Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Существует ряд актуальных масштабных научных задач, в которых подразумевается использование комплексов, состоящих их большого числа (от десятков до тысяч) синхронизированных высокочастотных (0.1-1 ТГц) мощных источников электромагнитного излучения. Среди таких задач можно отметить 1. Разработку комплексов гиротронов для будущих установок УТС 2. Источники для высокоградиентного ускорения электронов терагерцовыми волнами 3. Передача энергии к ракетным двигателям с помощью пучков излучения диапазона миллиметровых волн Необходимо отметить, что первые две из перечисленных задач весьма актуальны, а последняя содержит значительную долю научной фантастики, хотя передача энергии весьма активно рассматривается несколькими научными группами в мире. Эти проекты казались абсолютно нереальными до предложений и экспериментов сотрудников ИПФ РАН по захвату колебаний мегеваттных гиротронов внешним сигналом и стабилизации частоты и фазы гиротрона, в частности [1-3]: 1. Chirkov, A.V., Denisov, G.G., Kuftin, A.N. Perspective gyrotron with mode converter for co- and counter-rotation operating modes (2015). Applied Physics Letters, 106 (26), DOI:10.1063/1.4923269 2. Fokin, et al, G. High-power sub-terahertz source with a record frequency stability at up to 1 Hz, (2018) Scientific Reports, 8 (1),. DOI: 10.1038/s41598-018-22772-1 3. В.Л. Бакунин, Г.Г. Денисов, Ю.В. Новожилова, А.П. Фокин, Влияние конкуренции мод на режим захвата частоты многомодового гиротрона внешним монохроматическим сигналом, // Известия вузов. Радиофизика. Том LIX, № 8–9, сс. 709-720, 2016. Настоящий проект РНФ направлен на разработку принципов построения сверхмощных комплексов гиротронов мегаваттного уровня мощности, включая проведение экспериментов, доказывающих правильность основных подходов к решению задачи. К таким экспериментам относятся разработка и испытание высокоэффективного (с КПД 55-60%) в субтерагерцового гиротрона (в диапазоне 0.15-0.3 ТГц) мегаваттного уровня мощности с возможностью захвата частоты и фазы колебаний внешним сигналом умеренной мощности - на два порядка ниже управляемого генератора; разработка источника сигнала – драйвера с относительной стабильностью частоты не ниже 10-9, демонстрация разделения сигнала драйвера на много каналов, исследование возможности построения крупногабаритных антенных решеток, анализ влияния атмосферы на амплитудно-фазовые характеристики волновых пучков с поперечными размерами 1000 – 100000 длин волн. Успешная реализация проекта позволит России разработать уникальные технологии для программ УТС, разработки новых высокоградиентных ускорителей, задач направленной передачи энергии, участвовать в крупномасштабных международных проектах, создать конкурентоспособные научные и технические коллективы. Работа рассчитана на четыре года 2019-2022. Наиболее значимые работы, выполненные в отчетном 2019 году: 1. Разработаны методы и подготовлена аппаратура для стабилизации частоты гиротронов с умеренной мощностью 10-100 кВт как источников входного сигнала для захвата частоты мегаваттных гиротронов. Ранее полученные результаты (см., например, A. Fokin et. al., High-power sub-terahertz source with a record frequency stability at up to 1Hz // Scientific Reports, No. 8, 2018, Article Number 4317. DOI:10.1038/s41598-018-22772-1) показали возможность применения системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вырабатывающей управляющий сигнал для изменения анодного напряжения, для стабилизации выходной частоты гиротрона. В планируемом эксперименте проекта будет использован существенно более мощный (на два порядка) источник питания. Для проведения эксперимента подготовлен основной катодный источник питания (25 кВ, 2.4 А), приобретен основной анодный источник питания Spellman ST20N12X4663 с напряжением до 20 кВ и током до 0.6 А при пульсациях напряжения до 0.1%. Для быстрого изменения и стабилизации анодного напряжения гиротрона в ИПФ РАН разработан и испытан блок быстрой регулировки анодного напряжения 2. Теоретически детально исследованы эффекты в гиротроне с многомодовым резонатором в условиях использования внешнего синхронизирующего сигнала: исследована полоса захвата, показано что режим захват принципиально – в несколько раз- увеличивает диапазон перестройки частоты мегаваттного гиротрона. Одно из основных преимуществ режима захвата частоты гиротрона с многомодовым резонатором перед режимом свободных колебаний заключается в подавлении нежелательных колебаний. В результате оказывается возможным расширение зоны одномодовой генерации в область больших токов и меньших значений ведущего магнитного поля, где достигаются высокие значения коэффициента полезного действия (КПД) и мощности излучения. Так для гиротрона с очень высокой рабочей модой ТЕ56,24 при напряжении 100кВ и относительном уровне мощности внешнего сигнала 4% в режиме захвата достигается поперечный КПД 61% при токе 35А, что соответствует мощности излучения около 1.3 МВт. В то же время в автономном режиме максимально достижимые поперечный КПД и ток составляют соответственно 46% и 25А, а мощность менее 0.7 МВт. Расчеты показывают, что при захвате частоты и фазы гиротрона внешним сигналом можно получить одномодовую генерацию со стабильной частотой в субтерагерцовом диапазоне частот с мегаваттным уровнем мощности. Эта возможность открывает перспективу создания комплекса когерентно излучающих гиротронов для создания терагерцовых ускорителей частиц. Выход из зоны захвата при увеличении тока отличается интересной динамикой - параметрическим распадом рабочей моды на два эквидистантных боковых сателлита с одинаковыми амплитудами Такой процесс аналогичен четырехфотонному распаду двух квантов исходной сильной волны на два кванта боковых сателлитов. Соотношение между частотами эквидистантных мод эквивалентно закону сохранения энергии квантов, а соотношение азимутальных индексов мод – закону сохранения поперечного импульса квантов при четырехфотонном распаде. 3. Разработана конструкторская и технологическая документация для гиротрона – источника входного сигнала с возможностью стабилизации и перестройки частоты. Умеренная мощность (25-30 кВт) гиротрона-драйвера позволяет использовать в качестве рабочей относительно низкую моду ТЕ7,3 , Для достижения оптимальных условий по КПД и выходной мощности около 25-30 кВт достаточно иметь ток электронного пучка 2.3 А с энергией частиц 24 кэВ. Разрабатываемый гиротрон, помимо обеспечения приемлемых значений КПД и мощности, должен иметь хорошую подстройку частоты генерации под частоту синхронизируемого им мегаваттного гиротрона. Для грубой подстройки частоты с точностью порядка 10-3 будет использована зависимость частоты генерации от магнитного поля. Дальнейшую, более тонкую подстройку частоты и ее стабилизацию с точностью до 10-9, предполагается осуществлять за счет вариации анодного напряжения при триодной схеме включения магнетронно-инжекторной пушки. В 2019 году началось изготовление гиротрона- источника входного сигнала. Завершение изготовления запланировано на середину 2020 года. 4. Получены детальные расчетные данные для конструирования мегаваттного гиротрона с частотой 230-250 ГГц (для перспективных токамаков и стеллараторов), в котором реализация устойчивой и эффективной работы на высокой рабочей моде обеспечивается захватом генерации внешним сигналом. Выходная мощность гиротрона с модой ТЕ33.13, достигает 1.0 МВт с КПД = 35% при токе пучка Ib = 40A. Магнитное поле для этого режима составляет В0 = 90.38кГс. Остаточная энергия электронов в соответствии с расчетом превышает 30кВ, что позволяет использовать глубокую рекуперацию энергии на коллекторе для поднятия значения КПД выше 50%. Значение плотности мощности потерь в стенке резонатора, достигающая в этом режиме значения pohm = 2.35кВт/см2.Гидравлические и тепловые расчеты показали, что используемая конфигурация системы охлаждения резонатора позволяет отвести от стенки выделяемую мощность с плотностью потерь до 2.6кВт/см2. Сформулированы требования к сверхпроводящему магниту для гиротрона. 