессы, определяющие основные характеристики гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами. Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут быть использованы при создании гирорезонансных усилителей большой
мощности.
Результаты работ, включенных в диссертацию, применяются в настоящее время для разработки опытных образцов гироклистронов, предназначенных для использования в качестве оконечных каскадов усилительных цепочек передатчиков РЛС ММДВ нового поколения.
Публикации и апробация результатов
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-18] и докладывались на 19, 21, 25 и 26-й международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Сендаи, Япония, 1994; Берлин, ФРГ, 1996; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001), на международной конференции по миллиметровым и субмиллиметровым волнам и их применениям (Сан Диего, США, 1994), на международной конференции «Мощные микроволновые импульсы - 3» (Сан Диего, США, 1995), на 3, 4 и 5-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» ( 1996; 1999; 2001, Н.Новгород), на 2 и 3-м всероссийских семинарах по физике микроволн ( Нижний Новгород, 1999, 2001 г.)
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объём диссертации составляет 168 страниц, включая 96 страниц основного текста, 72 рисунка, размещенных на 61 странице, и список литературы, состоящий из 69 наименований и приведенный на 8 страницах.
Краткое содержание диссертации
Во введении обосновывается актуальность темы, характеризуется состояние проблемы, формулируются цели диссертационной работы. Указана практическая значимость и новизна. Кратко излагается содержание диссертации и приводятся основные результаты работы а также положения, выносимые на защиту.
- п _
В главе 1 исследуются основные факторы, ограничивающие выходную мощность и КПД гироклистронов с пространственно развитыми электродинамическими системами.
Параграф 1.1 посвящен численному исследованию влияния разброса скоростей на КПД двухрезонаторного гироклистрона, работающего на второй гармонике частоты циклотронного уравнения электронов. Расчеты проводились с использованием известных нелинейных уравнений [8*], описывающих взаимодействие винтового электронного потока, имеющего скоростной разброс, с высокочастотными полями резонаторов гироусилителя. В уравнениях значения безразмерных параметров были определены в точке, соответствующей максимуму функции распределения электронов по скоростям их вращательного движения, а разброс по скоростям и питч-фактор пучка (отношение вращательной скорости электронов к поступательной, определенное в максимуме функции распределения электронов по скоростям) являются независимыми параметрами интегрирования. Приводятся результаты численных расчетов КПД и оптимального угла пролета электронов в выходном резонаторе гироклистрона, полученные в моноскоростном приближении. Показано, что максимальный КПД гироклистрона реализуется на границе устойчивости рабочего типа колебаний в выходном резонаторе.
Влияние разброса скоростей электронов на КПД исследовалось в условиях однородного и ступенчатого распределения магнитного поля в пространстве взаимодействия. В последнем случае величина магнитного поля в области трубки дрейфа подбирается таким образом, что электроны пучка группируются в синхронном режиме (частота модулирующего сигнала совпадает с частотой второй циклотронной гармоники и, соответственно, угол пролета электронов через участок дрейфа близок к нулю), а отбор энергии у сгруппированного пучка в выходном резонаторе производится при меньшем по сравнению с областью дрейфа, значении
напряженности магнитного поля (т.е. при существенно положительном угле
пролета электронов). При этих условиях электронные сгустки,
соответствующие различным скоростным фракциям пучка, попадают в тормозящую фазу высокочастотного поля выходного резонатора и отдают ему свою энергию. Проведено сравнение влияния скоростного разброса на КПД гироклистрона, работающего на первой и второй гармониках гирочастоты электронов.
В параграфе 1.2 на важном примере импульсного гироклистрона на второй гармонике циклотронной частоты электронов с рабочим типом колебания TEo2i и дифракционным вводом энергии детально изучаются различные типы паразитных автоколебаний в пространственно развитой электродинамической системе. Исследуется самовозбуждение паразитных автоколебаний, возбуждающихся во входной секции гироклистрона. Из сравнения дисперсионных характеристик волн ТЕ0і, ТЕ2і на первой гармонике и волн ТЕог, ТЕ22 на второй гармонике в коническом входном волноводе и входном резонаторе показано, что наибольшую опасность представляют паразитные моды на первой гармонике гирочастоты. Приводятся результаты численного исследования самовозбуждения колебаний во входной секции.
Приводятся результаты численных расчетов стартовых токов рабочего и ближайших паразитных типов колебаний в выходном резонаторе гироклистрона при различных продольных распределениях магнитного поля: а) однородное магнитное поле, б) плавно спадающее поле криомагнита, в) поле криомагнита, скорректированное при помощи цилиндрического магнитного экрана. Показано, что в резонаторе наиболее опасной является паразитная мода ТЕ2ц, возбуждающаяся на основном циклотронном резонансе. Низкий стартовый ток этой моды обусловлен сильной связью и большой длиной ее взаимодействия с пучком. Использование ступенчатой коррекции магнитного поля (случай б)
позволяет сократить эффективную длину взаимодействия паразитной моды и повысить ее стартовый ток.
В параграфе 1.3 исследуется самовозбуждение колебаний в гироклистроне, работающем на основной циклотронной гармонике. Приводятся результаты расчетов стартовых токов и частоты паразитных автоколебаний, возбуждающихся на моде ТЕ22 в области перед входным резонатором гироклистрона, где магнитное поле слабонеоднородно. Рассматривается самовозбуждение электродинамической системы гироклистрона за счет обратной связи, возникающей вследствие трансформации моды с радиальным индексом больше единицы на неоднородностях резонаторов, в распространяющуюся в трубке дрейфа волну низшего типа. Приводятся аналитические формулы для оценки стартового тока такой генерации и разноса зон по магнитному полю, соответствующих различным значениям фазовой длины петли «усилитель -обратная связь». Расчетные данные подтверждены результатами экспериментального исследования гироклистрона 8-мм диапазона с рабочей модой ТЕо2ь в котором были искусственно созданы условия для возникновения такой генерации.
Похожие диссертации на Гироклистроны диапазона миллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами
