Гиротроны для технологических комплексов и диагностических систем Глявин Михаил Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

Экспериментальное исследование факторов, влияющих на КПД гиротронов 33

1 Влияние однородности эмиссии катода на КПД гиротрона и диагностика качества катодов по вольт-амперной характеристике 33

2 Особенности взаимодействия мод при генерации на рабочих модах высокого порядка 61

3 Влияние СВЧ мощности, отраженной от элементов электродинамической системы, и нестабильности напряжения на КПД и спектр выходного излучения гиротронов 88

Высокоэффективные гироприборы с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка

1 Особенности рекуперации в гироприборах 110

2 Экспериментальное исследование энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротрона 116

3 Гиротрон на первой гармонике гирочастоты с рекуперацией остаточной энергии электронов 133

4 Технологический гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией энергии 139

5 Повышение КПД гиро-ЛОВ за счет использования коллектора с рекуперацией. 147

Разработка и экспериментальное исследование гиротронов для микроволновых технологий 153

1 Комплексы микроволновой обработки материалов на базе гирприборов

Гиротрон на первой гармонике гирочастоты для технологического микроволнового комплекса 164

Гиротроны на второй гармонике гирочастоты для задач микроволновой обработки материалов 167

Технологический гиротрон с низким рабочим напряжением 177

Субмиллиметровые гиротроны для диагностических приложений 193

Непрерывный субмиллиметровый гиротрон с рабочей модой высокого порядка 194

Гиротрон с приосевым электронным пучком и магнитной системой на основе постоянных магнитов 202

Перспективы генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах на третьей гармонике гирочастоты 229

Численное моделирование плавной широкополосной перестройки частоты в коаксиальном гиротроне с подвижным внутренним стержнем 243

Гиротрон терагерцового диапазона частот с импульсным соленоидом 258

Заключение 279

Цитированная литература 281

Список публикаций автора по теме диссертации

• Особенности взаимодействия мод при генерации на рабочих модах высокого порядка
• Экспериментальное исследование энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротрона
• Технологический гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией энергии
• Гиротроны на второй гармонике гирочастоты для задач микроволновой обработки материалов

Введение к работе

Актуальность темы

Последние десятилетия характеризуются широким использованием электровакуумных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн в различных областях физики и техники [1]. По уровню выходной мощности в этом диапазоне несомненное лидерство принадлежит гирорезонансным генераторам (гиротроны, гиро-ЛОВ) и усилителям (гироклистроны, гиро-ЛБВ), основанным на взаимодействии винтового потока электронов с высокочастотными полями электродинамических систем, не содержащих малых, по сравнению с длиной волны, элементов (см, например, обзоры [2,3]). Последнее обстоятельство позволяет избежать минитюаризации пространства взаимодействия и относительно просто реализовать системы с большой запасенной энергией активной среды (электронный пучок) и приемлемыми тепловыми нагрузками на элементы прибора. Несмотря на значительные успехи в развитии гиротронов, достигнутые за время исследований, проблемы повышения КПД гиротронов и освоение гиротронами субмиллиметрового диапазона длин волн продолжают оставаться актуальными.

В настоящий момент можно выделить три основных области использования гироприборов [1]:

управляемый термоядерный синтез (УТС);

микроволновая обработка материалов;

спектроскопия и диагностика различных сред.

Для нагрева плазмы и управления током в установках УТС, сегодня, как правило, требуются гиротроны, работающие на частотах 110-170 ГГц в квазинепрерывном (с длительностью импульса в десятки минут) режиме генерации при выходной мощности порядка одного мегаватта с тенденцией к дальнейшему повышению, по крайней мере, до 1.5-2МВт [4.5]. Разработка таких гиротронов базируется на комплексном решении широкого набора физических и технических задач, включающих формирование мощных винтовых электронных пучков с достаточно высокой долей вращательной энергии частиц и приемлемым разбросом их скоростей [6,7], обеспечение селективного возбуждения мод высокого порядка в цилиндрическом резонаторе [8,9], эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок [10,11], создание коллекторных систем и выходных окон с допустимыми при существующих методах охлаждения тепловыми нагрузками [12-16]. Магнитные поля гиротронов для УТС создаются криомагнитными системами. В совокупности, все вышеперечисленное делает эти гиротронные комплексы чрезвычайно сложными и дорогостоящими.

Другая, все более расширяющаяся, область применения гиротронов связана с их использованием для процессов микроволновой обработки материалов

[1,А45]. Мелкозернистая структура, необходимая для реализации поликристаллических материалов высокой прочности, может быть получена спеканием нанометровых порошков в условиях микроволнового нагрева. Основными особенностями этого метода являются: возможность объемного нагрева диэлектриков; уменьшение времени технологических процессов; возможность локального нагрева сфокусированными волновыми пучками и уменьшение масштаба температурной неоднородности при снижении длины волны излучения.