5. Совместно с японской фирмой JASTEC рассчитан, сконструирован и запущен в изготовление криомагнит для мегаваттного гиротрона с частотой 230-250 ГГц с вертикальным "теплым" отверстием и вертикальной осью симметрии магнитной индукции включает в себя сверхпроводящий соленоид и криостат. Максимальная магнитная индукция в центре криостата должна быть не менее 10 Тл. Рабочая индукция 10 Тл в центре криомагнита достигается при токе 295.5 А. Диаметр "теплого" отверстия составляет 150 мм. Высота бака криостата - 550 мм. Расстояние между центром соленоида и нижним фланцем криостата - 220 мм. Смещение магнитной оси относительно оси "теплого" отверстия на фланцах криостата не должно превышать 1 мм. Соленоид должен выдерживать выход из сверхпроводимости без нарушения своих исходных параметров, смещение магнитной оси при этом не должно превышать 0.05 мм на уровне фланцев криостата. Поскольку эффективная работа гиротрона требует совмещения оси гиротрона с осью симметрии магнитного поля, криостат снабжен встроенной системой механической юстировки. В 2019 году заключен контракт между ИПФ РАН и JASTEC на изготовление и поставку криомагнита. Поставка криомагнита ожидается в начале 2021 года. 6. С 13 по 15 июня 2019 г. на базе отдыха ИПФ РАН «Варнавино» проведена школа молодых ученых «Актуальные проблемы мощной вакуумной электроники СВЧ: источники и приложения» с приглашением в качестве лекторов ведущих ученых по тематике проекта. В мероприятии приняли участие 14 российских ученых в качестве лекторов и 34 слушателя – российских молодых ученых в возрасте до 35 лет, аспирантов и студентов. Сайт школы - https://ds.ipfran.ru/ 7. В 2019 году опубликовано и принято в печать 9 статей и тезисов в научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (SCOPUS), в том числе 2 статьи в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition или JCR Social Sciences Edition. Также результаты работы представлены в 7 устных докладах на российских и международных конференциях, в том числе в 1 – приглашенном.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Все запланированные на 2020 год работы выполнены. Полученные результаты полностью соответствуют заявленным на этапе формирования проекта. 1. Изготовлен гиротрон-драйвер – источник входного сигнала с возможностью стабилизации и перестройки частоты. Частота излучения 170 ГГц, мощность не менее 25 кВт. Режим работы – импульсный и непрерывный. 2. Результаты испытания гиротрона. В наиболее эффективном режиме работы гиротрона (КПД 36.4%) достигнута выходная мощность 24 кВт. Полученная максимальная мощность – 29.7 кВт, частота излучения 169.77 ГГц. Содержание моды ТЕМ00 с квази-Гауссовым распределением амплитуды поля в выходном излучении составило 96.1 %. 3. Достигнутая экспериментально ширина спектра излучения составила около 1 Гц при частоте излучения 170 ГГц. Это дает относительную стабильность Δf/f = 6*10^-12 при выходной мощности 10 кВт, что является рекордом мощности для непрерывных систем с подобной стабильностью. Продемонстрированные в эксперименте параметры гиротрона – выходная мощность, стабильность частоты – позволяют использовать такой источник для дальнейшего захвата внешним сигналом мощного мегаваттного гиротрона, а возможность управления частотой излучения обеспечивает совмещение частоты излучения с собственной частотой резонатора мощного гиротрона. 4. Гиротрон 230 ГГц, 1 МВт. Результаты разработки. Совместно с фирмой JASTEC Inc. рассчитан новый безжидкостный сверхпроводящий магнит с магнитным полем до 10 Т и «теплым» отверстием 150 мм для использования с новым гиротроном с частотой 230ГГц. Магнит изготовлен и испытан фирмой JASTEC Inc. Все требуемые параметры продемонстрированы (см. файл с дополнительми материалами к отчету). Поставка магнита в Институт прикладной физики планируется в феврале – марте 2021. Определена схема гиротрона. Поскольку для обеспечения выходной мощности прибора выбрана достаточно высокая рабочая мода резонатора ТЕ 33.13 конструкция гиротрона допускает ввод внешнего сигнала в резонатор для захвата частоты и повышения КПД генератора. Выполнены детальные расчеты электронной пушки, резонатора с системой его охлаждения, квазиоптического преобразователя, коллектора с рекуперацией остаточной энергии электронов, выходного окна. Расчетные энергия частиц и ток электронного пучка составляют 75 кэВ и 45 А, выходная мощность 1 МВт, КПД взаимодействия 30-35 %, полный КПД с одноступенчатой системой рекуперации остаточной энергии электронов 50%. Мощность используемого для синхронизации внешнего сигнала от 20 кВт до 50 кВт. В расчетах показана необходимость использования режима захвата колебаний для достижения требуемых параметров гиротрона. Дифракционные потери квазиоптического преобразователя рабочей моды в параксиальный волновой пучок внутри прибора составляют около 2%. На основе детальных расчетов разработана конструкторская документация на импульсный макет гиротрона и прототип непрерывного прибора. 