WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ЗАПЕВАЛОВ Владимир Евгеньевич

Методы повышения эффективности одномодовой генерации Мощных гиротронов

01.04.04 - физическая электроника

А в т о Р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2008

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН

г.Нижний Новгород

Официальные оппоненты:        доктор физико-математических наук,

                               член-корреспондент РАН

Трубецков Дмитрий Иванович

                               доктор физико-математических наук,

Стрелков Павел Сергеевич

                               доктор физико-математических наук,

                               Братман Владимир Львович

Ведущая организация:        Институт радиотехники и электроники РАН, г..Москва.

       

Защита диссертации состоится 9 июня 2008 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 002. 069.02 при Институте прикладной физики РАН по адресу:603950, г.Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН по адресу:603950, г.Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

Автореферат разослан марта 2008 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор физико-математических наук,

профессор                                                Ю.В.Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации

Мощные источники когерентного электромагнитного излучения сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе вакуумных электронных приборов в последние годы все шире используются как для исследовательских (физика плазмы, ускорение элементарных частиц, плазмохимия, биология и др.), так и для прикладных (радиолокация, связь, технология, медицина и др.) целей. Поиски путей создания и повышения эффективности таких источников, техническое освоение новых диапазонов частот и новых уровней мощности всегда составляли одну из основных задач исследований [1-17]. С одной стороны, эти исследования были стимулированы прикладными потребностями, а с другой, явились закономерным этапом развития теории колебаний распределенных систем. Применительно к нелинейной оптике и электронике СВЧ одна из наиболее актуальных задач связана с возбуждением в активной среде мощных когерентных колебаний с заданной структурой электромагнитного поля [17-20].

В миллиметровом диапазоне длин волн наибольший уровень средней мощности обеспечивается гиротронами – наиболее развитой разновидностью мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) [1-16, 1а-7а]. Принципиальная возможность в указанных системах существенно увеличивать объем рабочего пространства при сохранении заданного частотного диапазона (за счет взаимодействия с незамедленными электромагнитными волнами) ставит проблему селекции и взаимодействия мод как одну из основных и наиболее актуальных [11-13, 21-27, 1а-7а].

Нахождение конкретных условий, при которых взаимодействие мод для реальных генераторов носит характер конкуренции или кооперации, представляет собой задачу, важную для перспективной разработки коротковолновых гиротронов большой мощности. Для корректного анализа взаимодействия мод совершенно очевидна и важность задачи исследования характеристик реальных винтовых электронных пучков (ВЭП) - активной среды гиротронов [7, 11-13, 28, 1а-7а]. Результаты исследования приводят к выработке требований к характеристикам систем формирования ВЭП, в том числе к особенностям систем с секционированными электронными пучками. Для повышения КПД и селекции мод представляют интерес и системы с секционированным пространством взаимодействия, где области модуляции электронного пучка и энергоотбора пространственно разделены. Вплотную к вышеупомянутым задачам исследования электронных потоков и процессов взаимодействия мод примыкает задача использования рекуперации остаточной энергии электронных потоков для повышения КПД мощных гиротронов [7, 13, 31-33].

При разработке мощных гиротронов необходимо решить ряд важных проблем [7, 13, 15, 28-33]: формирование интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом; обеспечение устойчивой, высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах; эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок, с оптимизацией его пространственного распределения; разработка надежного коллектора электронного пучка; создание выходного окна, способного передать высокочастотное излучение из гиротрона в рабочем режиме. Существенным обстоятельством является то, что ни удельные, ни интегральные тепловые нагрузки, ни в одной из подсистем гиротрона не должны превышать некоторых предельных значений, обусловленных обычно возможностями системы охлаждения. Существуют и более частные ограничения.

В связи с нарастающим использованием источников электромагнитного излучения для ряда исследовательских и прикладных задач [3, 5, 7, 13, 15, 16, 34] весьма актуальной становится проблема обеспечения доступности, удобства и других характеристик, важных для практических целей. В гиротронах, работающих на гармониках гирочастоты, снижение магнитного поля значительно упрощает конструкцию магнитной системы, а при имеющихся магнитных полях позволяет получать наиболее коротковолновое излучение. Теоретически и экспериментально было показано, что гиротрон на второй гармонике (МЦР-2) может иметь КПД на уровне лучших образцов гиротронов на основном циклотронном резонансе [7, 13, 35-37]. Реализация достоинств гиротронов на гармониках наталкивается на существенно меньшую устойчивость генерации, обусловленную конкуренцией типов колебаний, поэтому для них разработка адекватной методики экспериментального изучения взаимодействия мод и поиск эффективных методов обеспечения селекции мод имеют первостепенное значение.

Диссертационная работа посвящена решению важной научной проблемы современной физической электроники - изучение закономерностей взаимодействия винтовых электронных пучков с высокочастотными полями многомодовых резонаторов гиротронов. Эта проблема представляет значительный фундаментальный интерес, охватывая широкий круг вопросов взаимодействия и селекции мод в сверхразмерной системе с активной средой, и имеет существенное прикладное значение для разработки мощных и эффективных приборов сверхвысокочастотной электроники.

Цели диссертационной работы:

  1. Развитие теории взаимодействия мод в сверхразмерных резонаторах при магнитотормозном излучении электронов, в том числе и на гармониках циклотронной частоты и, в частности, исследование нестационарных процессов взаимодействия мод в гиротронах и нахождение условий устойчивости одномодовой генерации с высоким КПД.
  2. Разработка методики экспериментального исследования винтовых электронных пучков - активной среды гирорезонансных мазеров, особенно свойств пучков, существенных для взаимодействия мод. Проведение экспериментов с электронно-оптическими системами гиротронов и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.
  3. Развитие методики экспериментального исследования взаимодействия мод. Проведение экспериментов с гиротронами на основном гирорезонансе и гармониках циклотронной частоты и сравнение соответствующих результатов с выводами теории.
  4. Разработка методов электронной и электродинамической селекции мод, в частности, применение связанных резонаторах с трансформацией мод и многолучевых электронных потоков.
  5. Теоретическое и экспериментальное исследование гиротронов с рекуперацией.

Научная новизна

  1. Предложена и отработана методика экспериментального исследования межмодового взаимодействия в гиротронах, основанная на изучении структуры зон генерации различных мод.
  2. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном гирорезонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность циклотронных мазеров, работающих на гармониках циклотронной частоты.
  3. Предложена и реализована новая модификация методики измерения параметров винтовых электронных пучков, позволяющая оценить влияние электронов, захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом, и с помощью указанной методики исследованы электронно-оптические системы гиротронов в широком диапазоне частот. С использованием новой методики проведена оптимизация электронно-оптических систем мощных гиротронов.
  4. Экспериментально продемонстрирована возможность работы гиротронов с использованием высших пространственных мод резонатора, что позволило реализовать мегаваттный уровень мощности с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.
  5. Разработаны и экспериментально исследованы прототипы и опытно-промышленные образцы высокоэффективных мощных квазинепрерывных гиротронов, работающие на высших пространственно-развитых модах, включая гиротроны, в которых радикально повышен выходной КПД и снижена нагрузка на коллектор путем рекуперации остаточной энергии электронного пучка. В миллиметровом диапазоне (длины волн 3,6-1,7 мм) достигнута максимальная выходная мощность свыше 1 МВт при КПД до 40% без рекуперации и более 60% с рекуперацией,
  6. Предложены и исследованы многолучевые гиротроны, в которых радикально усиливается селекция мод по поперечному индексу. Предложены варианты двухлучевых электронно-оптических систем МЦР. Впервые созданы и экспериментально исследованы двухлучевые гиротроны, работающие на второй гармонике циклотронной частоты (максимальная выходная мощность около 1 МВт при КПД 25% и длине волны 12 мм).
  7. Выяснены условия, при которых существенно усиливается селекция мод и в то же время может быть реализован высокий КПД в гиротронах на связанных резонаторах с трансформацией мод.
  8. Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на 3-5-й гармониках гирочастоты, даже при умеренных ускоряющих напряжениях, при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка.
  9. Предложена и экспериментально проверена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне. Реализация этой схемы существенно улучшает характеристики коаксиального гиротрона (КПД, перестройка частоты, возможность глубокой амплитудной модуляции) без изменения его конструкции.

