Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время перспективными в развитии и применении являются мощные генераторы когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн - электронные мазеры на циклотронном резонансе (МЦР). Данные приборы используются для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, дальней радиолокации, ускорения элементарных частиц, модификации свойств материалов и ряда других применений
Наиболее эффективной и самой распространенной разновидностью МЦР является ги-ротрон (например, [1 -4]). Основные проблемы гиротронов в высокоэнергетичных приложениях связаны с получением большой выходной мощности в длинноимпульсном и квазинепрерывном режимах работы. Высокие уровни мощности заставляют уделять пристальное внимание эффективности всей системы как при преобразовании энергии электронов в ВЧ излучение, так и при транспортировке винтового электронного потока (ВЭП) от катода до резонатора.
Важным фактором, препятствующим достижению высокого качества формируемого ВЭП и, как следствие, повышению эффективности гиротронов, являются развивающиеся в канале транспортировки пучка коллективные процессы в пространственном заряде на частотах, много меньше циклотронной (например, [5 - 15]). В спектре этих процессов можно выделить низкочастотные составляющие (f~\00 МГц), которые связаны с отражением части потока от магнитной пробки и коллективным движением электронов в ловушке между катодом и резонатором гиротрона. Для выявления путей повышения качества ВЭП необходимо детальное изучение влияния низкочастотных колебаний (НЧК) пространственного заряда на основные характеристики электронного потока и выходные параметры гиротрона, а также определение способов подавления данных паразитных колебаний. Подавление колебаний дает возможность реализовать стабильную работу гиротронов в режимах с большим питч-фактором, характеризующим отношение поперечной скорости электронов к продольной, что открывает перспективы повышения КПД таких приборов
Исследования последних лет (например, [8, 16, 17]) показали, что важным фактором, определяющим качество ВЭП, является неоднородность эмиссии с термокатода магнетрон-но-инжекторной пушки (МИП). Неоднородные поля пространственного заряда, обусловленные неоднородностью эмиссии, приводят к возрастанию скоростного разброса электронов, что, в свою очередь, может способствовать возбуждению паразитных НЧК. Кроме тополе-, -
однородное распределение плотности заряда в ВЭП приводит к возбуждению паразитных мод в резонаторе, неравномерной тепловой нагрузке на коллектор и другим паразитным эффектам, снижающим эффективность и предельные параметры гиротронов.
Недостаток сведений о характеристиках паразитных НЧ колебаний и, в частности, их связи с неоднородностями термоэлектронной эмиссии с катода, о влиянии колебаний на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротронов, а также о возможных способах управления колебаниями препятствует повышению эффективности гиротронов и достижению предельных выходных параметров таких приборов.
Целями настоящей диссертационной работы являлись определение влияния НЧ коллективных процессов в канале транспортировки пучка и особенностей термоэмиссии с катода на характеристики ВЭП и выходные параметры экспериментального импульсного гиротрона, а также изучение возможностей повышения эффективности гиротрона на основе разработанных способов подавления паразитных НЧ колебаний при оптимизации распределения электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП.
Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Разработка и реализация в экспериментальном 4-мм гиротроне комплекса слабовоз-
мущающих диагностик, обладающих высоким пространственным и временным раз
решением, которые позволяют определять:
амплитудно-частотные характеристики динамических процессов в пространственном заряде ВЭП в диапазоне частот до - 350 МГц;
пространственное распределение эмиссии с катода МИП и пространственную структуру ВЭП в коллекторной области;
разброс электронов по энергиям в коллекторной области с чувствительностью менее 1 %, необходимой для выявления влияния переменных полей, связанных с НЧ колебаниями, на энергетический разброс электронов в ВЭП
Определение влияния паразитных НЧ колебаний на распределение электронов пучка по энергиям в экспериментальном гиротроне.
Исследование неоднородностей электронной эмиссии гексаборид-лантановых и ме-таллопористых термокатодов, влияния на степень неоднородности эмиссии режимов тренировки и эксплуатации катодов
4 На основе сравнения данных, полученных при использовании различных катодов,
изучение влияния эмиссионной неоднородности на пространственную структуру ВЭП
и скоростной разброс электронов, на характеристики НЧ колебаний и на выходные параметры гиротрона
Реализация эффективных способов подавления НЧ колебаний путем оптимизации распределений электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП
С использованием разработанных способов подавления колебаний расширение зоны стабильной работы гиротрона, характеризующейся отсутствием паразитных колебаний, малым разбросом электронов по скоростям и энергиям, в область больших (более 1.5) значений питч-фактора.
Исследование возможности повышения КПД экспериментального гиротрона с достаточно однородным катодом за счет реализации режимов стабильной работы с большим питч-фактором.
Проведение подобных исследований непосредственно в сверхмощных гпротронах ме-гаваттного уровня мощности, работающих в непрерывном или длинноимпульсном режимах, как правило, затруднено Имея в виду общность основных физических процессов, происходящих на этапе формирования ВЭП в гпротронах, в качестве экспериментального прибора был выбран 4-мм гиромонотрон среднего (~ 100 кВт) уровня мощности, работающий в режиме разовых импульсов. Описанные в работе исследования проводились в постоянном контакте с разработчиками и изготовителями мощных гиротронов (ИПФ РАН, Исследовательский центр г. Карлсруэ), что позволяло оценить влияние изучаемых процессов на работу таких приборов и определить общность выявленных закономерностей
Научная новизна диссертационной работы:
Впервые реализован комплекс слабовозмущающих диагностик в экспериментальном гиротроне, позволяющих получать в условиях одного эксперимента данные об основных параметрах, характеризующих качество ВЭП
Определена количественная связь между амплитудой паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда и энергетическим разбросом электронов в ВЭП.