5. Подготовлен стенд для проведения эксперимента по захвату частоты мегаваттного гиротрона, состоящий из двух испытательных гиротронных стендов, соединенных линией передачи микроволнового излучения - обновлен стенд гиротрона-драйвера – источника входного сигнала (25 кВт) Стенд оборудован высоковольтным источником питания (25 кВ, 3 А), работающем в импульсном и непрерывном режимах. Магнитное поле создается системой JASTEC, состоящей из источника питания и сухого сверхпроводящего магнита на 10 Тесла с диаметром теплого отверстия 100 мм. Также заново созданы системы охлаждения (рассчитана на 100 кВт непрерывной мощности), защиты и управления. - подготовлен Стенд мегаваттного гиротрона с высоковольтным источником питания (115 кВ, 70 А), работающем в импульсном режиме с длительностью импульса 100 мкс и частотой 10 Гц. Магнитное поле создается системой JASTEC, состоящей из источника питания и сухого сверхпроводящего магнита на 7 Тесла с диаметром теплого отверстия 140 мм.. - Спроектирована и изготовлена комбинированная линия передачи, состоящая из двух квазиоптических участков (внутри гиротронных стендов) и протяженного (около 20 метров) волноводного участка между стендами (стенды расположены в разных помещениях). 6. Нестабильность параметров источника питания гиротрона может приводить к фазовым флуктуациям поля излучения, что является проблемой при разработке комплекса когерентно излучающих гиротронов, где в соответствии с теоретическими оценками флуктуации фаз излучения гиротронов не должны превышать нескольких градусов для когерентного сложения сигналов. В 2020 году в рамках проекта исследована возможность уменьшения фазовых флуктуаций при воздействии внешнего монохроматического сигнала гиротрона-драйвера. Расчеты проводились на примере двух гиротронов мегаваттного уровня мощности: созданного в ИПФ РАН гиротрона, работающего на моде ТЕ28.12 с частотой 170 ГГц, а также разрабатываемого гиротрона с вдвое большей частотой 345 ГГц, в котором в качестве рабочей была выбрана мода ТЕ56.24, позволяющая сохранить такой же уровень тепловой нагрузки на стенку резонатора. Для гиротрона с рабочей частотой 345 ГГц ранее была теоретически показана возможность достижения мегаваттного уровня мощности при захвате его частоты и фазы внешним сигналом. В режиме захвата частоты и фазы рабочей моды внешним монохроматическим сигналом с относительной мощностью 4% (уровнем мощности порядка десятков киловатт) флуктуации фазы излучения уменьшаются почти на порядок по сравнению с режимом автономной генерации. При относительной модуляции напряжения 0.2%, что соответствует флуктуациям напряжения до =0.2кВ при среднем напряжении U=100кВ, флуктуации фазы составляли 35-50 градусов в свободном режиме генерации и 4-7градусов в режиме фазового захвата. Таким образом, при характерной для современных источников питания нестабильности напряжения захват внешним сигналом позволяет ограничить флуктуации фазы излучения несколькими градусами и тем самым удовлетворить требованиям, необходимым для реализации комплекса когерентно излучающих гиротронов. 7. Рассмотрены три способа деления мощности волновых пучков с целью получения от мастер-генератора (гиротрона-драйвера), работающего на частоте 170 ГГц, необходимого числа синфазных сигналов: использование дифракционной решетки, с помощью синтезированных зеркал и в результате многомодовой интерференции в прямоугольном волноводе (эффект Тальбота). Все варианты обладают достаточно высокой эффективностью и выбор одного из них зависит от требований, предъявляемых конкретной задачей. Первые два варианта легко конструктивно вписываются в квазиоптический зеркальный тракт. Квазиоптическая схема деления волнового пучка не содержит трудоёмких для изготовления элементов. С помощью набора из n-го количества направленных ответвителей достаточно просто разделить падающий на такую систему волновой поток на n равных частей. Однако, как и всякое другое квазиоптическое устройство, такая система деления мощности требует тщательной юстировки отдельных её элементов. Последняя схема лишена этого недостатка, но в силу ограниченного пространства применяемого для этой схемы волновода, конструктивно сложнее развести в пространстве полученные на выходе этого устройства волновые пучки. Однако, эта схема деления мощности включает в себя только волноводные элементы, которые легко вписываются в протяжённый сверхразмерный волноводный тракт (в том числе и вакуумный), связывающий необходимое число гиротронов в одну систему синфазных генераторов. 