Введение к работе
Ретроспектива исследований с применением сильноточных наносекунд-ных генераторов и электронных ускорителей прямого действия показывает, чтс в лабораторной практике могут эффективно использоваться малогабаритные экспериментальные установки с невысоким энергозапасом- вплоть до единиц джоулей и энергией до 300 кэВ. На протяжении 60х-70х годов доказали свое право на существование многочисленные высоковольтные генераторы и ускорители, в большинстве своем предназначавшиеся для изучения широкого круга быстропротекающих физических процессов: вакуумного и газовогс пробоев, эмиссионных характеристик ненакаливаемых катодов и т.д. Эти электрофизические установки обеспечили получение принципиальных научных результатов и позволили обрисовать "технологическое будущее" СИЛЬНОТОЧНОЙ электроники. Важным этапом в развитии малогабаритной сильноточной импульсной техники практического назначения можно считать разработку и серийный выпуск на Ленинградском НПО "Буревестник" наносекундных рентгеновских аппаратов типа ИРА, РИНА, МИРА. В них использовались импульсные отпаянные рентгеновские трубки с холодным катодом, работающим на основе явления взрывной электронной эмиссии.
Для дальнейшего расширения круга исследований с применением высоковольтных наносекундных генераторов и сильноточных ускорителей было необходимо создать удобные и простые в эксплуатации как специализированные, так и многофункциональные компактные электрофизические приборы, образно говоря, работающие "от розетки". Эта задача была сформулирована в конце 70х годов академиком Г.А.Месяцем и в части, касающейся развития СВЧ-электроники больших мощностей, положила начало исследованиям автора диссертации. Высокие удельные параметры новых малогабаритных приборов типа РАДАН предоставили уникальные возможности по генерированию мощных наносекундных пучков электронов и импульсов электромагнитных излучений (рентгеновского, оптического, СВЧ). Работа по этим направлениям подтвердила следующие выводы:
быстрота выполнения экспериментов и их экономичность типичны практически для всех, в том числе и нетрадиционных областей применения малогабаритной ускорительной техники;
производные по времени от основных параметров и соответствующие им потоки (плотность тока, интенсивность излучения и т.д.) для компактных короткоимпульсных сильноточных приборов могут значительно превосходить аналогичные характеристики больших длинноимпульсных установок.
укорочение длительности высоковольтного импульса, тока электронного пучка, электромагнитных излучений до единиц наносекунд и менее позволяет не только миниатюризировать прибор, но и определяет возможность проведения принципиально новых исследований.
Перечисленные особенности наглядно проявились за короткий срок, когда "испытательным полигоном" новой техники стали релятивистская высокочастотная электроника, радиационные химия, физика и биология, физика газового, разряда и твердотельные лазеры, плазмохимия и рентгеновская дефектоскопия, а также ряд других актуальных научных и технологических направлений. Каждая область исследований диктовала специфические требования к экспериментальной технике. Другими словами, было необходимо уделять большое внимание "потребительским качествам" создаваемых источников сильноточных электронных пучков и электромагнитных излучений: их надежности, автономности, возможности регулировки выходных параметров, точности синхронизации, электромагнитной совместимости с другой экспериментальной техникой и др.
Специфические условия развития сильноточной импульсной техники в России и других странах за последние пять лет подтвердили, что разработка и дальнейшее совершенствование многопрофильных малогабаритных наносе-кундных генераторов и ускорителей остаются по-прежнему актуальными. Сохраняются в силе все три особенности работ с малогабаритной техникой, отмеченные выше. Кроме того, по экономическим соображениям компактные сильноточные наносекундные генераторы и ускорители остаются вполне доступными (а нередко - единственно-доступными) для небольших лабораторий, исследовательских центров университетов, предприятий и фирм. Не случайно, что многие исследовательские группы частично, а иногда и полностью переориентируются на использование малогабаритных приборов. В свою очередь, разработчики высоковольтной наносекундной импульсной техники чаще стали обращать внимание на наиболее компактные варианты своих установок.'