Практическая значимость

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

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

Личный вклад автора

Работы по теме диссертации выполнены в 1977-2007 гг. Основные результаты диссертации отражены в 72 публикациях (см. список авторских работ). Из этих публикаций 40 статей в российских рецензируемых журналах, 23 статьи в зарубежных рецензируемых журналах, 1 статья в тематическом сборнике научных работ, 6 публикаций в материалах конференций, 2 авторских свидетельства.

Работы [6а, 15а, 24а-28а, 47а] выполнены соискателем без соавторов. При выполнении всех остальных работ соискатель принимал непосредственное участие в постановке и решении теоретических задач, выполнении экспериментальных исследований, обработке экспериментальных результатов и их обсуждении. Соискателем разработана линейная и нелинейная теория процессов в связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ). Соискателем предложены многолучевые гиротроны [13а, 14а, 43а, 44а] с дополнительными активными пучками и построена теория взаимодействия этих пучков с ВЧ полем резонатора. Автор принял участие в построении теории гиротронов с дополнительными поглощающими пучками, а также в проектировании двухлучевых электронных пушек. Соискателем предложена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне [38а, 63а] Методика исследования винтовых электронных пучков с захваченными в адиабатическую ловушку электронами [55а, 56а] разработана автором совместно с Ш.Е.Цимрингом. Непосредственно соискателем или под его руководством были проведены все расчеты по процессам взаимодействия мод и эксперименты по этому направлению исследований [9а-12а, 15а, 18а, 29а, 36а, 37а, 40а, 46а-53а]. В остальных работах [1а-5а, 7а-12а, 18а-24а, 30а-35а, 39а-42а, 45а, 54а-62а, 64а-67а, 70-72а] все соавторы участвовали в равной степени.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1а-72а] и докладывались на зимних школах-семинарах по теоретической электронике СВЧ и радиофизике (Саратов, 1977, 1984, 1996, 1999, 2001, 2006гг.), Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н. Новгород, 2005, 2007), Всероссийских конференциях по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ст. Петербург 1990, 1996, 2002, 2005), Российско-Германских семинарах по гиротронам и ЭЦРН (1989-2007 гг.), Российско-Американских семинарах по гиротронам и линиям передачи (Нижний Новгород 1992г., 1998г., 2002г.), Международной университетской конференции по радиофизике и электронике сверхвысоких частот (Ст. Петербург, 1999), на 14-ой международной Крымской конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (2004, Севастополь, Украина), на Международных Харьковских симпозиумах «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (Харьков, Украина, 2001, 2004, 2007), на 1- 6-й Международных конференциях «Мощные микроволны в плазме» (1990, 1993; 1996, 1999; 2002; 2005; Н.Новгород), Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам (Лозанна, Швейцария, 1991; Пасадена, США 1992; Колчестер, Великобритания, 1993; Сендай, Япония, 1994; Орландо, США, 1995; Берлин, Германия, 1996; Винтергрин, США, 1997; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтрей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Отсу, Япония, 2003; Карлсруэ, Германия, 2004; Вильямсбург, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006гг), Международных конференциях по Электронно-циклотронному излучению (EC6 -Хэфей, КНР, 1989г.; EC10-Амеланд, Нидерланды, 1997г; EC11 - Охараи, Япония, 2000г; EC12 - Экс-эн-Прованс, Франция, 2002г, EC-13 - Нижний Новгород, 2004г, ЕC14 - Санторин, Греция 2006г.), Международных конференциях по вакуумным электронным приборам (IVEC-2002, Монтерей, США; 2002; IVEC-2004 Сеул, Корея 2004; IVEC-2005 Нордвик, Нидерланды 2005; IVEC-2007, Китакюсю, Япония, 2007), Международных конференциях по вакуумной электронике и дисплеям (Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 1995, 1998г, 2001г, 2004г.), а также на научных семинарах кафедры электроники ННГУ, МИЭМ, НИРФИ, ИПФ РАН, ИРЭ РАН, ИЯС РНЦ «Курчатовский институт», университете г.Фукуи (Япония), Исследовательском центре Карлсруэ (FZK, Германия), Японском институте атомной энергии (JAERI, Япония).

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 166 работ: 26 статей издано в зарубежных журналах; 44 статьи напечатаны в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов; 2 статьи изданы в отечественных журналах, не вошедших в список ВАК, 7 статей размещены в тематических сборниках, а 31 статья в сборниках трудов конференций, 2 работы являются авторскими свидетельствами, а 55 -тезисами докладов на конференциях.

Структура диссертации

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

Краткое содержание диссертации

Во Введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность темы и постановка задачи. Приведены основные положения, выносимые на защиту, а также дано аннотированное изложение диссертации по главам.

В первой главе теоретически исследуются процессы установления колебаний, устойчивость одномодовых и двухмодовых стационарных колебательных режимов, нестационарные двухмодовые процессы при циклотронном излучении электронов в сверхразмерных электродинамических системах.

В п. 1.1 рассмотрены главные проблемы многомодовых гиротронов. В п. 1.2 дается обзор основных результатов линейной теории гиротронов, определяющих селекцию мод на стадии самовозбуждения. Выяснены некоторые особенности зон генерации мод. Совокупность зон генерации рабочей моды и соседних мод образуют область генерации гиротрона, часто называемую модовой картой. Перекрытие зон генерации отдельных мод приводит к взаимодействию мод и изменению конфигурации зон. Искажение границ последних по сравнению с одномодовым режимом позволяет судить о характере взаимодействия мод. Соответствующий анализ возможен на основе нелинейной теории, развиваемой далее.

В п. 1.3 приводится, используемая в дальнейшем, система нелинейных уравнений, описывающих нестационарные процессы в многомодовом гиротроне. Описывается использованная в работе методика численного решения уравнений. Условия устойчивости стационарной одномодовой генерации сформулированы для случая парного взаимодействия мод.

При исследовании взаимодействия мод, синхронных с одинаковыми и разными гармониками гирочастоты, в п. 1.4 определяются области устойчивости одномодовой генерации, что особенно важно для мод на высшей гармонике гирочастоты. В п. 1.5 для гиротрона на второй гармонике циклотронной частоты рассматриваются особенности конкуренции со стороны мод, синхронных с первой гармоникой и имеющих продольную структуру типа бегущей волны. Выяснены возможности расширения области устойчивой генерации рабочей моды для этого случая.