8. С 29 сентября по 1 октября 2020 года в рамках проекта в Институте прикладной физики РАН состоялась вторая школа для молодых ученых «Актуальные проблемы мощной вакуумной электроники СВЧ: источники и приложения». В этом году в силу эпидемиологической ситуации школа прошла в онлайн формате. В мероприятии приняли участие 84 человека. Из них 10 российских и 2 зарубежных ученых в качестве лекторов и 51 слушатель – российские молодые ученые в возрасте до 35 лет, аспиранты и студенты. Сайт школы в сети Интернет https://ds.ipfran.ru/ 9. В 2020 году опубликовано и принято в печать 15 статей и тезисов в научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (SCOPUS), в том числе 2 статьи в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition или JCR Social Sciences Edition. Также результаты работы представлены в 5 устных докладах на российских и международных конференциях, в том числе в 2 – приглашенных.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате выполнения этапа 2021 года Проекта 19-79-30071 были получены следующие основные результаты: 1. РАЗРАБОТКА ГИРОТРОНА С ЧАСТОТОЙ 230 ГГЦ - В ИПФ РАН проведены успешные испытания магнита с интенсивностью магнитного поля до 10 Тл при диаметре проходного отверстия 150 мм. Магнит был рассчитан совместно ИПФ РАН и японской фирмой JASTEC, Inc. и изготовлен фирмой JASTEC, Inc. Данный магнит уникален для России и позволяет реализовать гиротроны мегаваттного уровня с рабочими частотами 230-250 ГГц. Все параметры магнита, в том числе распределение магнитного поля и время включения полностью соответствуют расчетным данным. - На основе расчетов 2020 года и предварительных экспериментов с макетом в 2021 году подготовлена скорректированная конструкторская и технологическая документация гиротрона с рабочей частотой 230 ГГц и мощностью до 1 МВт в новом магните с диаметром проходного отверстия 150 мм. Изготовлены ключевые узлы указанного гиротрона – катодно-анодный блок, резонаторная секция, коллектор, окна вывода СВЧ-мощности из нитрида бора диаметром 100 мм, корпус гиротрона. 2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ЗАХВАТУ ЧАСТОТЫ МЕГАВАТТНОГО 170 ГГЦ ГИРОТРОНА - Для разработанной в 2020 году схемы эксперимента по захвату частоты изготовлены все необходимые компоненты, включая компоненты линии передачи излучения от гиротрона-драйвера к мегаваттному гиротрону, квазиоптические устройства ввода и вывода излучения для линии передачи, аппаратура для измерения частоты и мощности излучения драйвера и мегаваттного гиротрона. Гиротрон-драйвер и мегаваттный собраны и находятся в рабочем состоянии. Линия передачи (длиной около 20 метров) смонтирована. - Частоты гиротрона-драйвера и мегаваттного гиротрона совмещены с относительной точностью 3х 10(-5) путем тщательного перебора четырех резонаторов мегаваттного гиротрона, изготовленных с точностью диаметра до 1 микрона. С помощью подстройки магнитного поля и изменения температуры, охлаждающей резонаторы воды, частоты перестраиваются в большем (не менее 10(-4)) пределах, что гарантирует возможность совмещения частот драйвера и мегаваттного гиротрона. - В предварительных экспериментах для захвата частоты осцилляций использован отраженный снаружи мегаваттного гиротрона сигнал, мощность которого управлялась в диапазоне от 0 до 90 кВт. Сигнал с максимальным значением отраженной мощности радикально менял характер генерации, что проявлялось в стабилизации частоты в широком диапазоне магнитных полей и энергий электронов, и был в некотором смысле избыточным. Эффекты захвата и стабилизации наблюдались с мощности сигнала около 10 кВт, что подтверждает правильность выбора мощности гиротрона-драйвера. 