Созданию многоцелевых малогабаритных высоковольтных генераторов и сильноточных импульсно-периодических электронных ускорителей, экспериментальным исследованиям и разработке новых электрофизических приборов на основе таких ускорителей и посвящена данная диссертация.
разработка конструкций и отработка технологии многоцелевых малогабаритных высоковольтных генераторов и сильноточных импульсно-периодических электронных ускорителей наносекундного и субнаносекундного диапазонов;
экспериментальные исследования новых источников электромагнитного излучения;
создание мощных компактных импульсных электрофизических приборов для научных и практических целей.
Научная новизна работы заключается в приоритетных результатах исследований, полученных в процессе разработки и с использованием созданной экспериментальной техники:
1. Разработана принципиально новая унифицированная базовая модель
наносекундного импульсно-периодического генератора РАДАН-303 и на ее ос
нове создан ряд компактных электрофизических приборов (Табл.1), не имею
щих аналогов по совокупности параметров, удельным характеристикам или
назначению.
2. Экспериментально показано, что волновой характер передачи им
пульса ускоряющего напряжения в протяженном вакуумном диоде с взрыво-
эмиссионным катодом позволяет получить ленточный электронный пучок с
равномерным интегральным энерговыходом за фольговым окном.
-
В коаксиальном магнитоизояированном диоде с взрывоэмиссионным катодом сформирован трубчатый сильноточный электронный пучок (I ~1 кА, Е~250 кэВ) длительностью -300 пс. Показано, что транспортировка такого сгустка в дрейфовой камере с ведущим магнитным полем сопровождается продольной динамической дисперсией и значительным (до 1.5х) увеличением энергии части электронов (автоускорением).
-
Исследование режимов работы обостряющего и срезающего азотных разрядников высокого давления при предпробойных скоростях роста напряжения (0.2-0.6)х10'5 В/с позволило сформировать 100-кВ, 250-пс импульсы с полными амплитудной и временной нестабильностями ±5% и ±10% на частоте повторения 100 Гц.
5. Изучение закономерностей пробоя неуправляемых газовых разрядни
ков высокого давления в нано- и субнаносекундном диапазонах времен позво
лило экспериментально определить условия, обеспечивающие получение
субнаносекундной точности запуска трехэлектродного разрядника наносекунд-
ных генераторов.
-
На основе систем с ГЕМ-антеннами созданы компактные импульсно-периодические генераторы мощных субнаносекундных сверхширокополосных радиоимпульсов с перестраиваемыми амплитудой и эффективной частотой.
-
При длительности импульса генерации ~4 не для сильноточных релятивистских электронных СВЧ-приборов миллиметрового диапазона превзойден уровень потока мощности 0.5 ГВт/см2. Кроме того:
Субнаносекундный
ускоритель с трубчатым
электронным пучком
Ленточный электронный диод
с бегущей волной
(пучок 5x500 мм)
Технологический электронный диод с пучком 5x110 мм
Релятивистская ЛОВ
диапазона 70 ГГц
с постоянной магнитной
фокусирующей системой
Источники мощных
субнаносекундных
широкополосных СВЧ-
импульсов мм-диапазона
Ускоритель для двухсторонней обработки объектов
Релятивистский
ЛОВ-генератор MP4(R)
35 ГГц
Ускоритель с серийным
отпаянным электронным
диодом
Релятивистский
ЛОВ-генератор МГ-5(Я),
ЗВГГц
Релятивистский
ЛОВ-генератор МГ-6(Я)
70 ГГц
Малогабаритный
импульсно-периодический
наносекундный
ДФЛ-генератор РАДАН-303
Сверхширокополосная четырехэлементная антенная решетка
Генератор сверхширокополосных
радиоимпульсов с
ТЕМ-антенной ударного
возбуждения
Су б нан осекун дн ый запускающий генератор
Субнаносекундный генератор
униполярных импульсов с частотой повторения 100 Гц
Наносекундный рентгенаппарат
Генератор для исследования пробоя диэлектриков
Субнаносекундный генератор
биполярных импульсов с пассивным преобразователем
Секционированный высоковольтный генератор