В п. 1.6 исследуются нестационарные процессы взаимодействия мод в двухмодовом гиротроне с энергетическим взаимодействием мод. Выясняются условия, при которых имеет место конкуренция и кооперация мод. В п. 1.7 рассматриваются особенности нестационарных процессов взаимодействия мод в двухмодовом гиротроне с амплитудно-фазовым взаимодействием мод. Выяснены условия, при которых стационарная генерация рабочей моды может сопровождаться паразитным излучением на другой моде, возбуждающейся в условиях фазовой связи.

В резонаторах очень большого сечения спектр мод становится настолько густым, что взаимодействие может осуществляться для трех мод с амплитудно-фазовой связью. Обеспечение устойчивости генерации в таком гиротроне рассматривается в п. 1.8. Нарушение условий устойчивости в этом случае проявляется в спектре излучения гиротрона появлением сателлитов, характерных для амплитудной модуляции и по этой причине указанный эффект часто называют автомодуляционной неустойчивостью излучения гиротронов. Показано, что режим гиротрона оптимальный по КПД является устойчивым (как и для парного взаимодействия мод на одной и той же гармонике в п.1.4).

В п. 1.9 рассмотрены перспективные разновидности гиротронов с секционированным пространством взаимодействия, использующих в качестве электродинамической системы связанные резонаторы с трансформацией мод (СРТМ), предложенные в [38]. На рис. 1 показано продольное сечение системы СРТМ и распределение амплитуд электрического поля рабочей пары мод. Система содержит круглые открытые резонаторы 1 и 2 с одинаковыми собственными частотами на модах соответственно ТЕm,p1,1 и ТЕm,p2,1 характеризующихся совпадающими азимутальными и различными радиальными индексами. В нерегулярном волноводе 3 имеет место взаимная трансформация мод, обеспечивающая связь между резонаторами. Проанализированы пусковые режимы и режимы стационарной генерации гиротронов с СРТМ. Выяснены условия устойчивости одномодовой генерации и селекции мод в гиротронах с предварительной модуляцией пучка. Результаты теории свидетельствуют о возможности достижения в этих системах существенной селекции мод и высокого КПД.

В п. 1.10 описываются и исследуются предложенные автором многолучевые гиротроны, где к основному пучку добавляется один или несколько соосных с ним полых винтовых электронных пучков (рис. 2). В зависимости от параметров (главным образом - величин осцилляторной и дрейфовой скоростей) дополнительные пучки могут быть излучающими или выполнять функцию электронных поглотителей. Рассматриваются два варианта многолучевых гиротронов - с дополнительными излучающими и с диссипативными пучками и показывается, что в обоих случаях имеет место существенное усиление селекции мод по поперечному индексу. Рассмотрены варианты магнетронно-инжекторных электронно-оптических систем для двухлучевых гиротронов.

В п. 1.11 проанализирован ряд факторов, хотя и не приводящих к полному срыву генерации рабочей моды, но, тем не менее, оказывающих существенное влияние на процессы в резонаторе и КПД гиротрона (статический пространственный заряд ВЭП (собственное кулоновское поле пучка в резонаторе), нефиксированность ВЧ поля, циклотронная реабсорбция, скоростной и энергетический разброс ВЭП и другие). Все эти факторы должны быть учтены при сопоставлении расчетных данных с экспериментом. Рассмотрена относительная важность указанных факторов с точки зрения их влияния на КПД гиротрона.

Во второй главе описываются экспериментальные исследования мощных гиротронов миллиметрового диапазона на основном циклотронном резонансе. В п. 2.1 излагаются основные проблемы, решение которых определяет достижимые параметры мощных длинно-импульсных и непрерывных гиротронов. В п. 2.2 представлены методы и результаты экспериментальных исследований характеристик интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) для ряда гиротронов. Типичный вид магнетронно-инжекторной пушки для формирования ВЭП мощного гиротрона представлен на рис. 3 (анод снят). Развивается, предложенная автором, методика экспериментального изучения влияния электронов, отраженных от магнитной пробки и захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом. На основе полученных экспериментальных результатов анализируются возможности оптимизации интенсивных ВЭП для мощных гиротронов в разных частотных диапазонах.

В п. 2.3 описываются эксперименты с высокоэффективными гиротронами с осевым выводом ВЧ энергии на рабочей моде (см. рис. 4). Рассматриваются варианты гиротронов с модами ТЕ11.3 (83 ГГц/1 МВт)1, ТЕ15.4 (100 ГГц/0.5 МВт) и ТЕ22.6 (140 ГГц/0.5 МВт). Приведены результаты измерений зависимости выходной мощности и КПД от магнитного поля, ускоряющего напряжения и тока электронного пучка. Измерения выходной мощности выполнены калориметрическим методом. Продемонстрировано, что при наличии высококачественного винтового электронного пучка, даже при сравнительно простой конфигурации резонатора гиротрона могут быть реализованы высокие значения КПД (до 50% и выше) при уровне выходной мощности 0,5-1 МВт.

Практически во всех современных гиротронах высокого уровня мощности имеется встроенный квазиоптический преобразователь (КОП) рабочей моды в волновой пучок оптимизированной структуры [39-42]. Использование КОП позволяет пространственно разделить отработанный электронный пучок и выходное излучение, и это дает возможность независимо оптимизировать коллектор и систему вывода выходной мощности. Кроме того, снижается влияние отраженного сигнала на работу гиротрона, что особенно важно при работе на модах высоких типов. Результаты экспериментов по оптимизации гиротронов со встроенным преобразователем даются в п. 2.4. Решаются вопросы селекции колебаний, проводится анализ эффективности преобразования выходного излучения в гиротроне с модой ТЕ15.4 с частотой 110 ГГц мощностью 0,5 МВт. Результаты исследований аналогичных коротко-импульсных прототипов мощных квазинепрерывных гиротронов на модах ТЕ19.5 (110 ГГц/1 МВт), ТЕ22.6 (140 ГГц/0,5 МВт), ТЕ22.8 (140 ГГц/1 МВт), ТЕ28.7 (170 ГГц/ 1 МВт), и ТЕ25.10 (170 ГГц/1 МВт) также изложены в этом разделе. Типичный вид экспериментального макета гиротрона со встроенным преобразователем показан на рис. 5. В результате проведенных работ удалось существенно снизить долю потерь рассеянного излучения в преобразователе и повысить эффективность гиротронов.

В п. 2.5 исследуются возможности повышения КПД мощных гиротронов при использовании рекуперации. В п. 2.5.1 рассмотрены принципиальные предпосылки к отбору остаточной энергии электронного пучка в гиротронах и обсуждаются варианты схем рекуперации. Экспериментальное исследование функции распределения электронов по энергиям на коллекторе в рабочем режиме генерации коротко-импульсного гиротрона излагается в п. 2.5.2. Методика и результаты экспериментального исследования рекуперации в 110-170 ГГц гиротронах миллиметрового диапазона приведены в п. 2.5.3. На рис. 6 приведены измеренные зависимости выходной мощности 110 ГГц гиротрона с рабочей модой ТЕ19.5  от тормозящего напряжения на коллекторе, пунктиром показана теоретическая оценка. В п. 2.5.4 обсуждается, предложенная и реализованная в эксперименте, «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне с обращенной магнетронно-инжекторной электронной пушкой. Продемонстрировано, что эта схема, без изменения конструкции гиротрона, существенно повышает его КПД, а также дает возможность реализации электронной перестройки частоты и глубокой амплитудной модуляции.

