Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках Проекта выполнены все запланированные работы. 1. Разработка ЭЦР ректенн миллиметрового диапазона с высокой мощностью принимаемого излучения Выполнен теоретический анализ возможности реализации нового типа электронно-циклотронных преобразователей СВЧ излучения в постоянный ток (ЭЦР ректенн), отличающихся высокой частотой и мощностью принимаемого излучения. Предполагается продвижение таких устройств в коротковолновую часть миллиметрового диапазона с уровнем мощности до 1 МВт. Повышение частоты позволит существенно увеличить направленность волновых пучков и дальность передачи энергии. Для этих целей предложено использовать ряд подходов, апробированных ранее при создании мощных гиротронов для плазменных приложений. Основным отличием от существующих длинноволновых приборов этого класса с низким уровнем мощности является использование взаимодействия трубчатого электронного пучка большого радиуса с развитой модой сверхразмерных резонаторов, тогда как ранее в ЭЦР ректеннах использовались приосевые тонкие электронные пучки (в виде одной тонкой струи), поглощающие излучение в резонаторах с размерами порядка длины волны. Фактически, разрабатываемый класс ЭЦР ректенн представляет собой «обращенный гиротрон», поскольку используется циклотронно-резонансное поглощение излучения изначально прямолинейными «многоструйными» электронными пучками. На этапе 2023 года определены оптимальные (с точки зрения эффективности преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока) параметры и режимы работы ЭЦР ректенн типа «обращенный гиротрон» миллиметрового диапазона (1 МВт/95 ГГц и 10-20 кВт/35 ГГц). В численном моделировании продемонстрирована возможность высокой (до 80-90%) эффективности преобразования входного сигнала в постоянный ток в полосе 40-50 МГц по частоте внешнего сигнала. Разработан принципиальный дизайн электронно-оптической системы (ЭОС) формирования прямолинейного электронного пучка с приемлемыми параметрами для ректенны мегаваттной мощности. Начата проработка деталей запланированного proof-of-principle эксперимента на частоту 35 ГГц, включая расчеты ЭОС пучка и двунаправленного квазиоптического преобразователя для ввода/вывода излучения 2. Разработка компрессора излучения гиротронов для получения мощных ультракоротких импульсов. На предыдущих этапах выполнения Проекта разработанный квазиоптический компрессор с переключателем на основе арсенида галлия (GaAs) был испытан на малом (порядка 10 мВт) уровне мощности. Использование 170 ГГц гиротрона с выходной мощностью порядка 20 кВт в качестве микроволнового источника для компрессора потребовало разработки, изготовления и экспериментального тестирования ряда систем, предназначенных для дистанционной подстройки рабочей частоты компрессора, ввода микроволнового излучения гиротрона в компрессор и измерения мощных компрессированных импульсов наносекундной длительности. На текущем этапе выполнения Проекта компрессор был дополнен двумя системами дистанционной подстройки его рабочей частоты: точная, но относительно медленная на основе теплового расширения корпуса компрессора и обладающая меньшей, но достаточной точностью система на основе дистанционно управляемого линейного актуатора. Шаг перестройки частоты с помощью актуатора составлял менее 0,25 полуширины резонансной кривой (по уровню -3dB) рабочего колебания компрессора. Для ввода излучения гиротрона в компрессор была разработана и изготовлена квазиоптическая двухзеркальная линия передачи, обеспечивающая поворот поляризации и формирование гауссового волнового пучка с требуемыми параметрами - заданными ширинами по двум поперечным координатам и плоским фазовым фронтом. Проведено измерение амплитудных распределений сформированного волнового пучка в нескольких поперечных сечениях. С помощью итерационного метода восстановления фазы по проведенным амплитудным измерениям получено распределение фазы сформированного волнового пучка на входе в компрессор. В экспериментально полученном пучке доля требуемого гауссового пучка составила 90% с учетом реконструированной фазы. С использованием реализованных систем были проведены эксперименты по компрессии излучения 170 ГГц гиротрона мощностью порядка 20 кВт. При максимальной энергии лазерных импульсов порядка 50 мДж экспериментально измеренный коэффициент компрессии составил 20 +/- 5. Предложен новый тип компрессора на основе фазоуправляемого переключения направления распространения волновых пучков, отражающихся от гофрированного зеркала. Активируемый лазером фазовращатель выполнен в виде пластины GaAs, монтируемой на плоском медном зеркале, что обеспечивает эффективный теплоотводи радикально решает задачу повышения пиковой и средней мощности компрессированных импульсов. 3. Детальные исследования режимов захвата мегаваттного гиротрона внешним сигналом гиротрона-драйвера. Выполнены детальные исследования режимов генерации мегаваттного гиротрона диапазона 170 ГГц при захвате сигналом малой (~20 кВт) мощности от стабилизированного гиротрона-драйвера. Внешний сигнал подавался в резонатор захватываемого гиротрона через комбинированную линию транспортировки излучения и двунаправленный квазиоптический преобразователь, позволяющий трансформировать входное излучение в рабочую моду. Продемонстрировано улучшение выходных характеристик выходного излучения, включая существенное (в ~2.4 раза по магнитному полю) расширение полосы устойчивой одномодовой генерации рабочего типа колебаний, увеличение генерируемой мощности на 10%, а также возможность обужения спектра, ширина которого в режиме захвата определяется спектром драйвера. Полученные результаты открывают возможность создания сверхмощных антенных комплексов, состоящих из неограниченно большого числа сфазированных мегаваттных гиротронов. 4. Разработка проекта импульсного гиротрона-драйвера с частотой 230 ГГц. Разработан дизайн гиротрона-драйвера диапазона 230 ГГц для управления и стабилизации частоты комплекса мегаваттных гиротронов, что востребовано в таких перспективных приложениях как нагрев плазмы и управление током в установках УТС нового поколения, высокоградиентное ускорение заряженных частиц и др. В том числе: 4.1 Выполнен расчет режимов генерации гиротрона-драйвера с мощностью до 150 кВт. С использованием оригинальных кодов, разработанных в ИПФ РАН, исследованы стартовые условия для рабочего и ближайших паразитных типов колебаний, рассчитан сценарий включения, определены зоны генерации и выходные параметры (мощность, эффективность и частота) в зависимости от магнитного поля основного соленоида, напряжения и тока электронного пучка. Проведена оптимизация параметров резонатора для достижения максимальной мощности и эффективности при номинальных параметрах электронного потока. Расчетное значение эффективности генерации составляет 30%, что согласуется со значениями, полученными при испытаниях гиротронов диапазона 140-170 ГГц. 4.2 Разработана электронно-оптическая система в виде триодной магнетронно-инжекторной пушки (МИП), формирующая ламинарный электронный поток с высокой долей вращательной энергии (отношение вращательной скорости электронов к их поступательной скорости составляет 1.3-1.5 в зависимости от совокупности технических параметров – ток эмиссии, напряжение и магнитное поле в катодной области). При выбранной геометрии электродов разработанная МИП слабо критична к небольшим (+/-2 мм) сдвигам в магнитном поле и небольшим погрешностям в радиальном (+/-0.25 мм) и продольном (+/-0.5 мм) положении первого анода. Указанные погрешности меняют скоростной разброс не более чем на 1%, а питч-фактор – не более чем на 0.15. 4.3 Выполнен синтез элементов встроенного квазиоптического преобразователя рабочего типа колебаний в узконаправленный волновой пучок. Профилирование поверхности элементов позволяет реализовать коэффициент преобразования выше 99%, что обеспечивает малый уровень рассеянного излучения внутри прибора и, соответственно, малые тепловые нагрузки на элементы конструкции.