Субнаносекундный генератор
биполярных импульсов с
активным
формирователем
Наносекундный драйвер с
субнаносекундной точностью
запуска
Таблица 1. Приборы и устройства, созданные на основе наносекундных генераторов РАДАН-303
экспериментально исследованы эффективные слаборелятивистские сильноточные ЛОВ диапазонов частот 140 и 70 ГГц с длительностью импульсов 2 и 4 не и выходной мощностью 10 и 50 МВт;
реализован и исследован СВЧ-генератор - ЛОВ миллиметрового диапазона с наносекундным сильноточным электронным пучком и фокусирующей системой на основе постоянных магнитов;
создан мегаваттный черепковский СВЧ-усилитель миллиметрового диапазона с релятивистским сильноточным пучком (ЛБВ с синхронной пространственной гармоникой), работавший на частоте 35 ГГц с коэффициентом усиления 22-30 дБ;
экспериментально зарегистрировано мощное циклотронное сверхизлучение сильноточного субнаносекундного электронного лучка в миллиметровом диапазоне длин волн. Научная и практическая ценность работы определена созданием новых малогабаритных сильноточных электрофизических приборов и ускорителей, модели которых, начиная с 1990 г., прошли этапы разработки от макетных экспериментальных установок до коммерческих экспортных образцов. В частности:
1. Созданы простые в эксплуатации многофункциональные малогабарит
ные импульсно-периодические высоковольтные наносекундные генераторы РА-
ДАН с регулируемыми выходными параметрами, нашедшие разнообразное
применение для прикладных научных исследований. На их основе разработаны
варианты специализированных малогабаритных сильноточных ускорителей с
электронными пучками различного сечения для оперативной двухсторонней, а
также широкоапертурной радиационно- технологической обработки образцов,
материалов и объектов. Ряд приборов используется в режиме импульсных де
фектоскопических рентгенаппаратов, в том числе переносных, с автономным
питанием. Ускоритель с субнаносекундным пучком регулируемой энергии и
длительности представляет уникальный инструмент для исследования динамики
возбуждения и переходных процессов релятивистских сильноточных
СВЧ-приборов.
2. Разработаны управляемые 200-кВ разрядники с искажением поля,
обеспечивающие независимую синхронизацию наносекундных сильноточных ус
корителей с субнаносекундной точностью при малой энергетике пускового
импульса. С помощью другого специального разрядника унифицированные вы
соковольтные ДФЛ-генераторы ускорителей РАДАН могут включаться парал
лельно (секционироваться) и, тем самым, быть "жестко синхронизированы".
Независимо синхронизированные или секционированные приборы могут ис
пользоваться для построения модульных источников электронных пучков и
наносекундных импульсов электромагнитных излучений с субнаносекундным, или вообще без относительного джиггера.
-
Разработаны конструкции и созданы компактные высоковольтные суб-наносекундные генераторы с оперативно-перестраиваемыми амплитудой, длительностью и формой импульсов, допускающие режимы работы с частотой повторения вплоть до 100 Гц при стабильных выходных характеристиках.
-
Получены экспериментальные данные об электрической прочности изоляции" различного типа в наносекундном и субнаносекундном диапазонах при воздействии высоковольтных униполярных, биполярных и импульсов с СВЧ-заполнением.
5. Реализованы импульсно-периодические сверхширокополосные излуча
тели радиоимпульсов субнаносекундной длительности на основе высоковольт
ных ТЕМ-антенн ударного возбуждения с подводимой к антенне пиковой
мощностью 200-400 МВт. Секционированные высоковольтные ТЕМ-антенны,
запитанные импульсом ~ 300 пс от общего субнаносекундного модулятора, при
габаритах ~(2х2) м2 могут синтезировать ДН с главным лепестком -10 по уров
ню -6 дБ. Устройства прошли лабораторную проверку в качестве прототипов
мощных модуляторов сверхширокополосных радаров.