Гиротроны, разрабатываемые для технологических комплексов микроволновой обработки материалов, должны сочетать в себе возможность долговременной (до нескольких сотен часов) работы с высоким КПД в непрерывном режиме генерации с надежной и дешевой конструкцией и быстрым управлением выходной мощностью в широких пределах. Желание упростить и удешевить технологические комплексы привело к тому, что магнитные системы технологических гиротронов, как правило, строятся на основе "теплых" соленоидов с водяным или масляным охлаждением. Естественно, что с целью снижения энергопотребления соленоида размер его рабочего пространства требуется минимизировать, что, в свою очередь, вызывает необходимость миниатюризации всех элементов гиротрона. На современном этапе лабораторных исследований с использованием относительно небольших объемов вещества требуемая выходная мощность составляет несколько киловатт. При переходе к промышленному использованию подобных систем, скорее всего, потребуется увеличение выходной мощности до десятков киловатт. Дальнейшее повышение мощности вызовет существенное усложнение источников питания и систем охлаждения.

Для снижения энергопотребления магнитной системой технологические гиротроны разрабатываются для работы на второй гармонике гирочастоты (т.е. при вдвое меньшем магнитном поле по сравнению с работой на основном циклотронном резонансе), однако реализация гиротронов на гармониках гирочастоты затрудняется существенно меньшей устойчивостью генерации рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод, во многом из-за подавления высших гармоник более низкими [8,17]. Совершенствование технологических комплексов на основе гироприборов требует, в первую очередь, реализации устойчивых режимов одномодовой генерации на гармониках гирочастоты с высоким КПД.

Третья, активно развивающаяся область применения гиротронов связана с их использованием для задач спектроскопии и диагностики различных сред, создания систем связи и мониторинга окружающей среды. Высокочастотные гиротроны востребованы рядом современных научных направлений, нуждающихся в источниках субмиллиметрового излучения вплоть до терагерцового диапазона частот [1,18]. Терагерцовые волны сочетают в себе

свойства своих "соседей". Они, как радиоволны, обладают большой проникающей способностью, и, в тоже время, излучение этого диапазона легко фокусируется, подобно инфракрасному излучению. Терагерцовое излучение является неионизирующим. Неорганические и органические молекулы ряда веществ имеют собственные частоты в терагерцовом диапазоне и в этом же диапазоне лежат энергии водородных связей, что открывает возможности как для диагностики, так и для селективного воздействия излучения на вещество. Особо привлекательна возможность использования терагерцового излучения в биологии и медицине. Терагерцовые волны проникают в живые ткани, не причиняя вреда, а возможность фокусировки позволяет намного повысить разрешающую способность медицинских приборов, что, в свою очередь, может принципиально изменить диагностику многих заболеваний. Помимо медицины, терагерцевое излучение может найти широкое применение в системах радиовидения, например, для распознавания взрывчатых веществ.

В субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах, несмотря на несколько успешных реализаций [19-21], гиротроны применяются значительно реже, чем уникальные и значительно более сложные лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), для работы которых требуются на один-два порядка более высокие энергии частиц [22]. Слабая распространенность, несмотря на востребованность, гиротронов в терагерцовом диапазоне связана, в частности, с необходимостью использования в них очень сильных магнитных полей, создаваемых, как правило, дорогими криомагнитными системами, а также с трудностями обеспечения высокоэффективной одномодовой генерации при работе в субмиллиметровом и терагерцовом диапазонах при меньших магнитных полях в режиме циклотронного резонанса на высоких циклотронных гармониках [23,24]. Для одномодовой генерации на высоких гармониках требуется разработка методов селекции рабочего типа колебаний в условиях конкуренции мод [25].

Для освоения субмиллиметрового диапазона длин волн предлагается использовать гиротроны с импульсными соленоидами, создающими достаточно сильные магнитные поля, а для реализации непрерывных источников предлагаются различные варианты гиротронов на гармониках гирочастоты.

Настоящая работа посвящена решению актуальной проблемы современной физической электроники - исследованию взаимодействия винтовых электронных потоков с высокочастотными полями цилиндрических резонаторов с целью получению устойчивой одномодовой генерации с высоким КПД. Применяемые, а также предлагаемые, подходы к решению поставленной задачи являются общими для гироприборов, а результаты экспериментальных исследований использовались при разработке гиротронов для микроволновых технологий и диагностических систем.

Цель исследования

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в гиротронах направленное на:

1. Разработку и реализацию методов, позволяющих увеличить КПД
гироприборов;

1. Создание высокоэффективных гиротронов киловаттного уровня мощности, работающих в диапазоне частот 24-30 ГГц, для использования в комплексах микроволновой обработки материалов;

2. Установление возможности генерации субмиллиметрового излучения в гиротронах на гармониках гирочастоты;

3. Выявление возможностей создания сильных магнитных полей в объемах, достаточных для размещения электродинамических систем субмиллиметровых гиротронов на основном циклотронном резонансе, и реализацию источников терагерцового диапазона длин волн киловаттного уровня мощности.