Использование частотно-перестраиваемых гиротронов (ступенчатая перестройка частоты) миллиметрового диапазона мегаваттного уровня мощности для плазменных экспериментов представляет явный интерес [43]. Разработка такого многочастотного гиротрона описана в п. 2.6. В экспериментальном макете реализована генерация на мегаваттном уровнем мощности нескольких мод с высоким КПД (свыше 40 % без использования рекуперации и около 70 % с рекуперацией) в интервале частот 105-168 ГГц. Все рабочие моды эффективно преобразованы в волновой пучок встроенным КОП.

В п. 2.7 изложены результаты разработки мощных опытно-промышленных длинно-импульсных и непрерывных высокоэффективных гиротронов (включая варианты с рекуперацией) с частотами до 170 ГГц (см. рис. 7), разработанных на основе вышеуказанных экспериментов (п. 2.2-2.6). На рис. 8 показана зависимость КПД и выходной мощности 170 ГГц/1 МВт гиротрона от тормозящего напряжения в режиме рекуперации. Проведено сравнение разработанных гиротронов с зарубежными аналогами.

В п. 2.8 изложены результаты создания опытно-промышленного гиротрона с рабочей модой ТЕ22.8, обеспечивающего на частоте 300 ГГц. непрерывную генерацию с мощностью 2 кВт. Гиротрон разработан для использования в лабораторном комплексе (см. рис. 9) совместно с «сухим» криомагнитом и предназначен для исследования новых материалов и технологических процессов, а также медико-биологических экспериментов в университете г.Фукуи (Япония).

В третьей главе содержатся результаты экспериментального исследования процессов взаимодействия мод при излучении на гармониках циклотронной частоты. В п. 3.1 рассмотрены особенности гиротронов на второй гармонике гирочастоты. Далее, в п. 3.2.1 описан лабораторный макет гиротрона с рабочей модой ТЕ021 (λ=8,9 мм) и развивается предложенная автором методика экспериментального изучения процессов взаимодействия мод, основанная на анализе областей генерации (модовых карт) (п. 3.2.2). Анализируются основные эффекты, сопровождающие конкуренцию колебаний при излучении на второй гармонике циклотронной частоты. Проводится исследование эффективности электродинамической и электронной селекции мод (п. 3.2.3). На рис. 10 приведены зависимости выходной мощности гиротрона до (индекс - 1) и после (индекс - 2) обеспечения комбинированной селекции. Основные экспериментальные результаты сопоставляются с выводами теории, что приводит к ряду рекомендаций (п. 3.2.3) по обеспечению устойчивой одномодовой генерации на второй гармонике гирочастоты.

В п. 3.3.1 описывается мощный гиротрон на второй гармонике циклотронной частоты, созданный с учетом указанных рекомендаций (мода ТЕ031, 25 ГГц/0,5 МВт, КПД=40 %). Магнитное поле создавалось солееноидом с водяным охлаждением. Гиротрон имеет осевой вывод энергии и снабжен добавочной катодной катушкой и триодной магнетронно-инжекторной пушкой для подстройки параметров ВЭП. Для тонкой коррекции распределения магнитного поля в резонаторе использованы дополнительные катушки Эффекты конкуренции мод, синхронных с пучком на разных гармониках гирочастоты, исследуемые в этом гиротроне, изложены в п.3.3.2. Обнаружено, что, конкуренция паразитных мод, синхронных с первой гармоникой гирочастоты ограничивает выходную мощность гиротрона на уровне 500 кВт.

В п. 1.9 излагалась теория многолучевых гиротронов, предложенных автором. Результаты экспериментов с двухлучевыми гиротронами, работающими на второй гармонике циклотронной частоты, даются в п. 3.4 и п. 3.5. Для экспериментов использовались модификации гиротрона, исследованного в п. 3.3. У гиротрона с дополнительным поглощающим пучком (п. 3.4) в результате подавления паразитных мод на основном гирорезонансе выходная мощность увеличивается с 0,36 МВт до 0,6 МВт (КПД=18%, мода ТЕ031, частота 25 ГГц) (п. 3.4.3). В двухлучевом гиротроне с двумя активными пучками  (п. 3.5) (мода ТЕ031, частота 25 ГГц), конструкция электронной пушки (фото на рис. 11) допускала независимое управление токами пучков. На рис. 12 показана зависимость выходной мощности (сплошные линии) и КПД (пунктир) гиротрона от суммарного тока пучков, при токе дополнительного пучка I(2) равном  0; 6,2 и 13 A. В экспериментах достигнута выходная мощность около 1 МВт (КПД=25 %, мода ТЕ031, частота 25 ГГц), являющаяся рекордной для гиротронов на гармониках гирочастоты. Максимальный КПД в указанном гиротроне был близок к 40 %, при несколько меньшей выходной мощности (0,7 МВт).

Результаты экспериментов с гиротронами на связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ), работающими на второй гармонике циклотронной частоты, изложены в п. 3.6. В экспериментальном макете гиротрона с двумя вариантами связанных резонаторов (п. 3.5.) достигнута выходная мощность 120-140 кВт (при КПД 20-25 %). Резонаторы имели одинаковую резонансную частоту рабочей моды, но отличались значением добротностей и распределениями ВЧ поля. Зависимости выходной мощности и КПД от тока пучка для обоих вариантов резонаторов (1 и 2) приведены на рис. 13. В указанном гиротроне с оптимизированной электронно-оптической системой и 2-м вариантом резонатора был реализован максимальный КПД более 45 % при выходной мощности 30 кВт. Полученные экспериментальные результаты находятся в хорошем соответствии с расчетными данными. Полученные результаты сопоставлены с данными, приведенными в публикациях других авторов по гиротронам с СРТМ, работающих на 1-3-й гармониках в широком диапазоне частот, мощностей и длительностей импульса. По уровню типичных значений КПД гиротроны с СРТМ, по меньшей мере, не уступают гиротронам с одиночным резонатором. Приведенные данные свидетельствуют о возможности реализации высокоэффективных гиротронов с электродинамической системой типа связанных резонаторов с трансформацией мод. Хорошее соответствие расчетных и экспериментальных характеристик указывает на достаточную точность методов расчета электродинамической системы и выходных параметров.

В п. 3.6 изложены результаты разработки и исследований гиротронов на высоких гармониках (от 3-й до 5-й) с приосевым электронным пучком, также часто называемых «гиротронами с большими орбитами» (ГБО или в англоязычной литературе– LOG [44]). Исследования проводились совместно с университетом г.Фукуи (Япония) и Институтом электроники Болгарской академии наук.

