Современная история лаборатории
В середине 80-х годов по предложению директора НИИ ЯФ при ТПИ Диденко А.Н. начались исследования релятивистских СВЧ генераторов с источниками питания - ЛИУ. На тот период времени это был единственный тип импульсно-периодических ускорителей в институте. Совместными усилиями двух лабораторий - 41 (Сулакшин А.С., Фоменко Г.П., Винтизенко И.И.) и 43 (Фурман Э.Г., Васильев В.В.) - в 1986 году были проведены исследования релятивистского магнетрона 10-см диапазона длин волн в импульсно-периодическом режиме работы. Первый эксперимент продемонстрировал возможность работы релятивистского магнетронного генератора (РМГ) при питании от ЛИУ с частотой следования 160 Гц в пакете из 3-х импульсов с выходной мощностью СВЧ излучения 360 МВт. Необходимо отметить, что импульсно-периодический режим работы релятивистского магнетронного генератора был реализован впервые в мире.
Впоследствии (в 1988-1990) были изготовлены несколько РМГ для лаборатории 41 НИИ ЯФ - НИЦ "Микроволны" (Канаев Г.Г.) с использованием ЛИУ с многоканальными разрядниками для проведения экспериментов по сложению СВЧ мощности от двух выводов магнетрона, а также по сложению мощности от двух магнетронов, запитываемых от двух ЛИУ. Установки применялись для исследований по воздействию мощного электромагнитного излучения на различные полупроводниковые элементы, радиоэлектронные устройства и биологические объекты.
В 1988-1989 годах совместно с ТКБ "Проект" разработан импульсно-периодический релятивистский магнетрон, размещенный на подвижной платформе (Фурман Э.Г., Сулакшин А.С., Фоменко Г.П., Винтизенко И.И., Шиян В.П., Борисов А.Р.). Выходные параметры релятивистского магнетрона достигали 200 МВт, что соответствовало полному к.п.д. ~20%. Дополнительно импульсно-периодический релятивистский магнетрон комплектовался фильтром гармоник для нелинейной радиолокации радиоэлектронных устройств и пирамидальной антенной высокой направленности СВЧ излучения.
Новый этап в развитии импульсно-периодических РМГ произошел при разработке в НИИ ЯФ линейных индукционных ускорителей на магнитных элементах в начале 90-х годов. Использование в качестве коммутатора формирующих линий ускорителя нелинейного элемента - дросселя насыщения - позволило значительно увеличить частоту повторения импульсов. Первый разработанный в 1992 году линейный индукционный ускоритель на магнитных элементах (Фурман Э.Г., Васильев В.В., Томских О.Н., Винтизенко И.И., Гусельников В.И., Митюшкина В.Ю.) состоял из четырех модулей, два из которых являлись ускоряющими и два (катодный и анодный) образовывали инжекторный участок. Рядом с модулями располагались два магнитных импульсных генератора, предназначенные для заряда формирующих линий ускорителя. Ускоритель формировал электронный пучок энергией до 2 МэВ, током 1 кА, длительностью 50-60 нс. Частота следования импульсов такого ускорителя достигала 3300 Гц в пакетном режиме (5 импульсов). Удачный опыт применения нелинейных элементов в линейных индукционных ускорителях и имеющийся задел в области разработки релятивистских СВЧ генераторов позволили в течение 1996-2001 годов создать два варианта СВЧ источников на базе ЛИУ 04/4000 и ЛИУ 04/6 с использованием релятивистских магнетронов (Винтизенко И.И., Фоменко Г.П., Бутаков Л.Д., Фурман Э.Г., Каминский В.Л., Дворецкий М.И., Исаков П.Я., Мащенко А.И., Митюшкина В.Ю. и др.).
В целом можно заключить, что за последние годы разработаны импульсно-периодические релятивистские магнетроны в виде единого комплекса, включающего СВЧ генератор с магнитной системой и ее источником питания, ЛИУ с системой питания, вакуумную систему и систему охлаждения элементов.