Научная новизна результатов исследования

В настоящей работе впервые теоретически и экспериментально решен ряд задач фундаментального характера, относящихся к проблеме создания высокоэффективных источников мощного микроволнового излучения.

Получена рекордная по длине волны для гиротронов генерация СВЧ излучения в терагерцовом диапазоне на киловаттном уровне мощности в компактном приборе с импульсным соленоидом, обеспечивающем магнитные поля до 50 Т.

Получены рекордные значения КПД в гиротроне на второй гармонике гирочастоты (свыше 50% без рекуперации и 60% при одноступенчатой рекуперации энергии электронов).

Разработан и реализован анализатор энергетического разброса электронов в коллекторной области гироприборов. Впервые экспериментально получены энергетические спектры электронного потока в коллекторной области гироприборов.

Достигнуто значительное повышение КПД в гиротронах с рекуперацией остаточной энергии электронного пучка - с 45-50% до 60-65%. Разработана и испытана гиро-ЛОВ с рекуперацией энергии, позволившая реализовать повышение КПД с 15% (относительно низкий КПД в приборе без рекуперации энергии обусловлен большей чувствительностью к разбросу скоростей электронов) до 22%.

Исследовано влияние отраженного от элементов электродинамического тракта сигнала на режим генерации гиротрона и выработаны критерии согласования элементов СВЧ тракта.

Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения в гиротроне на второй гармонике циклотронной частоты

рабочих мод высокого порядка. В непрерывном гиротроне на второй гармонике с развитым пространством взаимодействия получена генерация на частоте 250 ГГц с мощностью 0.9 кВт.

Разработан, изготовлен и испытан гиротрон на 3-5 гармониках гирочастоты с приосевым электронным пучком, работающий при напряжениях 30-40 кВ и использующий магнитную систему на постоянных магнитах.

Разработан проект гиротрона с рекордно низким рабочим напряжением около 5кВ и неадиабатической электронной пушкой, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом.

Практическая значимость и использование результатов работы.

В диссертационной работе даны практически важные рекомендации по созданию гиротронов для технологических комплексов и диагностических систем. Созданы работающие установки для микроволновой обработки материалов. Проведенные исследования и выработанные рекомендации имеют общий характер и могут применяться при создании высокоэффективных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового излучения.

Результаты работ, составивших основу диссертации, используются в ИПФ РАН, ЗАО НПП ГИКОМ и Центре по разработке приборов дальнего инфракрасного диапазона университета г.Фукуи, (FIR FU, Япония) при разработке гиротронов для микроволновой обработки материалов, диагностики плазмы и спектроскопии.

Апробация результатов

Основные результаты работы опубликованы в работах [А1-А69] и докладывались на научных семинарах ИПФ РАН (1989-2006), на 19, 21, 22, 24, 25, 26, 28, 29-й международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Сендай, Япония, 1994; Берлин, ФРГ, 1996; Винтегриин, США, 1997; Монтерей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Отсу, Япония, 2003;), на совместных 29 и 12, 30 и 13, 31 и 14, 32 и 15, 33 и 16-ой международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам и международных конференциях по терагерцовой электронике (Карлсруэ, Германия, 2004; Виллиамсбург, США, 2005; Шанхай, Китай, 2006, Кардифф, Великобритания, 2007, Пасадена, США, 2008), на 12, 13, 15-ой международных конференциях по мощным пучкам частиц (Хайфа, Израиль, 1998; Нагаока, Япония, 2000; Санкт-Петербург, Россия, 2004), на 2, 4, 5 и 6-й международных рабочих встречах «Мощные микроволны в плазме» (1993; 1999; 2002; 2005; Н.Новгород, на международном совещании по мазерам на циклотронном резонансе и

гиротронам (1998, Маале-Хашима, Израиль), на 4, 5, 6-ом международных симпозиумах по физике и технике микроволнового, миллиметрового и субмиллиметрового излучения (2001; 2004; 2007, Харьков, Украина), на международном симпозиуме по созданию новых материалов с использованием источников электромагнитного излучения (2004, Осака, Япония), на 4-ом мировом конгрессе по использованию микроволн и радиочастот (2004, Аустин, США), на 4 и 5-ом международных симпозиумах по микроволновым исследованиям и их применениям в смежных областях науки (2004, Такаматсу; 2005, Цукуба, Япония), на 6 и 7 международных конференциях по технологиям интенсивных электронных потоков (2000; 2003, Варна, Болгария), на 4 и 8-ой международных конференциях по вакуумной электронике (2003, Сеул, Корея; 2007, Китакушу, Япония), на 10 международной конференции во вакуумной электронике (2004, Гармиш, Германия), на международной конференции по физике плазмы (2007, Альбукерк, США), на 1 и 2-ом международных совещаниях по технологиям далекого инфракрасного диапазона (1999, 2001, Фукуи, Япония), на Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (2005; 2007 Н.Новгород).