Особенностью гиротронов с приосевым ВЭП является повышенный уровень электронной селекции, что способствует реализации гиротронов на высоких гармониках, но в них существует ряд специфических проблем, требующих своего решения. Отличительной чертой данного исследования было использование магнитной системы с максимальным полем около 1 Т на основе постоянных магнитов (изготовлен фирмой Шин-Етсу, Япония) и неадиабатической системы формирования ВЭП (см. рис. 14). В экспериментах с ГБО при использовании нескольких резонаторов на частоте 85 ГГц была достигнута выходная мощность 2,5 кВт на третьей гармонике гирочастоты, около 0,5 кВт (112,7 ГГц) на четвертой и порядка 10 Вт (~140 ГГц) на пятой гармонике.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертации

  1. Предложен метод анализа взаимодействия мод в гироприборах, основанный на изучении модовых карт (областей генерации по магнитному полю). Показано, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном циклотронном резонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность излучения на второй гармонике гирочастоты. Подавление указанных паразитных мод существенно увеличивает стабильность колебаний и способствует повышению мощности гиротронов на второй гармонике.
  2. Разработана методика экспериментального исследования винтовых электронных пучков с использованием добавочной диафрагмы, помещенной в нарастающее магнитное поле. Методика позволяет сравнивать характеристики пучков при наличии и отсутствии электронов, отраженных от магнитного зеркала и захваченных в адиабатическую ловушку. Продемонстрировано, что отраженные электроны оказывают существенное влияние на характеристики формируемых пучков. Разработанная методика использована при оптимизации электронно-оптических систем мощных гиротронов.
  3. Предложены и исследованы гиротроны с дополнительными поглощающими или излучающими электронными пучками, в которых реализуется высокая степень электронной селекции мод. При использовании дополнительного излучающего пучка получена выходная мощность генерации около 1 МВт на второй циклотронной гармонике.
  4. Экспериментально и теоретически показано, что использование гиротронов на связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ) не только обеспечивает высокую степень селекции мод, но и способствует повышению КПД и снижению уровня омических потерь в резонаторе.
  5. Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на третьей-пятой гармониках гирочастоты при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка даже при умеренных энергиях частиц.
  6. Продемонстрирована эффективная и стабильная работа гиротронов на очень высоких объемных модах резонаторов (например, TE25.10). Использование таких высоких мод позволило обеспечить мегаваттный уровень мощности непрерывной генерации.
  7. Продемонстрирована эффективность использования рекуперации остаточной энергии электронов в мощных гиротронах. Рекуперация значительно повышает КПД и одновременно упрощает решение проблемы охлаждения коллекторов и источников питания. Для коаксиального гиротрона предложена «естественная» схема рекуперации, не требующая изменения конструкции и перспективная для повышения КПД и управления параметрами выходного излучения.
  8. Предложены и разработаны прототипы высокоэффективных длинноимпульсных и непрерывных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн, нашедшие широкое применение в плазменных исследованиях и разработке перспективных технологических процессов.

Положения, выносимые на защиту

  1. Основным фактором, ограничивающим мощность излучения гиротронов, работающих на гармониках гирочастоты, является конкуренция со стороны паразитных мод, взаимодействующих с пучком на более низких гармониках.
  2. Оптимизация характеристик винтовых электронных пучков на основе комбинации экспериментов и численного анализа позволяет реализовать высокий КПД гиротронов (около 50%) даже при сравнительно простой форме резонатора.
  3. Применение в гиротронах эффективных методов селекции (связанных резонаторах с трансформацией мод (СРТМ), дополнительных электронных пучков, приосевых ВЭП) делает гиротроны на гармониках гирочастоты перспективными источниками мощного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
  4. Использование высоких мод резонатора позволяет реализовать мегаваттный уровень мощности гиротронов с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.
  5. Рекуперация остаточной энергии электронов на коллекторах мощных гиротронах, не нарушая устойчивость генерации, дает возможность повышения КПД и принципиальных упрощений систем охлаждения коллекторов и источников питания.
  6. Разработанные прототипы высокоэффективных, непрерывных гиротронов мегаваттного уровня мощности, в том числе многочастотный гиротрон и варианты гиротронов с рекуперацией, являются перспективными источниками мощного излучения в миллиметровом диапазоне.

Список цитируемой литературы

  1. Гапонов-Грехов А.В., Петелин М.И. Мазеры на циклотронном резонансе. - В кн.: Наука и человечество, М: Знание, 1980, с.28З-298.
  2. Релятивистская высокочастотная электроника. (Под ред. А.В. Гапонова). Горький. ИПФ АН СССР, 1979.
  3. Вакуумная СВЧ электроника. (Под ред. М.И.Петелина). Н.Новгород.: ИПФ РАН, 2002.
  4. Братман В.Л. Общий метод генерации электромагнитных волн от СВЧ до гамма-диапазона. Соросовский Образовательный журнал. 1999, №9, с.75-80.
  5. Gaponov-Grekhov, A.V., and V.L. Granatstein (1994). Applications of High-Power Microwaves, Artech House, Norwood, MA.
  6. Д.И.Трубецков, А.Е.Храмов. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. М: Физматлит, 2003.
  7. Sh.E. Tsimring “Electron Beams and Microwave Vacuum Electronics, Published by John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.
  8. Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Авторское свидетельство № 223931 “Прибор для генерации электромагнитных колебаний сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн”.
  9. Петелин М.И., Юлпатов В.К. Мазеры на циклотронном резонансе.- В кн.: Лекции по электронике СВЧ: 3-я зимн.  школа-семинар инженеров. Кн. 4. Саратов: СГУ, 1974; с.95-178.
  10. Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Прибор для генерации электромагнитных колебаний в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн: А.С. 223931 (СССР). 3аявл. 24.03.67, опубл. 25.03.76.
  11. A.V.Gaponov, V.A.Flyagin, A.L.Goldenberg, et al. Powerful millimeter –wave gyrotrons, Int. J. Electronics, V.51, No. 4, pp. 277-302, 1981.
  12. A.A.Andronov, V.A.Flyagin, A.L.Goldenberg, et al., “The gyrotron: high-power source of millimeter and submillimeter waves”, Infrared Phys., Vol.18, No 5-6, pp.385-395, 1978.
  13. G.S. Nusinovich “Introduction to the Physics of Gyrotrons,” The Johns Hopkins University Press, Baltimore-London, 2004.
  14. M. Thumm, “State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers”. FZK Karlsruhe, 2006.
  15. Thumm, M. High power gyro-devices for plasma heating and other applications. Int. J. Infrared. Millim. Waves, 26, 483–503 (2005). C.J. Edgcombe (Editor), “Gyrotron Oscillators - Their Principles and Practice,” Taylor & Francis, London, 1993.
  16. M.V. Kartikeyan, E. Borie, M.K.A. Thumm, “Gyrotrons – High Power Microwave and Millimeter Wave Technology,” Springer: Berlin, 2004.
  17. Вайнштейн Л.А. Общая теория резонансных электронных автогенераторов. - В сб.: Электроника больших мощностей, вып. 6. М.: Наука, 1968, с.84-129.
  18. Лэмб У. Теория оптических мазеров. В кн.: Квантовая оптика и квантовая радиофизика. М.: Мир, 1966, с.281.
  19. Бломберген Н. Нелинейная оптика. М.: Мир, 1966.
  20. Ханин Я.И. Квантовая радиофизика. М.: Сов. радио, 1975.
  21. Быков Ю.В., Власов С.Н., Гольденберг А.Л. и др. Селекция мод в мощных гиротронах. - В кн.: Гиротрон. Гopький, ИПФ АН СССР, 1981, с.185-191.
  22. Моисеев М.А., Нусинович Г.С. К теории многомодовой генерации в гиромонотроне. - Изв. вузов. Радиофизика. 1974, т.17, №11, с. 1709-1717.
  23. Лучинин А.Г., Нусинович Г.С., Усов В.Г., и др. Электронная селекция мод в гиротронах, работающих на модах шепчущей галереи. В кн.: Гиротроны, Горький, ИПФ АН СССР, 1980, c.139-146.
  24. Завольский Н.А., Нусинович Г.С., Павельев А.Б., Устойчивость одномодовых колебаний и нестационарные процессы в гиротронах со сверхразмерными низкодобротными резонаторами. В кн.: Гиротроны, Горький: ИПФ АН СССР, 1981, c.84-112.
  25. Петелин М.И. Электронная селекция мод в гиротроне. – В кн.: Гиротрон, Горький, ИПФ АН СССР, 1981, с.77-85.
  26. Petelin M.I. Mode selection in High Power Microwave Sources., IEEE Trans. On Electron Devices, V.48., No 1, 2001, pp.129-133.
  27. Власов С.Н., Жислин Г.М., Орлова И.М., и др. Открытые резонаторы в виде волноводов переменного сечения. - Изв. вузов. Радиофизика, 1969, т.12, №8, с.1236-1244.
  28. Нусинович Г.С., Флягин В.А., Проблемы разработки гиротронов. В кн: Гиротроны. Горький: ИПФ АН СССР, 1989. С.7-11.
  29. Петелин М.И., Флягин В.А., Проблемы создания систем электронно-циклотронного нагрева плазмы. В кн: Гиротроны. Горький: ИПФ АН СССР, 1989. С.195-201.
  30. Лукша О.И., Пиосчик Б., Соминский Г.Г., и др. Мощные гиротроны для систем управляемого термоядерного синтеза и технологии. //Изв. РАН. Энергетика. 2006. №5. С.131-146.
  31. K. Sakamoto, M. Tsuneoka, A. Kasugai et al. “Major improvement of gyrotron efficiency with beam energy recovery”. Phys. Rev. Letters. 73 (1994) N.26. pp.352-353.
  32. Kasugai A.; Sakamoto K.; Takahashi K.; et al., 1 MW and long pulse operation of Gaussian beam output gyrotron with CVD diamond window for fusion devices. Fusion Eng. and Design, V. 53, No 1, 2001, pp. 399-406.
  33. G.Dammertz, S.Alberti, A.Arnold et al. Recent Results of the 1-MW 140-GHz TE22,6-Mode Gyrotron. IEEE Transacton on plasma science, vol. 27, No2, 1999, pp.330-339.
  34. I.Ogawa, T Idehara, et al. Application of Submillimeter Wave Gyrotron to plasma diagnostics. 28th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, Otsu, Japan, September 29-October 26, 2003, pp.403-404.
  35. Нусинович Г.С., Эрм Р.Э. КПД МЦР-монотрона с гауссовым продольным распределением высокочастотного поля. – Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1972, №8, с.55-60.
  36. Кураев А. А., Ковалев и. С., Колосов С. В. Численные методы оптимизации в задачах электроники СВЧ. Минск: Наука и техника, 1979.
  37. Кисель Д.В., Кораблев Г.С., Павельев В.Г., и др. Экспериментальное исследование гиротрона на второй гармонике циклотронной частоты с оптимизированным распределением высокочастотного поля. - Радиотехника и электроника, 1974, т.19, №4, с.782-788.
  38. Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. Открытый резонатор (авторское свидетельство № 661664 с приоритетом от 15 авг. 1977г.), Офиц. Бюлл. КДИО СМ СССР, №17, с.234.
  39. В.Н.Глазман, С.Д.Богданов, С.Н.Власов, и др. Мазер на циклотронном резонансе (авторское свидетельство № 952033 с приоритетом от 15 янв. 1981г.) от 14 апр. 1982г.
  40. С.Н.Власов, И.М.Орлова, М.И.Петелин. Квазиоптические преобразователи собственных волн волноводов кругового сечения Изв. вузов. Радиофизика, 1972, т.16, №10, с.1913-1918.
  41. Denisov, G. G., Petelin, M. I., and Vinogradov, D. V., 1990, Converter of high-mode of a circular waveguide into the main mode of a mirror line. W090/0780 HOIPI/16, PCT Gazette, 16, 47-49.
  42. M.Thumm, A.Arnold, E.Borie, et al. Frequency step-tunable megawatt gyrotrons for plasma physics applications. Fusion Eng. and Design 53 (2001) pp. 407-421.
  43. Братман В.Л., Калынов Ю.К., Федотов А.Э., К теории гироприборов с тонкими электронными пучками (гиротрон с большими орбитами) ЖТФ, 1998, Т 68, №.10, с.91-96.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