-
Экспериментальные и коммерческие образцы импульсно- периодических СВЧ-генераторов миллиметрового диапазона серии МГ с выходной импульсной мощностью 10-50 МВт в течение ряда лет используются различными научно-исследовательскими организациями. Удельная пиковая мощность разработанных моделей генераторов МГ4-МГ6 достигает 0.5-1 МВт/кг.
-
Экспериментально продемонстрировано, что релятивистские сильноточные СВЧ-генераторы миллиметрового диапазона могут работать с использованием фокусирующей системы на основе постоянных магнитов.
8. Созданы сильноточные электронные источники сверхкоротких
(t й 0.4 не) широкополосных импульсов с СВЧ-заполнением миллиметрового
диапазона и с уровнями пиковой мощности в сотни киловатт-единицы мегаватт.
Вклад автора
В работах, представленных на защиту, автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке задач, расчетах, моделировании, разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники; в отработке специальных технологий и изготовлении уникальных элементов новых приборов; в выполнении экспериментов и интерпретации их результатов.
Веализация,резудьтатод .работы
Малогабаритные сильноточные электронные ускорители и различные электрофизические приборы на их основе применялись для практических целей и прикладных исследований по радиофизике и релятивистской высокочастотной
электронике; физике низкотемпературной плазмы; физике полупроводников и диэлектриков; радиационным химии, физике и биологии; прикладной оптике и физихе газовых лазеров; санитарной медицине и т.д.. Перечисленные ниже отечественные и зарубежные организации в разное время использовали или используют результаты исследований и разработок, а также эксплуатируют коммерческие варианты приборов;
-
Институт сильноточной электроники СО РАН (г.Томск);
-
Институт электрофизики УрО РАН (г.Екатеринбург);
-
Институт радиотехники и электроники РАН (г.Москва);
-
Московский радиотехнический институт РАН (г.Москва);
-
Институт высоких температур РАН (г.Москва);
-
СКБ НП УрО РАН (г.Екатеринбург);
-
СКБ НП СО РАН (г.Томск);
-
Московский государственный университет;
-
Уральский политехнический институт, (г.Екатеринбург);
-
ПО Томсктрансгаз (г.Томск);
-
Научно-исследовательский институт полупроводников, (г.Томск);
-
НПО "ЗЕНИТ", (г.Зеленоград);
-
НПО "БУРЕВЕСТНИК", (г.Санкт-Петербург)
-
Техасский технический университет, (г.Лаббок, США);
-
Компания Advanced Physics, Inc., (г.Эрвайн, США);
-
Исследовательский центр GEC-Marconi, (г.Челмсфорд, Великобритания);
-
Исследовательский центр DSTO (г.Солсбери, Австралия);
-
Университет Стразклайд (г.Глазго, Великобритания);
-
Институт физики, (г.Тарту, Эстония)
-
Исследовательский центр FOA (г. Линчопинг, Швеция)
Апробация работы и публикации.
Материалы работы в различное время докладывались на научных семинарах ИЭФ УрО РАН, ИСЭ СО РАН, ИРЭ РАН, НИИ ядерной физики (г.Томск); на рабочих совещаниях ряда отраслевых организаций России; на семинарах зарубежных организаций: Исследовательских центров GEC-Marconi, DSTO, FOA; Техасского технического университета; Университета Стразклайд, а также на национальных и международных конференциях: IV, VI, VII Всесоюзных семинарах по релятивистской высокочастотной электронике (Москва, 1984; Свердловск, 1989; Томск, 1991); VII и IX Симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1988; Пермь-Москва, 1992); XVI и XVII Международных симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Россия, 1994; США, 1996); VI, IX, X, XI международных конференциях по мощным пучкам частиц (Япония, 1986; США, 1992, 1994 и Чешская Республика, 1996); VIII, IX, X Международных конференциях по мощной импульсной технике (США, 1991, 1993 и
1995); Международных конференциях общества SPIE "Мощные СВЧ-импульсы" и "Медицинские лазеры и системы" (США, 1993, 1994, 1995); VII Тихань-Симпозиуме по радиационной химии (Венгрия, 1994); IX Международном симпозиуме по радиационной обработке (Турция, 1994); 23-й конференции по физике плазмы (Великобритания, 1996); Всероссийском семинаре "Физика микроволн" (Нижний Новгород, 1996). Ряд разработанных приборов прошел презентации и экспонирование на отечественных и зарубежных выставках. Микроволновый генератор МГ-2 был отмечен Бронзовой медалью ВДНХ СССР в 1985 г.