Публикации

По теме диссертации опубликована 191 работа: 27 статей опубликовано в зарубежных научных журналах; 19 статей изданы в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов; 3 статьи в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК; 16 статей размещены в тематических сборниках научных трудов; 33 статьи в сборниках трудов конференций, 93 работы являются тезисами докладов на конференциях. После защиты кандидатской диссертации опубликовано 152 работы (1999 год и позже).

Личный вклад автора в выполненные работы

Будучи ведущим исполнителем или руководителем представленных работ, соискатель является полноправным соавтором представленных публикаций. Автор активно участвовал в создании измерительных и вычислительных методик, численном моделировании, конструировании приборов, а также в полном объеме в осуществлении экспериментов, в обработке и анализе полученных данных, в подготовке текста публикаций. Значительное число соавторов обусловлено масштабом выполнявшихся работ с большим числом участников разработок и проведением экспериментов со сложными аппаратурными комплексами, включавшими в свой состав специально разрабатываемые источники питания, программное обеспечение и т.п.

Автору совместно с А.Г.Лучининым принадлежит идея использования

пакетированной конструкции для гиротрона терагерцового диапазона и намотки соленоида композитным кабелем, позволившим повысить механическую прочность соленоида.

Диссертантом разработана методика оценки эмиссионной неоднородности катода гиротрона в процессе эксплуатации прибора и создан комплекс экспресс-диагностики катодов по вольт-амперной характеристике (ВАХ).

Создан анализатор энергетического спектра электронов, предложенный А.Л.Гольденбергом, и выполнено экспериментальное исследование энергетических спектров электронных потоков в коллекторной области гиротрона.

Совместно с А.Л.Гольденбергом и В.Н.Мануиловым предложена неадиабатическая электронная пушка нового типа, позволяющая формировать трубчатый электронный пучок с высокой долей вращательной энергии электронов и разбросом скоростей существенно ниже (примерно вдвое), чем в традиционных магнетронно-инжекторных пушках (МИП) гиротронов.

Алгоритмы оптимизации магнитного поля и профиля резонатора с целью повышения КПД сформулированы и реализованы в ходе экспериментального исследования гиротронов при участии автора. Автором разработан и испытан технологический гиротрон с рекуперацией остаточной энергии электронов, что позволило реализовать рекордные значения КПД.

При участии автора разработана методика последовательного расчета сценария выхода на стационарный режим генерации на фронте импульса ускоряющего напряжения [А6] и методика учета влияния отраженного сигнала на режим работы гиротрона [А9].

В большей части опубликованных работ вклад автора диссертации состоял в постановке задачи, теоретических расчетах, планировании эксперимента, обработке результатов, анализе и интерпретации полученных данных, формулировке научных положений, подготовке текста публикаций. В представленном списке публикаций это в полной мере относится к [A3, А8, А12, А14, А15, А21-А23, А28, А31, А32, А34, А35, А53, А54, А57-А60]. В работах [A3 О, А31, А42, А43, А66] вклад автора был определяющим в части разработки и исследования гиротронов, в работах [А1, А4, А7, А40, А44, А56] автором выполнялась вся экспериментальная часть. Работы [А2, А5, А18] выполнены соискателем без соавторов. В теоретических работах [А6, А9, А10, А13, А16, А17, А65] автором выполнены постановка задачи, большая часть расчетов и подготовка текста публикаций. Значительное число работ выполнено в рамках сотрудничества между ИПФ РАН и FIR FU (Научный центр по разработке приборов далекого инфракрасного диапазона, Фукуи, Япония). При этом в части работ [А25, A3 8, А48, А64], вклад автора был определяющим и состоял, в основном, в проведении теоретического исследования разрабатываемых приборов, а несколько работ посвящены экспериментам с участием автора

диссертации на совместно разработанных установках [А28, А37, А47]. Вклад автора в обзоры [А26, А27, АЗЗ, А45, А46, А67] состоит в предоставлении данных о полученных автором экспериментальных результатах и участии в подготовке текста публикации. Все остальные работы из списка публикаций [All, А19, А20, А24, А36, А41, А49-А52, А55, А61-А63] выполнены в соавторстве с сотрудниками, аспирантами и студентами Института прикладной физики, других отечественных и зарубежных научных центров и институтов. При этом вклад соавторов в опубликованных результатах можно считать равноправным.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Генерация СВЧ излучения терагерцового диапазона на киловаттном
уровне мощности реализуется в компактной установке на основе гиротрона с
импульсным соленоидом.

4. В гиротронах на второй гармонике гирочастоты на основе дешевых "теплых" соленоидов с низким энергопотреблением, оптимизация продольного распределения магнитного и высокочастотного (ВЧ) полей позволяет достигать КПД выше 50% (без рекуперации остаточной энергии электронов) и 60% при одноступенчатой рекуперации.