  1. Гольденберг А.Л., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Литвак А.Г., Флягин В.А. Мазеры на циклотронном резонансе: состояние и проблемы. Изв. вузов, Радиофизика, 1996, Т.39, №6, с.635-670.
  2. G. G. Denisov, A.G.Litvak, V.E.Zapevalov, et al. “Megawatt-power gyrotrons for fusion”, Proceedings of the Int. Workshop "Strong Microwave in Plasmas", N. Novgorod, 2006, pp.62-75
  3. Zapevalov V.E., Denisov G.G., Flyagin V.A., et al. Development of 1MW Output Power Level Gyrotron for ITER. Plasma Devises and Operations, 1998, Vol. 6, pp.111-117.
  4. V.E.Zapevalov, G.G.Denisov, V.A.Flyagin, et al. Development of 170GHz/1MW Russian Gyrotron for ITER. Fusion Engineering and Design. Dec. 2000, Volume/ issue: 53/1-4, PP. 377-385.
  5. Мясников В.Е., Литвак А.Г., Запевалов В.Е., и др. Развитие сверхмощных длинноимпульсных и непрерывных гиротронов в диапазоне 110-170 ГГц. Радиотехника №2, 2000, с.67-71.
  6. В.Е. Запевалов, Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД, Известия Вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №10, с.864-871.
  7. 3апевалов В.Е., Кораблев Г.С., Цимринг Ш.Е. Экспериментальное исследование гиротронов на второй гармонике циклотронной частоты с оптимизированным распределением высокочастотного поля. - Радиотехника и электроника, 1977, т.22, №8, с.1661 -1669.
  8. A.Sh. Fix, V.A. Flyagin, V.E.Zapevalov et al. “The problem of increase in power, efficiency and frequency of gyrotrons for plasma investigations”. Int. J. Electronics, 57 (1984) №6, pp.821-826.
  9. 3апевалов В.Е., 3арницына И.Г., Нусинович Г.С. О возбуждении паразитных мод, резонансных  с первой гармоникой циклотронной частоты, в гиротроне, работающем на моде, резонансной со второй гармоникой. - Изв. вузов. Радиофизика, 1979, т.22, №3, с.366-372.
  10. 3апевалов В.Е., Нусинович Г.С. Установление колебаний в двухмодовом гиротроне. - Изв. вузов. Радиофизика, 1984, т.27, №1, c.117-120.
  11. 3апевалов В.Е., Нусинович Г.С. К теории амплитудно-фазового взаимодействия мод в электронных мазерах. Изв. вузов, Радиофизика, 1989., т.32, №3. c.347-355.
  12. Нусинович Г.С., 3апевалов В.Е., Автомодуляционная неустойчивость излучения гиротронов. Радиотехника и электроника, 1987, т.19, №8. c.563-570.
  13. 3апевалов В.Е., Цимринг Ш.Е. Многолучевые гиротроны. Изв. вузов, Радиофизика, 1990., т.33, №11. с.1288-1295.
  14. 3апевалов В.Е., Мануилов В.Н., Цимринг Ш.Е. Электронно-оптические системы двухлучевых гиротронов. Изв. вузов, Радиофизика, 1991., т.34, №2, с.205-211.
  15. 3апевалов В.Е. Взаимодействие мод в гиротронах, работающих на гармониках гирочастоты. - Изв. вузов. Радиофизика, .1983, т. 26, №12, с.1593-1598.
  16. Запевалов В.Е., Малыгин С.А., Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. Гиротроны на связанных резонаторах с трансформацией мод. Изв. вузов, Радиофизика, 1985, т. 27, №4.
  17. Pavelyev V.G., Tsimring Sh.E. Zapevalov V.E., Coupled cavities with mode conversion in gyrotrons. Int. J. Electronics, 1987, v.63, №3, pp. 379-391.
  18. В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев. Влияние провисания потенциала пучка в гиротронах., Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1997, т.40, №8, с.1042-1049
  19. Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев. О повышении КПД релятивистского гиротрона. Изв. вузов. Радиофизика, 2001, т.44, №4, с.345 -352.
  20. M.A.Moiseev, V.E.Zapevalov, N.A. Zavolsky., Efficiency enhancement of relativistic gyrotrons International Journal of Infrared and Millimeter Waves, June. 2001, V.22, No.6, pp. 813-834.
  21. N.I. Zaitsev, N.S. Ginzburg, V.E. Zapevalov et al. “X-Band High-Efficiency Relativistic Gyrotron”. IEEE transactions on Plasma Science. 30 (2002) No.3, pp.840-846.
  22. Н.И.Зайцев, Н.С.Гинзбург, В.Е.Запевалов, и др., Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ импульса. Письма в ЖТФ, т.27, вып. 7, с. 8-16, 2001г
  23. Н.И.Зайцев, В.Е.Запевалов, М.И.Петелин, и др., Десятимегаваттный импульсный гиротрон с длиной волны 1 м и КПД 50%., Изв. вузов. Радиофизика, 2003, т.XLYI, №10, с.914-918.
  24. V.E.Zapevalov., Problems and Advances of High Power Gyrotrons. Proceedings Of 4t International Kharkov Symposium “Physics and engineering of millimeter and sub millimeter waves”, June 4-9, 2001, Kharkov, Ukraine, pp.117-122
  25. V.E.Zapevalov., Problems and Advances of High Power Gyrotrons. ITG-Fachbericht 165, Displays and Vacuum Electronic, Contributions to the ITG- Conference, May 2-3, 2001, Garmish-Partenkirchen, pp.137-142
  26. V.E.Zapevalov. Gyrotron: limits of growth. Proceedings of the 14th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emissiom and Electron Cyclotron Resonance Heating. –EC-14, Santorini, Greece, 9-12 May 2006, Editor Avrilios Lazaros, Heliotopos Conferences Ltd, p.526-530.
  27. V.E.Zapevalov. Advances and Problems of High Power Gyrotrons. Proc Int. Conf. “Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies”, 1999, St.Petersburg, Russia, St.Petersburg S T U, pp.150-153.
  28. V.E.Zapevalov., Increasing Power and Efficiency of gyrotrons., Fusion Science and Technology, 2007, Vol.52, No2, pp 340-344
  29. Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев., Влияние разброса скоростей и энергий в электронном пучке на стартовые условия и КПД гиротрона Известия Вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №2, с.121 133.
  30. В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, В.К.Лыгин, А.С.Постникова. Численное моделирование и экспериментальное исследование винтовых электронных пучков сверхмощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн., Прикладная физика, 2000, №3, с.14-24.
  31. Lygin V.K., Tsimring Sh.E., Kuftin A.N, Zapevalov V.E., Numerical simulation and experimental study of magnetron-injection guns for short-wave gyrotrons., Int. J. Electronics, 1992, vol.72, N.5-6 , p.1145-1152.
  32. Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Лыгин В.К., Цимринг Ш.Е. Численное моделирование и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек мощных гиротронов., Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1992, т.35, N.11-12, с.999-1007.
  33. A.N. Kuftin, V.K. Lygin, V.E. Zapevalov et al. “Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams”. Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 20 (1999) No.3, pp.361-382.
  34. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., и др. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне. ЖТФ, 2000, том 70, вып. 4, с. 95-98.
  35. M.Yu. Glyavin, A.L. Goldenberg, V.E. Zapevalov, et al. Eperimental Studies of Gyrotron Electron Beam Systems” IEEE transactions on Plasma Science, 27 (1999) No2, pp. 474-483.
  36. Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев. Численное исследование процессов в резонаторе непрерывного170 ГГц/ 1 МВт гиротрона для ITER с рабочей модой ТЕ25.10. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1999, т.42, №3, с.225-234.