В 1998-1999 годах впервые экспериментально показана возможность работы релятивистского магнетронного генератора на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор (Диденко А.Н., Юшков Ю.Г., Винтизенко И.И., Чумерин П.Ю., Мащенко А.Н.). На выходе СВЧ компрессора получены СВЧ импульсы мощностью 1100 МВт с частотой следования импульсов 10 Гц при выходной мощности релятивистского магнетрона ~180 МВт.
В 1996 году были продолжены работы по исследованиям релятивистских СВЧ триодов, питаемых от секций линейных индукционных ускорителей (Винтизенко И.И., Фурман Э.Г.). СВЧ источник выполнен на базе секции линейного индукционного ускорителя и отражательного триода с виртуальным катодом, в классической (Жерлицын А.Г.) и оригинальной осесимметричной конструкции (авторы изобретения: Фурман Э.Г., Винтизенко И.И., Гусельников В.И., Усов Ю.П.). Экспериментально подобрав профиль катода, соответствующий профилю нагретой сетки, на частоте 0,5 Гц удалось реализовать генерацию СВЧ излучения с квазипостоянными характеристиками.
В настоящее время в лаборатории 53 проводятся экспериментальные исследования модифицированных релятивистских магнетронных генераторов 10-см диапазона длин волн с внешней взаимной связью резонаторов (Новиков С.С. - доцент РФ ТГУ, Заревич А.И.). Показано, что взаимодействие колебаний в условиях модовой конкуренции значительно повышает стабильность рабочего вида колебаний, улучшает спектральные характеристики излучения. Применение этого способа открывает возможность использования РМГ с увеличенным числом резонаторов анодного блока, обладающих более высокой эффективностью. Продемонстрирована принципиальная возможность создания антенных решеток на основе РМГ при использовании волноводного тракта, связывающего резонаторы.
В лаборатории теоретически и экспериментально исследуются черенковские усилители 3-см диапазона длин волн (Шлапаковский А.С.). Черенковский усилитель на основе ЛИУ и диэлектрической стержневой антенны, как замедляющей структуры, представляет интерес в связи с проблемой создания управляемых компактных СВЧ источников со сверхвысоким уровнем импульсной мощности. В таком усилителе умеренно релятивистский электронный пучок усиливает рабочую моду стержневой антенны. Пучок генерируется в компактном модуле ЛИУ с полым кромочным катодом и полым катододержателем, который одновременно служит волноводом возбуждения антенны. СВЧ тракт для ввода усиливаемого сигнала размещается внутри высоковольтного электрода ЛИУ и сопрягается с внешним СВЧ источником (СВЧ компрессор). В результате исследований показана работоспособность черенковского усилителя – продемонстрировано усиление наносекундных импульсов СВЧ компрессора с коэффициентом усиления до 12,5 дБ. Выходная мощность черенковского усилителя достигает 16 МВТ
Задачи, стоящие перед исследователями - повышение к.п.д. преобразования энергии из первичного накопителя ЛИУ в электронный пучок, увеличение мощности электронного пучка на нагрузке, рост выходной мощности и к.п.д. релятивистских СВЧ генераторов. С этой целью разработана методика компьютерного моделирования для оптимизации по к.п.д. и выходной мощности линейных индукционных ускорителей и согласования их с различными нагрузками (в том числе и с релятивистским магнетроном).
В 2004-2005 годах Винтизенко И.И., Мащенко А.И., Митюшкиной В.Ю., Бутаковым Л.Д. выполнен проект установки, позволяющий формировать прямоугольный импульс напряжения амплитудой 450 кВ, током 1кА, длительностью 1 мкс с частотой следования 1 кГц. Установка спроектирована на основе оригинальной идеи, заключающейся в синхронизованном последовательном разряде нескольких магнитных импульсных генераторов на высоковольтный трансформатор. Подобные параметры источников питания являются уникальными и недостижимы традиционными схемами генерирования импульсов. Подбором элементов генератора возможно формирование импульсов напряжения линейно-нарастающей или линейно-спадающей формы. Концепция устройства защищена несколькими патентами на изобретение.