5. Изменение эмиссионной неоднородности катода в процессе эксплуатации прибора позволяет судить о качестве катода и параметрах, непосредственно влияющих на КПД.

6. Экспериментально полученные энергетические спектры электронного потока в коллекторной области гиротронов подтверждают, что в режиме с максимальным КПД на первой гармонике в пучке отсутствуют электроны с энергией меньшей, чем 20-30% их первичной энергии, что позволяет существенно повысить КПД в гиротронах с простейшей одноступенчатой системой рекуперации энергии за счет увеличения тормозящего потенциала коллектора. Разработанные с учетом экспериментальных данных расчетные модели позволяют создать коллекторы с разделением электронного потока на энергетические фракции и многоступенчатой рекуперацией энергии.

7. В режиме низких рабочих напряжений (при энергиях электронов порядка 1% от энергии покоя электронов) использование неадиабатической электронной оптики, работающей в режиме ограничения тока пространственным зарядом, позволяет сформировать электронные потоки высокой однородности, что, в свою очередь, дает возможность увеличить долю поперечной энергии электронов.

8. Токи, при которых в гиротроне устанавливается автомодуляционный или стохастический режим генерации, в присутствии отраженного сигнала существенно снижаются, а в режиме стационарных

колебаний эффективность генерации падает даже при возвращении в резонатор отраженного сигнала на уровне в несколько процентов. Наличие отраженного сигнала способно существенно менять зоны генерации мод и состав спектра выходного излучения.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы (311 названий) и списка авторских публикаций (191 пункт). Общий объем диссертации составляет 319 страниц.

Особенности взаимодействия мод при генерации на рабочих модах высокого порядка

Взаимодействие электронного пучка с высокочастотным (ВЧ) полем происходит в резонаторе, находящемся в области однородного участка магнитного поля, создаваемого магнитной системой на основе соленоида или постоянного магнита. Высокочастотное излучение с частотой со генеририруется или усиливается благодаря группировке электронов в такой фазе их вращения в магнитном поле, в которой это движение тормозится высокочастотным полем, отбирающем часть вращательной энергии электронов [21-25]. Группировка электронов в гироприборах основана на релятивистской зависимости циклотронной еНс частоты электронов а н = от их энергии S , что приводит к в увеличению частоты вращения электронов, теряющих свою энергию, и, напротив, к замедлению вращения электронов, приобретающих дополнительную энергию. Управляя расстройкой между частотой вращения электронов и частотой излучения, можно обеспечить группировку электронов, движущихся с разными скоростями вращения, в тормозящей фазе высокочастотного поля.

Резонатор возбуждается на n-ой гармонике одной из собственных мод круглого волновода ТЕтр, удовлетворяющих условию синхронизма т - &,Уц = псои (здесь vy - продольная относительно ведущего магнитного поля скорость электронов, - продольное волновое число электромагнитной волны). В области взаимодействия кп - 0, а »А ц и благодаря этому гиротрон обладает малой чувствительностью к разбросу продольных скоростей электронов. В принципе, рабочая мода может быть очень высокой с т,р » 1 при условии обеспечения селективного возбуждения данного типа колебаний. Этим снижаются обычные для других приборов ограничения на размеры электронного пучка и резонатора и обеспечиваются уникальные возможности для генерации гиротроиами высокой выходной мощности на коротких длинах волн.

Из резонатора излучение выводится в виде волны ТЕтр , сохраняющей поперечную структуру рабочей моды. Электронный пучок после взаимодействия с высокочастотным полем осаждается на коллектор, система охлаждения которого рассчитывается с учетом допустимой тепловой нагрузки.

Основным достоинством гиротронов является возможность достижения высокого уровня мощности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн [26-31]. Работа на высоком уровне мощности требует развитого пространства взаимодействия [32], однако при этом возникает необходимость селективного возбуждения рабочего типа колебаний, т.е проблема конкуренции мод в сверхразмерных резонаторах, представляющих собой систему с числом степеней свободы, равным количеству возбуждаемых мод. Исследованию таких систем и анализу основных эффектов -конкуренция мод, затягивание частоты, принудительная синхронизация, биения - посвящено большое число работ, в том числе и по гиротронам (см., например, [33-47]). Одной из задач диссертации являось исследование нелинейных процессов в энергообмена между электронным пучком и высокочастотным полем и определение областей в пространстве параметров, в которых имеет место устойчивая одномодовая генерация с высоким КПД. Адекватный анализ одновременного возбуждения многих мод и их взаимодействия в гиротронах выходит за рамки стационарной теории. Только при нестационарном подходе можно определить характеристики установившегося режима генерации (если он реализуется).