На основе сравнения данных, полученных для катодов с разным типом эмиссионного покрытия, выявлено влияние пространственной однородности термоэлектронной эмиссии на интенсивность и пороговые условия возбуждения паразитных колебаний, а также на выходные параметры гиротрона.
Экспериментально продемонстрирована возможность эффективного управления низкочастотными колебаниями в гиротроне за счет варьирования распределения элек-
трического поля в прикатодной области МИП и распределения магнитного поля в области компрессии ВЭП
5. В эксперименте достигнуто повышение КПД экспериментального гиротрона приблизительно в 1.3 раза по сравнению с начальным расчетным режимом при использовании разработанных методов подавления низкочастотных колебаний Практическая ценность настоящей диссертации:
1. Разработанные и опробованные в данной работе методы диагностики могут быть использованы для исследования характеристик ВЭП в гиротронах широкого диапазона параметров, а также в других устройствах с электронными потоками.
Полученные данные по влиянию степени неоднородности эмиссии катода на характеристики ВЭП и выходные параметры гиротрона могут служить основой для выработки требования к эмиттерам, используемым в устройствах гиротронного типа.
Методы подавления паразитных низкочастотных колебаний, опробованные в экспериментальном гиротроне, могут быть использованы для реализации режимов с повышенным питч-фактором и увеличения эффективности современных гиротронов различного назначения
Защищаемые положения:
1. Новые сведения, необходимые для развития представлений о закономерностях фор
мирования ВЭП и характеристиках пространственного заряда в гиротронах, могут
быть получены с помощью разработанного и реализованного комплекса слабовозму-
щающих экспериментальных методов диагностики позволяющего:
- измерять азимутальные распределения плотности тока эмитированных электронов с катода с помощью анодного анализатора;
исследовать амплитудно-частотные характеристики низкочастотных колебаний пространственного заряда с использованием широкополосного зонда, локально связанного с ВЭП, и внешней антенны,
исследовать распределение электронов ВЭП по энергиям с помощью энергоанализатора с высокой чувствительностью, дающего возможность определять энергетический разброс электронов в пучке, равный ~ 0.3 % и более.
2. Увеличение эмиссионной однородности термокатода МИП, работающего в режиме
температурного ограничения эмиссии, приводит к повышению качества формируемо
го ВЭП за счет снижения скоростного и энергетического разброса электронов в пучке,
уменьшения интенсивности паразитных низкочастотных колебаний пространственно-
го заряда, повышения порогового питч-фактора возбуждения колебаний. Влияние данного фактора на качество ВЭП имеет место при величине эмиссионной неоднородности, превышающей некоторое пороговое значение (20 - 25 % для исследованного гиротрона), которое может различаться в разных устройствах гиротронного типа.
Возбуждение паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда в ВЭП сопровождается увеличением разброса электронов по энергиям, который может достигать 3 - 4 % в режимах работы с малой амплитудой колебаний вблизи порога их возникновения
Использование методов подавления паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда, основанных на оптимизации распределения электрического и магнитного полей в области формирования ВЭП, позволяет увеличить пороговый питч-фактор возбуждения этих колебаний, что может быть использовано для повышения эффективности преобразования энергии ВЭП в электромагнитное излучение в устройствах гиротронного типа
Личный вклад автора: Автором были выполнены экспериментальные исследования, изложенные в данной диссертации, проведена обработка полученных данных Автор принимал участие в выборе направлений исследования, формулировке и постановке задач, обсуждении и интерпретации полученных результатов, в разработке, конструировании и наладке элементов экспериментальной установки.
Апробация результатов: Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции «High Energy Density and High Power RF» (Греция, 2005), «ХШ Зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике» (Саратов, 2006), Международной конференции «Strong Microwaves in Plasmas» (H Новгород, 2006), Международных конференциях «Infrared and Millimeter Waves and Terahertz Electronics» (Китай, 2006, Великобритания, 2007), Международном совещании «Joint Russian-German Meeting on ECRH and Gyrotrons» (H. Новгород - Москва, 2006), Международная конференция «ICOPS 2008, 35th IEEE International Conference on Plasma Science» (Германия, 2008). Исследования, описанные в диссертации, были поддержаны фантами Российского фонда фундаментальных исследований № 08-02-00324а, № 05-02-08024, грантом 1NTAS № 03-51-3861, грантом Правительства Санкт-Петербурга в рамках конкурса грантов для студентов и аспирантов 2008. Результаты исследований были отмечены медалью РАН для молодых ученых и студентов 2005 года
По материалам диссертации опубликовано 15 работ, список которых приведен в конце автореферата
Струїсгура диссертации: Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 127 страниц, в ней имеется 54 рисунка, 3 таблицы, список литературы включает 71 наименование.
