ственно ниже. В российском и американском гиротронах применяются магнитные системы с принудительным жидкостным охлаждением – масляном и водяном соответственно. Во всех гиротронах, приведенных в таблице 4, используются цилиндрические резонаторы на рабочем типе колебаний ТЕ021, магнетронно-инжекционные диодные электронные пушки с катодами в режиме температурного ограничения. Применяемые в этих приборах ЭОС позволяют изменять уровень выходной мощности более чем на 20 дБ при измененииускоряющего напряжения в пределах 20–30 кВ [47].

1.2.3 Гиротронные усилители

Значительный интерес к гиротронным усилителям, таким как гироклистроны, гиро-ЛБВ, гиротвистроны (смотри таблицу 1), определяется их высокими энергетическими характеристиками в импульсном и непрерывном режимах работы, широкой полосой усиливаемых частот, высоким коэффициентом усиления. Такие приборы являются мощными источниками когерентного электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне волн с высоким уровнем средней мощности, с возможностью формирования сложных СВЧ сигналов, отличающихся широким спектром, законами модуляции, такими как амплитудночастотная, кодово-импульсная, фазоманипулированная, возможностью переключения стабильных частот в широком диапазоне и т.п. В возможности формирования сложных высокоэнергетичных СВЧ сигналов и состоит основная отличительная характеристика гироусилителей, важная для построения систем дальней радиолокации малых объектов с низким уровнем рассеяния электромагнитных волн. Применение гироусилителей в современных радиолокационных передающих устройствах позволяет значительно увеличить дальность действия, разрешающую способность, помехозащищенность радиолокационных станций.

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 71

Становятся реальными новые направления в радиолокации, такие как исследование метеообразований на значительных высотах, локация мелких объектов в космосе, определение траекторий астероидов и организация планетарной защиты, проведение исследований в радиоастрономии.

Другая важная область применения гироусилителей связана с созданием линейных ускорителей. Основным требованием к этим гироусилителям является максимальная импульсная мощность в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волн. Требования к диапазонным характеристикам оказываются несущественными и поэтому в ускорителях находят применение гироклистроны, гиротвистроны и не находят применение гиро-ЛБВ. Требования к уровню средней мощности и к ширине полосы усиления значительно ниже, чем для усилителей в системах радиолокации. В то же время требования к уровню импульсной мощности для применения в современных ускорителях с энергией единицы ТэВ значительно превышают достижимые значения традиционных клистронов.

Принципы действия и принципиальные схемы построения гироусилителей полностью аналогичны применяемым в усилителях с линейным электронным пучком. В гироклистронах применяются стоячие волны в двух или большем числе резонаторов, как в классических клистронах; в гиро-ЛБВ применяется режим бегущей волны в высокочастотной системе, так же, как в ЛБВ; в гиротвистроне, как и в твистроне, группировка электронов производится в поле стоячей волны, а отбор энергии происходит в поле бегущей волны.

Построение гироусилителей требует решения задач оптимизации режимов работы и конструкций электродинамических, электронно-оптических систем с целью достижения максимальныхэнергетическихидиапазонныххарактеристик.

Для увеличения КПД и уровня мощности выходного сигнала применяются в основном те же методы, что и для гиротронов (смотри 1.2.1.2) – размещение спирального электронного пучка в области максимального поперечного электрического поля рабочего типа волы, оптимизация профиля резонатора или волноводной секции, оптимизация продольного изменения магнитного поля.

Всвязи с требованием большого коэффициента усиления возникает дополнительная задача обеспечения высокой стабильности выбранных режимов работы гироусилителей. Нарушение стабильной работы связано с возникновением паразитного самовозбуждения всего усилителя или отдельных его узлов. Так же, как и в усилителях с прямолинейным электронным пучком, требование стабильности является важнейшим в гироусилителях, ограничивающим достижимые высокочастотные характеристики.

Вгиро-ЛБВ основными причинами, приводящими к нарушению стабильной работы, являются: а) возникновение паразитных обратных связей в волноводных секциях усилителя, вызванных недостаточным согласованием высокочастотных цепей; б) возбуждение обратной волны в волноводных секциях гиро-ЛБВ; в) гиротронное взаимодействие спирального электронного пучка с нерабочими типами колебаний в высокочастотной системе и на гармониках циклотронной частоты [61].