Как следует из анализа основных упрощенных моделей, многомодовость в МЦР может приводить к нестабильности или срыву генерации на рабочей моде, многочастотной генерации с примесью паразитных мод или излучению только паразитных колебаний [43-45]. Для обеспечения одномодовой генерации в МЦР применяются методы электродинамической и электронной селекции [46,47]. Первые используют снижение добротности паразитных мод или изменении плотности спектра мод вблизи рабочего типа колебаний (путем использования гофрированных, коаксиальных, двухзеркальных резонаторов и др.) Электронная селекция опирается на то обстоятельство, что электронный поток по разному взаимодействует с модами, отличающимися друг от друга эффективным объемом, продольной и поперечной структурой поля. Таким образом, ответ на вопрос о возможности одномодовой генерации рабочей моды с высоким КПД, связан с обеспечением эффективной селекции рабочего типа колебаний.

Экспериментальное исследование энергетических спектров электронного потока в коллекторной области гиротрона

Одной из основных задач СВЧ электроники является формирование электронных пучков с заданными свойствами - рабочей среды всех электронных приборов. Как уже отмечалось выше, магнетронно-инжекторные пушки гиротронов формируют потоки электронов с малым разбросом энергий, но неизбежным разбросом вращательных и поступательных скоростей. В ходе исследования гиротронов было показано, что стартовый ток гиротрона слабо зависит от конкретного вида функции распределения электронов по скоростям, а существенна величина скоростного разброса. Вид функции распределения оказывает большее влияние на КПД гироприборов, но и в этом случае определяющим фактором является величина скоростного

Можно утверждать, что основные погрешности при расчетах КПД гиротронов в настоящее время связаны с точностью задания исходных параметров электронного пучка. Как известно, принято характеризовать качество электронного пучка инвариантным по всей траектории относительным разбросом вращательных (осцилляторных) скоростей S v L . Для расчета гиротронов и интерпретации результатов измерения их выходной мощности и КПД ранее разброс скоростей не учитывался или использовалась аппроксимация распределения электронов по осцилляторным скоростям симметричной гауссовой функцией распределения [63]. В то же время, в работах [83,84] было показано, что с увеличением рабочего тока (что особенно актуально в мощных гиротронах с рабочим током в десятки ампер) или при нарушениях аксиальной симметрии (перекосы катода при установке или неоднородность эмиссии) функция распределения электронов по осцилляторным скоростям становится существенно несимметричной. Для расчета КПД можно использовать и экспериментальные данные о неоднородности электронного пучка [A3 8]. Данные о реальном распределении электронов по скоростям могут быть получены на основании метода торможения электронов электрическим полем [85], который позволяет найти распределение поступательных скоростей, а затем в предположении моноэнергетичности пучка и их осцилляторные скорости. Анализатор [85,62] и исследуемая электронная пушка изображены на рис. 1.1. Диафрагма 6 с секторным вырезом служит для удаления электронов, отраженных от тормозящей сетки. Эта диафрагма, однако, не перехватывает электроны, отраженные от магнитной пробки, располагающейся в области нарастающего магнитного поля. Таким образом измеряются параметры пучка в присутствии отраженных электронов, что, как правило, имеет место в рабочих режимах мощных гиротронов. Ослабление потока отраженных от магнитной пробки электронов может быть достигнуто установкой диафрагмы 7 в области поля существенно меньшего В0 (примерно /2 ). В этом случае электроны, отраженные от магнитной пробки оказываются после азимутального дрейфа в скрещенных полях над другой частью эмиттера и не влияют на первичные электроны. В прикатодиой области электроны вновь отражаются в сторону коллектора и после еще одного поворота в скрещенных полях по крайне мере частично перехватываются диафрагмой. Согласно оценкам, в этом случае их влияние на характеристики исходного пучка становится пренебрежимо малым.

Из уравнений поля и уравнения движения электронов при обычных для расчетов гиротронов предположениях о том, что электронный пучок является слаборелятивистским и моноэнергетическим, электроны взаимодействуют с полем только одной высокодобротной ТЕ-моды резонатора, влияние поля пространственного заряда на движение электронов не учитывается, следует, что КПД гиротрона равен

Технологический гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рекуперацией энергии