Материалы диссертации составили содержание 48 научных статей, и сообщений, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных журналах, сборниках и других изданиях. По материалам работы получено свидетельство на промышленный образец, два авторских свидетельства на изобретения и положительное решение о выдаче патента. Положения, выносимые на защиту, сворятся 1С следующим:
1. С использованием схемы коаксиальной двойной формирующей линии,
коммутатор которой расположен между промежуточным (потенциальным) и на
ружным (заземленным) электродами линии, созданы компактные многофунк
циональные наносекундные импульсно-периодические генераторы с
субнаносекундной точностью синхронизации и генераторы с параллельными
высоковольтными модулями, коммутируемыми без относительного джиттера.
-
Протяженный электронный диод в виде длинной вакуумной линии с ленточным взрывоэмиссионным катодом при работе в режиме бегущей волны обеспечивает равномерный энергетический выход пучка за фольговым окном ускорителя. В оптимальном случае электрические длины передающей линии диода и формирующей линии высоковольтного генератора должны быть равны.
-
Экспериментально показано, что малогабаритный генератор субнано-секундных импульсов длительностью 150-250 пс на основе обостряющего и срезающего азотных разрядников высокого давления позволяет формировать униполярные и двухполярные импульсы со стабильной (не хуже ±5%) амплитудой до 100 кВ на частотах повторения 100 Гц без применения продувки газа.
-
При длительности воздействия менее 250 пс импульсная электрическая прочность воздушной изоляции при нормальных условиях возрастает пятикратно по сравнению со статической, что позволяет уменьшить поперечные размеры системы подключения субнаносекундного модулятора к сверхширокополосной ТЕМ-антенне до единиц сантиметров при импульсной подводимой мощности в сотни мегаватт.
-
Управляемый 200-кВ разрядник генераторов и ускорителей РАДАН-303 синхронизируется с точностью лучше 0.5 не субнаносекундным импульсом, для
чего при диапазоне управления разрядником до 5% достаточно энергии такого импульса не более 10'3 от коммутируемой, а его амплитуда может не превышать 10% зарядного напряжения формирующей линии. Экспериментально показано, что условием точного включения является стимулированный пусковым импульсом опережающий пробой между управляющим электродом и противоположным ему потенциальным.
-
Влияние СВЧ-пробоев в электродинамических структурах электронных СВЧ-приборов не проявляется при длительностях генерации <4 не в условиях технического вакуума, когда напряженность нормальной компоненты электрического поля генерируемой волны на стенках замедляющей системы достигает 1 МВ/см. Созданы генераторы СВЧ-импульсов миллиметрового диапазона длительностью в единицы наносекунд с плотностью потока энергии излучения в замедляющей системе ~ 0.5 ҐВт/см2.
-
Для формирования и транспортировки 4-нс сильноточного электронного пучка ( ~1 кА, ~250 кэВ) в релятивистской ЛОВ миллиметрового диапазона может применяться магнитная фокусирующая система с квазисоленоидальным профилем поля на основе высококоэрцитивных постоянных магнитов.
-
В коаксиальном вакуумном диоде с магнитной изоляцией при подаче на взрывоэмиссионный катод импульса с длительностью 200-300 пс и амплитудой 100-250 кВ сформирован равномерный трубчатый электронный пучок с током < 1кА.