3. СХЕМА ДЕЛЕНИЯ СИГНАЛА С МОЩНОСТЬЮ 100 КВТ НА НЕСКОЛЬКО КАНАЛОВ - Рассмотрены способы деления мощности волновых пучков с целью получения от мастер-генератора (гиротрона-драйвера), работающего на частоте 170 ГГц, необходимого числа синфазных сигналов: использование дифракционной решетки, поляризационной решетки, с помощью синтезированных зеркал и в результате многомодовой интерференции в прямоугольном волноводе (эффект Тальбота). Проанализированы омические и дифракционные потери волновых пучков для каждого способа, электрические поля на поверхности делителей. Проведены модельные эксперименты на мощностях до 1МВт в импульсах с длительностью до 2 секунд, а также с мощностью 15 кВт в режиме непрерывного излучения. - Основной схемой деления выбрана многомодовая интерференция в сверхразмерном прямоугольном волноводе. Эта схема деления мощности включает в себя только волноводные элементы, которые легко вписываются в протяжённый сверхразмерный волноводный тракт (в том числе и вакуумный), связывающий необходимое число гиротронов в одну систему синфазных генераторов. 4. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛНОВОГО ПУЧКА - На основе рассмотрения теоретических моделей, анализа данных и измерений были выполнены расчеты атмосферного поглощения на избранных площадках, в частности площадках на востоке северного Кавказа, показавшие в эксперименте ограниченную перспективность поисков мест с низким уровнем поглощения субТГц волн на западе Кавказа и большую перспективность площадок на востоке Кавказа. - Эксперименты в окне прозрачности 2 мм показали, что ограничения для работы в этом окне близки к сформулированным для окна прозрачности 3 мм. Для работы в окне прозрачности 2 мм целесообразно устанавливать инструмент на высоту 1 -2 км. Эксперименты, выполненные в этих двух диапазонах, позволяют на основе используемых моделей поглощения атмосферы экстраполировать результаты на два следующих окна прозрачности атмосферы 1.3 мм и 0.8 мм представляющих в перспективе наибольший интерес для практики. Здесь ожидаемые уровни поглощения становятся недопустимо большими даже для высот над уровнем моря около 2 км и позволяют сделать вывод о бесперспективности установки инструментов, предназначенных для радиоастрономии, телекоммуникаций и радиолокации на частотах свыше 200 ГГц на высотах ниже 3000 м. 5. РАЗРАБОТКА КОМПРЕССОРА ИМПУЛЬСОВ МОЩНОГО ГИРОТРОНА - В рамках данного проекта предложена концепция и разработан активный квазиоптический компрессор с активным ключом на основе арсенида галлия (GaAs), отражающая способность которого инициируется импульсами оптического излучения, генерируемыми пикосекундным лазером с длиной волны 532 нм. В качестве базовой выбрана конструкция компрессора на основе трех-зеркального резонатора. В качестве активного элемента (ключа) в разработанном компрессоре используется изготовленная из арсенида галлия (GaAs) пластина диаметром 150 мм, установленная под углом Брюстера. Фотопроводимость в пластине GaAs возникает под действием импульса излучения мощного пикосекундного лазера. - Исследованы времена релаксации носителей в GaAs, по спаду фотолюминесценции, наблюдаемой после подсветки образцов пикосекундными лазерными импульсами с длиной волны 532 нм. По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод, что независимо от образца и уровня накачки времена релаксации GaAs не превышают 200 пс и, следовательно, в активных ключах на основе GaAs потенциально достижимы суб-нс времена переключения. - На малом уровне мощности (лампа обратной волны c мощностью порядка 10 мВт на частоте 170 ГГц) показано что при облучении лазером полупроводниковой пластины формируется отраженный (R = 0.7…0.8) микроволновый импульс с длительностью 0.5-1.5 нс в зависимости от плотности мощности оптического излучения. - Рассчитан и спроектирован, и изготовлен трехзеркальный квазиоптический резонатор, компрессора. Расчетный коэффициент усиления компрессора составляет примерно 60. Нагруженная добротность разработанного резонатора при полной его длине (сумма длин трех плеч резонатора) мм составляет около 63 000, что соответствует ширине резонанса 2.7 МГц и точности настройки длины резонатора, т.е. положения зеркал, не хуже 0.01мм. Разработана система стабилизации и подстройки частоты резонатора. - Выбран и испытан для использования в разрабатываемом компрессоре пикосекундный лазер с длиной волны излучения 532 нм и энергией в импульсе до 50 мДж. И длительностью импульса около 100 пс. Данных параметров лазера достаточно для формирования суб-нс и нс импульсов выходного излучения в разработанном компрессоре. 