Испытания диагностического комплекса проводились на установке, предназначенной для исследования непрерывных технологических гиротронов на второй гармонике гирочастоты с длиной волны микроволнового излучения 10 мм. Рабочий режим гиротрона соответствововал магнитному полю В « 0.5 Т, току пучка I » 2А и напряжению U « 20 кВ. Измерения проводились в рабочих режимах следующим образом: при фиксированном накале подогревателя катода измерялась ВАХ гиротрона. На катод подавалось постоянное напряжение отрицательной полярности (игаах 20кВ), амплитуда которого плавно увеличивалась во времени от начального значения (минимально возможное напряжение включенного источника питания Umin« 2кВ) до максимально возможного напряжения Umax. Измерения тока и напряжения проводились через определенный пользователем интервал времени. Поскольку характерное время нестабильности напряжения Ти много больше времени между двумя измерениями сигналов АТАЦП(Ти = 107 АТАЦП ), для уменьшения ошибок, связанных со случайными выбросами тока и напряжения, проводилось усреднение сигнала по 100 точкам. Значения тока эмиссии и напряжения на катоде записывались в соответствующие буферы АЦП. При увеличении значения ускоряющего напряжения больше, чем на пороговую величину, данные заносились в память компьютера. Считанные в компьютер данные выводились на экран монитора. Полученные результаты могли быть записаны на диск для математической обработки. Вторичная обработка экспериментальных данных проводилась на PC при помощи специально разработанного пакета программ, включавшего многооконный пользовательский интерфейс, дающий возможность визуализации данных в различных координатах, программ дифференцирования табулированных функций, их сглаживания и экстраполяции.

В ходе экспериментов было исследовано 5 катодов. Один из катодов исследовался дважды, второй раз после работы и длительного перерыва, но без вскрытия на атмосферу. Идентификация катодов проводилась по номеру анодной керамики гиротронов. Гиротроны с керамикой 30-78, 30-55, 30-69(1) имели высокотемпературный (вт) LaB6 эмиттер, а 6-32 низкотемпературный (нт) металлопористый алюминатный ЗВаО0.5СаОА12О2 эмиттер. Такой же эмиттер был установлен в гиротрон 30-69(2) после вскрытия лампы для замены эмиттера. Поскольку ширина эмиттера в различных катодах не одинакова сравнение проводилось при одинаковой плотности тока j= v R h {Rk,h - средний радиус и ширина эмиттера). Типичная вольт-амперная характеристика и ее первая и вторая производные (с учетом фильтрации и сглаживания по 7 точкам) приведены на рис. 1.10.

Проверка воспроизводимости результатов осуществлялась сравнением нескольких функций распределения, полученных при фиксированном значении тока пучка. На рис. 1.11 изображены результаты 3 измерений, проведенных после выхода температуры катода на стационар, что обеспечивалось длительным временем работы при фиксированном токе накала подогревателя. Вид функции распределения сохраняется, а в единственном измерении когда вид функции несколько изменился характерная ширина удовлетворительно совпала со средним результатом по всем измерениям. Это позволяет сделать вывод о том, что точность измерений приемлема для оценок качества эмиттера. Экспериментальные данные по всем испытанным катодам сведены в таблицу 1.3. Соответствующие функции распределения для всех исследованных катодов представлены на рис. 1.12.

Основываясь на виде полученных функций распределения эффективной эмиссионной неоднородности, можно утверждать, что с ростом времени наработки катода возрастает неоднородность эмиссии (рис. 1.12а) и использование описанного метода позволяет контролировать качество изготовления катодов (рис. 1.126). В ходе экспериментов исследовалась также эволюция вида функции распределения в зависимости от максимального тока эмиссии, т.е температуры катода (рис.1.13). С ростом температуры катода неоднородность эмиссии растет.

Результаты экспериментов позволяют утверждать что предложенная методика позволяет с приемлемой точностью судить о качестве катода. Режимы генерации лампы с катодом 30-69, обладавшим наименьшей однородностью, были наименее устойчивыми и гиротрон обладал низким КПД и выходной мощностью. В тоже время очевидно, что объяснить различие в выходных характеристиках ламп только различной однородностью катодов невозможно, поскольку у ламп 30-55 и 30-78 это различие в эмиссионной неоднородности незначительно, а КПД и выходная мощность отличаются существенно. Естественно, возможной причиной различия в выходных характеристиках лампы может быть качество изготовления резонатора.

Выводы Описанная методика исследования катодов гироприборов по анализу переходного участка вольтамперной характеристики дает возможность быстрого анализа качества катодов. При этом, при наличии достаточно большого статистического материала возможно прогнозировать и максимальный КПД прибора. Простота и оперативность метода позволяют использовать его для контроля за изменением качества катода в процессе эксплуатации. При проведении комплекса измерений, включающего анализ ВАХ, исследование однородности эмиссии по поверхности катода и контроль за распределением температуры, возможно выяснить причины обнаруженной неоднородности. Исследования данным методом достаточно большого числа катодов, при контроле технологии их изготовления, позволит выработать рекомендации по технологии изготовления и активации катодов гироприборов.

Гиротроны на второй гармонике гирочастоты для задач микроволновой обработки материалов

Расчетные величины электронного КПД (эффективности передачи энергии электронов ВЧ полю) гиротрона довольно велики - около 60%. Почти такие же величины были реализованы в относительно маломощных экспериментальных приборах при использовании пушек, работавших в режиме слабого пространственного заряда с малым разбросом скоростей электронов [86,183]. Однако, КПД мощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн обычно не превышает 40%, что вызвано уменьшением доли энергии вращательного движения электронов. Возможность повышения КПД гироприборов за счет отбора энергии электронного потока, неизрасходованной при взаимодействии с ВЧ полем была отмечена на начальном этапе работ по исследованию гиротронов [184]. Интерес к практической реализации этой идеи возник лишь с середины 90-х годов и был связан с использованием гиротронов в энергетических приложениях, например, для нагрева термоядерной плазмы.