  37. M.A.Moiseev, N.A.Zavolsky, V.E. Zapevalov., Numerical study of processes in the cavity of the 170 GHz gyrotron for ITER operating at the TE 25.10 mode., Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Sep. 2000, V.21, No9, pp. 210-232.
  38. V.A. Flyagin, V.I. Khizhnyak, V.E. Zapevalov, et al. “Investigation of advanced coaxial gyrotrons at IAP RAS” Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 24, No. 1, (2003), pp.2-17.
  39. A. Bogdashov, A.V. Chirkov, G.G. Denisov, V.E. Zapevalov et al. “High-Efficient Mode Converter for ITER Gyrotron”. Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 26, (2005) No 6, pp.771–785.
  40. В.Е. Запевалов, М.А. Моисеев, “Влияние послерезонаторного взаимодействия на КПД гиротрона”, Известия Вузов. Радиофизика, 2004, т.XLYII, №7, с.584 592
  41. 3апевалов В.Е., Малыгин О.В. Дифракционная добротность слабоконических резонаторов гиротронов. - Изв. вузов. Радиофизика, 1983, т. 26, №7, с. 903-905.
  42. Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Малыгин С.А., Тай Е.М., Низкодобротные резонаторы для мощных гиротронов Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1994, т.37, №3, с.381-387.
  43. 3апевалов В.Е., Курбатов В.И., Малыгин О.В., Мануилов В.Н., Нусинович Г.С., Цимринг Ш.Е. Мазер на циклотронном резонансе. Авторское свидетельство №786677, 1980.
  44. 3апевалов В.Е., Курбатов В.И., Малыгин О.В., Мануилов В.Н., Нусинович Г.С., Цимринг Ш.Е. Двухлучевая электронная пушка мазера на циклотронном резонансе (варианты). – Авторское свидетельство №897039. 1981.
  45. В.В.Аликаев, Г.Г.Денисов, В.Е.Запевалов, А.Г.Литвак, и др. Гиротроны для УТС., Высокочастотная вакуумная электроника. Сборник обзоров, Нижний Новгород, ИПФ РАН 2002. с. 71-76.
  46. Н.А.Завольский, В.Е. Запевалов, М.А. Моисеев, Численное моделирование динамических процессов в гиротронах с низкодобротными резонаторами. Изв. Вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №4, с.307-320
  47. В.Е. Запевалов. Селекция мод в гиротронах высокой мощности. Материалы международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ», Саратов, СГУ 2001, с.64-66
  48. Завольский Н.А., В.Е. Запевалов, Моисеев М.А., Немировская Л.Л, Численное исследование процессов в резонаторе непрерывного гиротрона с частотой 170 ГГц и выходной мощностью 1 МВт для ITER. Изв. вузов, Радиофизика, 1997, т.40, №6, с.788 -796.
  49. M.A.Moiseev, L.L.Nemirovskaya, V.E. Zapevalov, N.A. Zavolsky., Numerical simulation of mode interaction in 170 GHz/ 1 MW gyrotrons for ITER. Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Nov. 1997, V.18, No.11, pp. 2117-2128
  50. М.Ю.Глявин, В.Е. Запевалов А.Н.Куфтин. Конкуренция мод в нестационарных режимах мощных гиротронов., Изв. вузов Радиофизика, 41, №6, 1998, с.803-812.
  51. М.Ю.Глявин, В.Е. Запевалов Влияние отражений на устойчивость автоколебаний в гиротронах. Изв. вузов Радиофизика, 41, №10, 1998, с.1348-1357.
  52. Н.С.Гинзбург, М.Ю.Глявин, В.Е. Запевалов, и др. Использование отражения с запаздыванием для получения автомодуляционных и стохастических режимов генерации в гиротронах миллиметрового диапазона. Письма в ЖТФ, т.24, №11, 1998, с.53-59
  53. M.Yu.Glyavin, V.E. Zapevalov, Reflection Influence on the Gyrotron Oscillations Regimes. Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1998, V.19, No11, pp. 1499-1512.
  54. Г.Г.Денисов, В.Е.Запевалов, А.Г.Литвак, В.Е.Мясников. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС., Изв. вузов. Радиофизика, 2003, т.XLYI, №10, с.845-859
  55. В.Е.Запевалов, Цимринг Ш.Е. Экспериментальные исследования интенсивных винтовых пучков с захваченными электронами. Изв. вузов, Радиофизика, 1994, т.38, №8, с. 860-869.
  56. Tsimring Sh.E., V.E. Zapevalov., Experimental study of intense helical electron beams with trapped electrons. Int. J. electronics, 1996, vol. 81, №2, PP.199-205.
  57. Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., и др. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне., ЖТФ, 2000, т. 70, вып. 12, с. 63-66.
  58. Denisov G.G., Venediktov N.P., V.E. Zapevalov, et al. 110 GHz gyrotron with a built-in high-efficiency converter. Int. J. Electronics, 1992, v. 72, No.5-6, pp. 1079-1091.
  59. Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, Экспериментальное исследование 110 ГГц/1 МВт гиротрона с одноступенчатой рекуперацией энергии. Изв. вузов Радиофизика, 41, №5, 1998, с.670-680.
  60. M.Yu.Glyavin, A.N.Kuftin, N.P.Venediktov, V.E. Zapevalov. Experimental Investigation of 110 GHz/ 1 MW Gyrotron with the One-Step Depressed Collector. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Nov. 1997, V.18, No11, pp.2129-2136
  61. M.Thumm, V.A.Flyagin, V.E. Zapevalov, et al. A 1.5 MW, 140 GHz TE28,16 Coaxial Cavity Gyrotron. IEEE trans. on Plasma SCIENCE, 1997, V.25, No3, pp. 460-459.
  62. B.Piosczyk, M.Thumm, V.E. Zapevalov et al. Coaxial Cavity Gyrotron with Dual RF-Beam Output. IEEE trans. on Plasma Science, 1998, V.26, No3, pp. 393-401.
  63. Запевалов В.Е., Павельев А.Б., Хижняк В.И. Экспериментальная проверка естественной схемы рекуперации энергии электронного пучка в коаксиальном гиротроне. Изв. вузов, Радиофизика, 2000, т.43, №8, с.747 -751.
  64. В.Е. Запевалов, Г.Г. Денисов, А.Н. Куфтин, и др., Разработка прототипа многочастотного мегаваттного гиротрона в диапазоне 105- 156 ГГц. Изв. вузов. Радиофизика,, 2004, т.XLYII, №5-6, с.443-452.
  65. А.А. Чирков, Г.Г. Денисов, В.Е. Запевалов, и др. Многочастотный гиротрон с высокоэффективным синтезированным волноводным преобразователем. Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып. 8. с. 71-75.
  66. В.Е. Запевалов, Ю.К.Калынов, Е.М.Тай, и др. Низкочастотные гиротроны для термоядерных исследований Изв. вузов. Радиофизика, 2006, т. XLIX, №3, с. 207 218.
  67. В.Е. Запевалов, Е.М.Тай, Т.Идехара, и др. Мощный генератор непрерывного электромагнитного излучения частотой 300 ГГц. Изв. вузов. Радиофизика, 2007, т.50, №6, с.461-470.
  68. Запевалов В.Е., Малыгин С.А., Цимринг Ш.Е. Мощные гиротроны на второй гармонике циклотронной частоты. Изв. вузов, Радиофизика, 1993., т.36, №6, с.543-552.
  69. Запевалов В.Е., Мануилов В.Н., Малыгин О.В., Цимринг Ш.Е. Мощный двухлучевой гиротрон на второй гармонике циклотронной частоты. Изв. вузов, Радиофизика, 1994, т.37, №3, с.387
  70. T. Idehara, I. Ogawa, V. Zapevalov, et al. A High Harmonic Gyrotron and with an Axis-Encircling Electron Beam and a Permanent Magnet. IEEE Transaction on Plasma Science. June 2004, v.32, n.3, pp.903-910.
  71. T. Idehara, I. Ogawa, V. Zapevalov, et al. Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet. Elsevier Vacuum 77 (2005) 539–546
  72. F.Leuterer, A. Litvak, V. Zapevalov, et al. Status of the new ECRH system for ASDEX Upgrade. Fusion Eng. and Design, 74, (2005) Pages: 199-203.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Стр.