Вгироклистронах нестабильности могут возникать в областях прохождения спирального электронного пучка в электронной пушке, в трубках дрейфа между резонаторами, непосредственно в резонаторах на паразитных частотах, в согласующемпереходепослевыходногорезонатораит.п.

Успешная разработка гироусилителя возможна только при условии подавления всех возможных нестабильностей режима усиления. Для этого необходимо понимание механизмов паразитного самовозбуждения при прохожде-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 73

нии винтового электронного пучка в различных узлах гироусилителя, включая трубки дрейфа, области электронно– оптических систем, удаленные от высокочастотных цепей, резонаторы и волноводы на нерабочих типах колебаний. На основе этих данных разрабатываются различные методы подавления неустойчивостей в гироусилителях. Находят широкое применение диэлектрические и поглощающие материалы (стержни и пластины), вводимые в различные узлы гироусилителей, позволяющие устранить паразитные автоколебания и значительно улучшить СВЧ характеристики усилителя [47, 62]. Для подавления паразитных колебаний в узлах высокочастотных цепей успешно применяются различные методы, включая создание продольных щелей в стенках резонаторов и волноводов, пересекающих токи паразитных типов колебаний.

Исследования путей построения гироусилителей начались в Советском Союзе еще в 1960 году и в Соединенных Штатах Америки в 1970 году. Широкая публикация многих результатов, достигнутых в СССР, оказалась возможной только в начале 90-х годов. Сейчас имеется достаточная информация о разработках гироусилителей в период 60–90 гг. и оказывается возможным проследить пути преодоления многих проблем увеличения выходной мощности, КПД, коэффициента усиления, полосыусиливаемыхчастот.

Рассмотрим этапы разработок гироусилителей разных классов и проблемы достижения высоких энергетических и диапазонных характеристик.

1.2.3.1Гироклистроны. Особенности построения и характеристики

Гироклистрон был изобретен в СССР в 1966 году [63] и независимо в США [64]. Основные исследования и разработки в России и в бывшем СССР выполнены в Научно–

исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ, г. Нижний Новгород), Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН, г. Нижний Новгород), Институте прикладной физики "Торий", в федеральном унитарном предприятии "НВП "Исток", г. Фрязино, НИИ "Орион" и в Киевском политехническом институте (г. Киев, Украина). Основные разработки в США выполнены на фирмах "Varian", Naval research laboratory (NRL).

Теоретическое определение параметров высокочастотной системы и винтового электронного потока для достижения максимальных энергетических и диапазонных характеристик гироклистрона базируются на численном интегрировании системы нелинейных уравнений, характеризующих взаимодействие электронов с высокочастотным полем в группирователе и в выходном резонаторе. Основные результаты анализа характеристик гироклистрона при отборе мощности от предварительно сгруппированного электронного пучка на входе в выходной резонатор [65], полученные в приближении заданного поля в цилиндрическом резонаторе на волне ТЕ011 и моноскоростном тонком трубчатом электронном пучке сводятся к следующему:

-Параметры гироклистрона, определяющие устойчивое усиление, ограничены областью, в которой выполняются условия мягкого паразитного самовозбуждения. Область самовозбуждения существенно расширяется при увеличении относительной длины резонатора, а также при увеличении отношения поперечной и продольной

скоростей электронов v /v║. При использовании "коротких" резонаторов опасность самовозбуждения возрастает при больших величинах нагруженной добротности

Qн. При увеличении длины резонатора L критическая величина нагруженной добротности уменьшается.

-Вне области паразитных автоколебаний реализуется устойчивое усиление гироклистрона. КПД в режиме уси-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 75

ления возрастает при увеличении произведения (QнL) и прочих неизменных параметрах. Максимальным значениям η соответствует режим работы вблизи области неустойчивости. Теоретически определенное максимальное значение поперечного КПД η ≈70% достигается при значительных параметрах рассинхронизма. При отсутствии рассинхронизма КПД падает примерно

в два раза.

-Ширина полосы усиления обратно пропорциональна величине нагруженной добротности оконечного резонатора и примерно равна его "холодной" полосе пропускания.