Рекуперация в традиционных мощных СВЧ-приборах используется сравнительно давно, но рекуперация в гироприборах имеет специфические особенности. В гиротронах ВЧ полю передается лишь осцилляторная энергия электронного потока, причем эффективность энергоотбора почти достигла теоретической границы. Энергия же поступательного движения электронов, необходимая для переноса заряда через резонатор, остается практически неизрасходованной. Эту остаточную энергию можно рекуперировать, создав тормозящий электростатический потенциал на коллекторе прибора. При этом тормозящее напряжение не должно превышать минимальную остаточную энергию электронов в области коллектора, чтобы не создавать отраженные от коллектора электроны. Отражение части электронов от коллектора приводит к развитию неустойчивостей электронного потока в пространстве взаимодействия, и, как следствие, к быстрому снижению выходной мощности и КПД.

В течение длительного времени возможность рекуперации ставилась под сомнение из-за неверного представления о функции распределения электронов по энергиям на выходе из пространства взаимодействия и неадекватности результатов экспериментальных проверок систем с рекуперацией. В гиротронах электронный пучок имеет существенный разброс по питч-факторам, следовательно, имеются частицы с малыми продольными скоростями. При высоком поперечном КПД есть частицы, которые отдают ВЧ полю практически всю поперечную энергию. Из этих положений делался неверный вывод о том, что электроны с большими питч-факторами отдадут ВЧ полю практически всю свою кинетическую энергию. Такие частицы существенно осложнили бы рекуперацию, в частности, сделали бы невозможной одноступенчатую рекуперацию. В действительности "медленные" частицы с большими питч-углами являются адиабатическими (совершают много синхротронных колебаний на характерном масштабе изменения ВЧ-поля) и успевают сначала отдать, а потом снова отобрать энергию у ВЧ поля при пролете через резонатор. Как будет показано далее, при определенных условиях на выходе из пространства взаимодействия медленные электроны обладают некой минимальной энергией, достаточной для эффективной рекуперации.

Первые теоретические оценки возможностей рекуперации в гиротронах были сделаны в конце 80-х годов, а первые эксперименты, подтвердившие возможность эффективной рекуперации, были проведены в Японии, JAERI [73]. В работе [70] приведены оценки полного КПД гиротрона с рекуперацией при достаточно широком энергетическом спектре электронного пучка на выходе из рабочего пространства, описаны алгоритмы численного моделирования динамики электронного потока в коллекторной области и рассмотрены возможности пространственного разделения электронов по энергетическим группам в неоднородных магнитных полях. В настоящее время подавляющее большинство мощных гиротронов для установок УТС используют схемы рекуперации остаточной энергии электронного пучка (т.н. CPD gyrotron - gyrotron with collector potential depression system) [5]. Во всех случаях используется схема без разделения электронного пучка на энергетические фракции, т.е. с однопотенциальным коллектором [73,76,78].

Согласно расчетным и экспериментальным данным, при работе на основном циклотронном резонансе в режимах оптимальных по расстройке циклотронного резонанса и токе пучка полный КПД прибора может быть увеличен примерно в полтора раза (до 60-65%), при одноступенчатой рекуперации.

Дальнейшее увеличение эффективности рекуперации энергии возможно за счет применения многоступенчатых коллекторов. Функция распределения электронов по энергиям имеет вид, близкий к несимметричной гауссовой функции, обрезанной при некоторой минимальной энергии Emin и с хвостом в области больших энергий E U0. В подобных системах во избежание отражения электронов часть тока, образованную электронами с минимальными энергиями требуется отводить на предколлектор без торможения. При этом необходима эффективная система сепарации электронов по энергиям, практически реализовать которую весьма трудно. Предполагая, что нужное пространственное разделение электронного пучка на энергетические фракции, каждая из которых тормозится коллектором соответствующего потенциала удалось осуществить, оценка для КПД имеет вид [70]: (=1 где п - число ступеней торможения, х, h I h I, и U, - ток на і_ю ступень коллектора и ее потенциал, 10- полный ток пучка, U0 - потенциал катода. При типичных для мощных коротковолновых гиротронов параметрах электронного пучка схема с двухступенчатой рекуперацией увеличивает КПД почти вдвое, при этом может быть реализован КПД 75-80% [78,185]. Известен и ряд работ по разработке и изготовлению многоступенчатых коллекторных систем (например, двухступенчатой коллекторной системы [186, А167]). На практике, однако, навряд ли могут быть реализованы коллектора с числом ступеней больше двух, из-за сложностей пространственного разделения электронного пучка на