6. С 7 по 9 июня 2021 года в рамках проекта в Институте прикладной физики РАН состоялась третья школа для молодых ученых «Актуальные проблемы мощной вакуумной электроники СВЧ: источники и приложения». В этом году в силу эпидемиологической ситуации школа прошла в гибридном формате (онлайн и очно). В мероприятии приняли участие 71 человек. Из них 10 российских и 4 зарубежных ученых в качестве лекторов и 42 слушателя – российские молодые ученые в возрасте до 35 лет, аспиранты и студенты. Сайт школы в сети Интернет https://ds.ipfran.ru/ 7. В 2021 году опубликовано и принято в печать 16 статей и тезисов в научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (SCOPUS), в том числе 1 статья в журнале, входящем в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition или JCR Social Sciences Edition. Также результаты работы представлены в 16 устных докладах на российских и международных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Научные результаты, полученные в 2022 году 1. Продемонстрирована мощность 0.5 - 1 МВт в импульсном макете гиротрона с частотой 230-250 ГГц. Исследованы два макета гиротронов с указанном диапазоне: повышение параметров гиротрона в магните с «теплым» отверстием 100 мм и сборка/испытание мегаваттного гиротрона в новом (приобретенном на средства гранта) магните с «теплым» отверстием 150 мм. В меньшем магните мегаваттная мощность в гиротроне недостижима из-за недостаточного напряжения катод-анод вследствие ограниченного зазора между этими электродами. Для использования в большем магните разработан и изготовлен макет гиротрона с мощностью 1 МВт. Гиротрон с частотой 250 ГГц в магните с «теплым» отверстием 100 мм. На этапе 2021 года в короткоимпульсном (50 мкс) варианте гиротрона была достигнута мощность 330 кВт на частоте 250 ГГц. В качестве рабочего типа колебаний используется мода TE19,8. Задачей работ 2022 года было повышение выходной мощности до 500 кВт. Конструкция гиротрона дает возможность увеличить энергию электронов в пространстве взаимодействия, используя так называемую «схему с рекуперацией энергии», в которой дополнительный ускоряющий потенциал подается на резонатор прибора. Именно такая схема использована в экспериментах 2022 года. Используемые источники питания позволили реализовать работу с длительностью импульсов 50 мкс и полным ускоряющим напряжением до 70 кВ. При токе пучка около 24 А была достигнута мощность 500 кВт при КПД 42%. Гиротрон с частотой 230 ГГц в магните с «теплым» отверстием 150 мм. Проводится эксперимент с макетом мегаваттного гиротрона в магните с теплым отверстием 150 мм. Параметры этого гиротрона и особенности конструкции позволяют достижение мегаваттного уровня мощности как в импульсном, так и в непрерывном режиме работы вследствие достаточных размеров резонатора и высокой рабочей моды TE33,13. Конструкция гиротрона предусматривает возможность ввода внешнего сигнала для захвата частоты колебаний, что повышает КПД генератора вследствие подавления конкурирующих мод. Начат вывод прибора на номинальные параметры по току и напряжению высоковольтного импульса с постепенным увеличением длительности. 2. Продемонстрирован захват частоты мегаваттного гиротрона внешним сигналом гиротрона-драйвера со стабилизированной частотой 170 ГГц. Исследованы полосы захвата по частоте, основному магнитному полю и напряжению электронного пучка Для разработанной в 2020-2021 годах схемы эксперимента по захвату частоты изготовлены и настроены для работы все необходимые компоненты, включая линию передачи излучения от гиротрона-драйвера к мегаваттному гиротрону, квазиоптические устройства ввода и вывода излучения, система для стабилизации и перестройки частоты драйвера, аппаратура для измерения частоты и мощности излучения гиротронов. Первые эксперименты по захвату частоты проведены на уровне мощности основного гиротрона превышающем 1МВт (Ток пучка 35 А, энергия электронов около 100 кэВ). Мощность сигнала драйвера составляла до 20 кВт. При такой мощности драйвера эффект захвата наблюдался очень четко – зона захвата составляла более 0.5 % по основному магнитному полю при точности управления лучше 10(-4), 6-8 кВ по основному напряжению при точности управления лучше 0.5 кВ, в полосе частот 15-20 МГц (в зависимости от магнитного поля). При захвате спектр излучения мегаваттного гиротрона преобразовывался в спектр гиротрона -драйвера. Отмечено также расширение зоны генерации захваченного гиротрона по магнитному полю и увеличение максимальной мощности на 11%. 