Разработки в России для применения в радиолокацион-

ных системах проводились в диапазонах 35 ГГц и 94 ГГц. Начастоте 35 ГГц созданы мощные гироклистроны импульсногоиквазинепрерывногодействия(ИПФ"Торий") [66]:

а) Трехрезонаторный гироклистрон c длительностью импульса 100–400 мкс и минимальной скважностью Q=12 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1) с выходной мощностью 250 кВт, с КПД=35%, с полосой усиливаемых частот 1,4 %, с коэффициентом усиления 40дБ. Все три резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ011. Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=55 кВ, ток I0=13 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый трехэлектродной магнетронно-инжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=1,2 T.

б) Двухрезонаторный гироклистрон с длительностью импульса 100 мкс и минимальной скважностью 2000 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1), с выходной импульсной мощностью 750 кВт, КПД=24%, с полосой усиливаемых частот0,6%, скоэффициентомусиления20 дБ. Дварезонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ021. Параметры электри-

ческого питания: ускоряющее напряжение U0=75 кВ, ток I0=45 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый двухэлектродной магнетронно-инжек- ционной пушкой при осевом магнитном поле B0=1,2 T. Мощность этого прибора являлась рекордной для гироусилителей 8–миллиметровогодиапазонаволн. Данныйгироклистронбыл освоен промышленностью и нашел применение в РЛС 8– миллиметровогодиапазонаволн.

Известна разработка импульсного гироклистрона в 8-миллиметровом диапазоне на второй гармонике циклотронного резонанса (n=2), выполненная в ИПФ РАН [47]. СВЧ параметры этого прибора были следующие:

Pи=125 кВт, КПД=15%, f=0,1%, Gmax=15 дБ (в режиме на-

сыщения), U0=60 кВ, I0=13,5 А. Поливинтовой трубчатый электронный пучок формируется триодной магнетронноинжекционной пушкой в магнитном поле с индукцией B0=0,72 T. Максимальный уровень мощности этого прибора ограничивался возникновением паразитного самовозбуждения на колебаниях типа ТЕ011 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1). В процессе разработки не удалось подавить эту неустойчивость.

Вдиапазонечастот92–94 ГГцвРоссии разработанымощныегироклистроныимпульсногоинепрерывногодействия:

а) Четырехрезонаторный гироклистрон непрерывного действия на основной частоте циклотронного резонанса n=1), с выходной мощностью 2,5 кВт, КПД=25%, с полосой усиливаемых частот 0,33%, с коэффициентом усиления 30 дБ при насыщении (ИПФ РАН, ФГУП "Исток"). Четыре резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ011. Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=22 кВ, ток I0=0,46 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый трехэлектродной маг- нетронно-инжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=3,7 T.

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 77

б) Четырехрезонаторный гироклистрон с длительностью импульса 100 мкс и минимальной скважностью 2000 на основной частоте циклотронного резонанса (n=1), с выходной импульсной мощностью 65 кВт, КПД=26%, с полосой усиливаемых частот 0,32%, с коэффициентом усиления 35 дБ (ИПФ РАН). Четыре резонатора возбуждались на колебаниях типа ТЕ011. Параметры электрического питания: ускоряющее напряжение U0=55 кВ, ток I0=4,5 A. В приборе применялся трубчатый электронный пучок, формируемый трехэлектродной магнетронно-инжекционной пушкой при осевом магнитном поле B0=3,7 T.

Гироклистроны, разработанные в США в 70–80-е годы для радиолокационных систем, в основном близки по СВЧ-параметрам к приведенным выше для российских гироклистронов, но характеризуются меньшими уровнями максимальной импульсной мощности. Эти приборы в диапазонах 35 ГГц и 94 ГГц работают на основной частоте гирорезонанса (n=1), применяют 2–3 резонатора на колебаниях типа ТЕ011 в цилиндрическом резонаторе [47]. Последующее развитие гироклистронов в США (в NRL, в университете в Мэрилэнд) были направлены на увеличение пиковой и средней мощности на частотах 35 ГГц и 94 ГГц для применений в радиолокации. В Ка-диапазоне в двух- и трех-резонаторных гироклистронах получены соответственно импульсные мощности 210 кВт при КПД=37% и полосе частот f=0,3% и 225 кВт при КПД=31% и f=0,8%. В W-диапазоне в результате теоретической оптимизации всех узлов гироклистрона и режимов работы, включая стабильность усиления, была достигнута максимальная величина произведения Pср×Δf [67]. В этой работе были получены параметры: Pи=115 кВт, Pср=10 кВт, КПД=32%, f=600 Мгц. Значительные успехи достигнуты при разработке гироклистронов непрерывного действия в трехмил-