Оглавление

2

Обозначения и сокращения

4

Введение.

6

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

24

Проблема взаимодействия мод в гиротронах с резонаторами большого поперечного сечения

24

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

27

Уравнения нестационарных процессов в многомодовых гиротронах и устойчивость стационарной одномодовой генерации.

30

Получение устойчивой стационарной одномодовой генерации при взаимодействии мод, синхронных с пучком на первой и второй гармониках циклотронной частоты.

36

Особенности конкуренции мод с продольной структурой бегущей волны.

42

Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с энергетическим взаимодействием мод.

50

Нестационарные процессы в двухмодовом гиротроне с амплитудно-фазовым взаимодействием мод

60

Обеспечение устойчивости генерации в трехмодовом гиротроне с фазовой связью мод.

66

Использование связанных резонаторов с трансформацией мод в гиротронах.

73

Селекция мод в многолучевых гиротронах.

84

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

96

Выводы.

101

Глава 2 Экспериментальные исследования и разработка мощных гиротронов на основном циклотронном резонансе.

102

Основные проблемы мощных квазинепрерывных гиротронов миллиметрового диапазона

102

Исследование и оптимизация параметров электронного пучка в мощных гиротронах миллиметрового диапазона

108

Исследование высокоэффективных гиротронов с выводом энергии на рабочей моде.

127

Оптимизация гиротрона со встроенным преобразователем.

136

Рекуперация в мощных гиротронах.

155

Разработка мощного многочастотного гиротрона.

171

Опытно-промышленные квазинепрерывные гиротроны мегаваттного уровня мощности для УТС.

180

Создание непрерывного гиротрона с частотой 300 ГГц

186

       Выводы

191

Глава 3. Экспериментальное исследование гиротронов на гармониках гирочастоты.

192

Особенности гиротронов на гармониках гирочастоты.

192

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

194

Мощный гиротрон на второй гармонике гирочастоты.

208

Гиротрон на второй гармонике с дополнительным поглощающим пучком

217

Мощный гиротрон с двумя излучающими пучками

221

Гиротроны со связанными резонаторами с трансформацией мод.

225

Гиротроны на высоких гармониках с приосевым пучком.

229

Выводы

236

Заключение

237

Цитированная литература

239

Список авторских работ

252


1 Здесь и далее используется общепринятое сокращение параметров гиротронов: (частота/ мощность/ длительность импульса).






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.