КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-79-30071

НазваниеПринципы построения сверхмощных субтерагерцовых комплексов

РуководительДенисов Григорий Геннадьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук", Нижегородская обл

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В ходе выполнения Проекта 2019 подтвердилась актуальность разработки сверхмощных гиротронных комплексов. Наиболее востребованными важными приложениями являются комплексы для новых установок УТС, источники для перспективных терагерцовых ускорителей частиц, комплексы для беспроводной передачи энергии на удаленные наземные и космические объекты. Для указанных приложений комплексы из десятков (а может быть, тысяч) мегаваттных гиротронов-генераторов необходимо захватить по частоте и синхронизовать с помощью стабилизированного по частоте гиротрона-драйвера. В выполненных работах впервые в мире продемонстрирован захват частоты мегаваттного гиротрона внешним стабилизированным сигналом с мощностью 10-20 кВт. Также впервые в мире показана возможность стабилизации частоты до 10^(-12) относительно мощного гиротрона (20 кВт) системой фазовой автоподстройки. Такая высокая стабильность обеспечивает определенность взаимных фаз гиротронов на значительных расстояниях. Показана возможность разделения сигнала большой мощности на несколько (в том числе, на большое число) каналов. Захват колебаний позволяет повысить КПД приборов, дает принципиальную возможность создания эффективных мегаваттных субтерагерцовых (0.2-0.5 ТГц) гиротронов, необходимых для электронно-циклотронных систем плазменных установок УТС нового поколения. Например, в проекте ДЕМО планируется использование 50-60 непрерывных гиротронов с частотой около 230 ГГц и КПД не менее 60%. Исследование ускорения с высоким градиентом, заметно превышающим достигнутые на сегодня в классических ускорителях дециметрового и сантиметрового диапазонов значение ~100 МВ/м, является важнейшей и актуальной задачей современной ускорительной физики. Высокие ускоряющие поля предполагается получать в системе мегаваттного субтерагерцового гиротрона с захваченной фазой и компрессора импульсов. Требуемая мощность источника составляет сотни мегаватт при длительности импульса порядка наносекунды. Для ускорителя требуется комплекс из десятков таких источников со стабильностью фазы в несколько градусов. Изумляющие масштабами комплексы сфазированных гиротронов для передачи энергии с Земли до двигателей ракет представлены в проектах научных групп США (1000 гиротронов) и Японии (94000 гиротронов). Диапазон частот гиротронов 140 –170 ГГц, мощность 2 МВт, длительности импульсов 20-100 секунд. Взаимные фазы разных приборов должны обеспечивать возможность создания антенно-фазовой решетки размеров в сотни метров. Эти проекты казались абсолютно нереальными до предложений и экспериментов сотрудников ИПФ РАН по захвату колебаний гиротронов внешним сигналом, стабилизации частоты и фазы гиротрона: Важно отметить, что направленная передача даже меньшей мощности на более скромные расстояния (10-1000 км) также актуальна и для других приложений. В продолжение Проекта 2019 предполагается выполнение следующих основных работ: - теоретическое и экспериментальное исследование электронно-циклотронного преобразователя СВЧ-излучения коротковолновой части миллиметрового диапазона в постоянный ток (ЭЦР ректенны) с высоким (вплоть до 1 МВт) уровнем принимаемой мощности для систем беспроводной передачи энергии; - демонстрация компрессии излучения стабилизированного гиротрона для целей терагерцового ускорения на основе разработанной в Проекте 2019 концепции квазиоптического компрессора импульсов ; - проведение экспериментов по захвату частоты разработанного в Проекте 2019 мегаваттного гиротрона с рабочей частотой 230 ГГц; - экспериментальное исследование расширенной перестройки частоты мегаваттных гиротронов в режиме захвата внешним сигналом.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается получение следующих основных результатов: 1. Будут определены оптимальные (с точки зрения эффективности преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока) режимы работы ЭЦР ректенн миллиметрового диапазона с принимаемой мощностью от 10 кВт до 1 МВт и рабочими частотами 35 ГГц, 95 ГГц, 140 ГГц. Будут проведены эксперименты, доказывающие правильность принципа работы (proof-of-principle experiments) ЭЦР ректенны на частоте 35 ГГц с расчетной эффективностью 60-80% при входной мощности в 20-30 кВт. 2. Будет разработан компрессор с повышенным коэффициентом компрессии, в котором будет экспериментально продемонстрирована компрессия излучения гиротрона мощностью порядка 20 кВт на частоте 170 ГГц с коэффициентом компрессии около 50. Будут получены экспериментальные данные по предельному уровню плотности потока энергии переключаемой GaAs пластины, активируемой пикосекундным лазером. На этой основе будет разработан проект квазиоптического компрессора с выходной импульсной мощностью 50-100 МВт. 3. Будет спроектирован, изготовлен и испытан импульсный гиротрон-драйвер с частотой 230 ГГц и мощностью 100 кВт для экспериментов по захвату внешним сигналом частоты мегаваттного гиротрона. Будут получены данные о перестройке частоты мегаваттных гиротронов в режиме свободных колебаний и в режиме захвата. Достижение заявленных результатов позволит России существенно продвинуться в таких перспективных областях как - разработка гиротронных комплексов для существующих и планируемых программ УТС (включая DEMO и российский проект TRT), что является основой для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике; - решение задач повышения градиента ускорения заряженных частиц и разработка на этой основе компактных электронных ускорителей нового поколения, востребованных для создания лазеров на свободных электронах, а также для медицинских и промышленных приложений; - реализация мощных ЭЦР ректенн для развития технологий беспроводной передачи энергии на большие расстояния, в том числе, к космическим объектам. Масштабы перечисленных в проекте возможных приложений в случае их реализации, несомненно, будут оказывать сильное позитивное влияние на развитие мощной электроники и иметь значительный экономический эффект. Кроме того, решение поставленных задач имеет опосредованное значение для разработка методов стабилизации и управления частотой электронно-вакуумных источников терагерцового диапазона, что даст возможность их широкого применения, в том числе, в спектроскопии. Получение запланированных результатов обусловит равноправное партнерство с ведущими научными лабораториями мира, а также возможность участвовать в крупномасштабных международных проектах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