78 Глава 1

лиметровом диапазоне волн [68]. Так, гироклистроны, разработанные в США (фирмы CPI, Litton, NRL), содержащие 4–5 резонаторов на волнах типа ТЕ0,1,1 характеризуются следующими параметрами в диапазоне 94 ГГц: выходная мощность 10 кВт, КПД>31%, усиление G>32 дБ, полоса усиления f/f=(0,45–0,75)%

Сопоставление приведенных параметров гироклистронов, разработанных для радиолокационных систем, с достижимыми параметрами ЛБВ с линейным электронным пучком показывает, что по энергетическим параметрам (выходной мощности и КПД) гироклистроны значительно превосходят традиционные усилители бегущей волны, особенно в коротковолновой части миллиметровом диапазоне волн.

В 90-е годы прошлого столетия в США, в Институте плазменных исследований университета в г. Мэрилэнд получила значительное развитие разработка сверхмощных импульсных гироусилителей в сантиметровом диапазоне волн для современных линейных ускорителей с энергиями свыше одного TеВ [47]. Во всех разработанных усилителях применяются входные резонаторы на волне типа ТЕ011, возбуждаемые магнетронами с уровнем импульсной мощности 100 кВт при длительности импульса τ=2мкс. Гироклистроны выполнены по двух и трех резонаторной схемам и работают на гармониках циклотронной частоты n=1, 2, 3. Рабочими модами выходных резонаторов являются ТЕ021, ТЕ031 для второй и третьей гармоники соответственно. Радиусы этих резонаторов выбраны так, чтобы не возбуждались частоты выходного сигнала на волне типа ТЕ011. Ускоряющие напряжения лежат в пределах 400– 450 кВ, токи электронного пучка 190–250 А. Выходные сигналы в интервале частот f=10–20 ГГц характеризуются уровнями импульсной мощности Pи=20–30 МВт, а при f=30 ГГц Pи=2 МВт. Электронный КПД≈30% в сантиметровом диапазо-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 79

неволн. ДляувеличениятехническогоКПДдо50% применяетсярекуперация. Подавление паразитных самовозбуждений достигнуто введением в трубки дрейфа колец из поглощающей непористой керамики (20% SiC в 80% BeO), а также алюмино– силикатнойкерамики, пропитаннойуглеродом.

В настоящее время разработки гироклистронов для ускорителей направлены на увеличение импульсной мощности до 100 МВт на частоте 17–18 ГГц при ускоряющем напряжении 500 кВ и токе электронного пучка 600 А. Предполагается построениетрехрезонаторногоклистронасусилением50 дБ.

Ясно, что рассматриваемые гироусилители для линейных ускорителей выходят за рамки традиционных ЭВПусилителей и представляют собой высокоэнергетичные устройства, разработка и эксплуатация которых требует применения специальных решений в построении ЭОС, и электродинамическихсистем, системуправленияиканализациипотоков СВЧ-энергии, системэлектропитанияитеплосъема.

1.2.3.2Гироусилители бегущей волны (гиро-ЛБВ и гиротвистроны). Особенности построения и

характеристики

Разработки мощных гиро-ЛБВ стимулируются, прежде всего, стремлением значительно расширить полосу усиливаемых частот, что важно для построения современных радиолокационных систем дальнего обнаружения с высоким разрешением. Так же, как и в классических ЛБВ, нерезонансный характер взаимодействия в гиро-ЛБВ должен привести к существенному улучшению диапазонных характеристик усилителя.

Создание гироусилителей, однако, столкнулось со значительными трудностями, вызванными нестабильностями, возникающими при работе вблизи частоты отсечки волноводной системы, применяемой в гироприборах для увеличения эффективности взаимодействия (смотри 1.1).

Разработка гиро-ЛБВ в значительной степени концентрировалась на создании методов подавления паразитных самовозбуждений при одновременном обеспечении условий эффективного взаимодействия спиральных пучков с бегущими ТЕ волнами в волноводной системе [69]. Для построения однокаскадных [70, 71] и двухкаскадных [72] широкополосных гиро-ЛБВ в Ка-диапазоне нашли применение методы, основанные на плавном изменении радиуса волноводной системы и одновременном изменении магнитной индукции вдоль оси, позволяющие существенно увеличить устойчивость режима усиления к самовозбуждению на обратной волне [73, 74].