3. Демонстрация деления сигнала мощностью до 100 кВт на несколько каналов. В 2022 году планировалась проверка деления сигнала в устройстве на основе эффекта Тальбота. В экспериментах было продемонстрировано деление волнового пучка с частотой 140 ГГц и 170 ГГц на две и четыре части при мощности до 600 кВт. Дифракционные потери не превышали 3%, омические 1 %. 4. Показано увеличение мощности излучения в компрессоре не менее чем в 20 раз. На предыдущих этапах выполнения проекта был разработан и изготовлен трехзеркальный квазиоптический компрессор микроволнового излучения с рабочей частотой 170 ГГц. В разработанном компрессоре длительность импульса определяется временем релаксации носителей в GaAs и может быть значительно меньше времени пробега излучения в резонаторе. Особенно важной данная особенность становится в случае компрессии мощного выходного излучения гиротронов. Во всех проведенных экспериментах использовался лазер с длиной волны 532 nm и энергией в импульсе до 50 мДж c длительностью импульса 100 пс и частотой повторения 5 Гц. Энергия импульса лазерного излучения могла устанавливаться заданной в диапазоне 2 - 50 мДж. В качестве микроволнового источника использовалась лампа обратной волны (ЛОВ) с выходной мощностью порядка 10 мВт и с частотой, задаваемой высокостабильным внешним синтезатором. По результатам проведенных экспериментов был получен коэффициент компрессии 24+/-2 что хорошо соответствует оценке максимально достижимого коэффициента 25 для, для измеренного уровня потерь в компрессоре. Длительность сформированного импульса около 1 нс меньше времени пробега излучения по резонатору (2.3 нс). Величина компрессии определяется потерями на переключателе, которые в дальнейшем будут снижены в несколько раз при использовании пластины из арсенида галлия с резонансной толщиной. В этом случае в разработанном компрессоре достижимы значения коэффициента компрессии более 50. Согласно расчетам электропрочности элементов компрессора, в условиях вакуумирования компрессор может обеспечивать формирование микроволновых импульсов мощностью порядка 100 МВт. 5. Сформулированы принципы построения сверхмощных гиротронных комплексов для будущих систем УТС и терагерцовых ускорителей на основе исследований, проведенных в рамках проекта. В течение времени выполнения проекта подтвердилась важность и актуальность разработки сверхмощных гиротронных комплексов. Наиболее востребованными важными приложениями являются комплексы для разрабатываемых установок УТС, источники для терагерцовых ускорителей частиц, комплексы для беспроводной передачи энергии на удаленные наземные и космические объекты. Для указанных приложений комплексы из десятков (а может быть сотен) мегаваттных гиротронов-генераторов необходимо захватить по частоте и синхронизовать с помощью стабилизированного по частоте гиротрона-драйвера. Выполненные работы показали возможность стабилизации частоты до 10 (-12) системой фазовой автоподстройки, возможность разделения сигнала большой мощности на несколько (в том числе на большое число) каналов. Захват колебаний позволяет повысить КПД приборов, дает возможность создания эффективных мегаваттных субтерагерцовых (0.2-0.5 ТГц) гиротронов, необходимых для электронно-циклотронных систем плазменных установок УТС нового поколения и терагерцовых ускорителей. Очевидно, что использование большого числа гиротронов для ускорителей или в системах передачи энергии подразумевает их когерентность и необходимое фазирование. 6. С 28.02 по 04.03.2022 состоялась 4 школа для молодых ученых «Актуальные проблемы мощной вакуумной электроники СВЧ: источники и приложения», в которой приняли участие 78 человек: 15 российских ученых в качестве лекторов и 35 слушателей – молодых ученых в возрасте до 35 лет, аспиранты и студенты. Сайт школы: https://ds.ipfran.ru/ 7. В 2022 году опубликовано 14 статей в научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection), «Скопус» и RSCI, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition. Результаты работы представлены в 16 устных докладах на российских и международных конференциях.