К наиболее широкополосным следует отнести гиро– ЛБВ, разработанные в NRL в начале 90-х годов XX века. В этих приборах применялись электродинамические системы на основе волноводов прямоугольного сечения с бегущей волной типа ТЕ10. В однокаскадной гиро-ЛБВ волновод прямоугольного сечения был выполнен с плавным расширением широкой стенки (под углом 0,250) от катода к коллектору электронов. При этом магнитное поле линейно спадало вдоль волновода от 1,45 Т на входе до 1,2 Т на выходе системы, благодаря чему обеспечивалось длительное синхронное взаимодействие бегущей волны с электронным потоком. В этой гиро-ЛБВ при ускоряющем напряжении U0=33 кВ и токе пучка I0=1,6 А был достигнут диапазон рабочих частот

от 27 ГГц до 38 ГГц (33%) при уровне мощности Pout≈5 кВт, электронном КПД =10%, усилении 25 дБ [75].

С использованием волноводов прямоугольного сечения на волне типа ТЕ10 с изменяющимся размером широкой стенки и величины магнитной индукции вдоль продольной оси в NRL создана также двухкаскадная гиро-ЛБВ с полосой усиливаемых частот 20% на уровне –3дБ, с импульсной мощностью 8 кВт и КПД=16% [72].

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 81

Наиболее мощные гиро-ЛБВ в Ка-диапазоне созданы в NTHU (Тайвань) при использовании цилиндрического волновода на волне типа ТЕ11 и работе на основной частоте гирорезонанса [74]. При введении плавного изменения магнитной индукции вдоль оси и применении распределенного поглотителя в волноводной системе достигнута импульсная мощность 93 кВт при КПД=16%, усилении 35 дБ, полосе усиливаемых частот 7,5%. Параметры электрического питания: U0=89,5 кВ,

I0=1,85 A; индукцияB0=1,2 T.

Введение волноводной секции с бегущей волной в конструкцию гироклистрона, вместо выходного резонатора, позволяет существенно увеличить диапазонность прибора и, одновременно, получить устойчивость режима усиления более высокую, чем в гиро-ЛБВ. По аналогии с традиционными ЭВПтакиеприборыносятназваниегиротвистроны.

Разработка гиротвистронов с высокими энергетическими и диапазонными характеристиками требует учета особенностей работы и оптимизации характеристик гироклистронов и гиро-ЛБВ. Теоретический анализ достижимых характеристик гиротвистронов [78, 79] проведен в слаборелятивистском приближении; учитывались поперечная и продольная группировки электронов при одновременном взаимодействии с попутной и встречной волнами в выходном каскаде гиротвистрона, согласованного со стороны нагрузки. Электронный поток на входе в систему полагался моноскоростным; пространственный заряд не учитывался. Исследовалось взаимодействие на основной гирочастоте (n=1). Рассматривались однорезонаторная и двухрезонаторная модуляции электронного пучка на входе в выходной каскад гиротвистрона.

Выполненный анализ позволил определить достижимые энергетические и диапазонные характеристики гиротвистрона в зависимости от параметров группиров-

ки, геометрии ВЧ-системы, параметров электронного пучка. Показано, в частности, что для оптимизированного двухрезонаторного группирователя и оптимальной длине выходного каскада максимальный КПД η max=72 %. Для обеспечения устойчивого режима усиления длина выходного каскада L должна быть уменьшена так, чтобы пусковой ток самовозбуждения на обратной волне Iпуск превысил рабочий ток пучка I0.

Диапазонные характеристики усиления выходного каскада гиротвистрона существенно зависят от соотношения между рабочей длиной волны λ и критической волны волноводной выходной секции λкр. При фиксированных параметрах задачи может быть определена величина λ/λкр, при которой полоса усиления 2Δω/ω достигает максимального значения. Выполненные расчеты показывают возможность оптимизации параметров гиротвистрона, при которой достижима полоса уси-

ления 2 f/f>4% при отношении I0/Iпуск=0,8.

Разработки гиротвистронов проводятся в Росси (ИПФ РАН) и в США (NRL). Показана возможность расширения полосы усиливаемых частот до 2% в диапазонах X и W при уровне импульсной выходной мощности 50–160 кВт, КПД=17–25%, коэффициенте усиления

30 дБ [76, 77].