eng
Выпуск #4/2012
Л.Борисов, Г.Щелкунов
Мощные и сверхмощные СВЧ-источники: от клистронов до нового класса приборов
Мощные и сверхмощные СВЧ-источники: от клистронов до нового класса приборов
Просмотры: 8434
Сегодня мощные и сверхмощные клистроны применяются не только для дальней радиолокации, наземной и космической связи, но и для ускорителей высоких энергий, в научных исследованиях и в исследованиях космического пространства. Рассмотрен новый класс СВЧ-источников, перспективный для генерации жесткого рентгеновского излучения, для питания ускорителей и построения различных вариантов СВЧ-излучателей.
В России основные разработки СВЧ-приборов были сосредоточены в НИИ-160 (ныне НПП "Исток"), созданном в 1943 году. Именно тогда и началось становление отечественной СВЧ электронной отрасли. Это предприятие быстро становится центром отечественной СВЧ-электроники, мощным генератором новых идей, пионером перспективных направлений по разработке множества типов приборов: мощных приборов М-типа, пролетных клистронов средней и большой мощности, ЛБВ средней мощности, электростатических усилителей.
Клистроны
Первые клистроны были маломощными приборами, но позднее они как СВЧ-генераторы и усилители сравнялись и даже превзошли по мощности магнетроны. Работы по созданию мощных клистронов на предприятии начались в 1954 году. Был создан ряд приборов с уникальными параметрами: первый отечественный сверхмощный клистрон (20 МВт в импульсе) для Харьковского линейного ускорителя электронов (50 одновременно работающих клистронов), базовый сверхмощный (30 МВт) широкополосный клистрон для радиолокации, сверхмощный клистрон для линейного ускорителя "Факел" Института атомной энергии им. И.В.Курчатова и др.
Определяющую роль в развитии направления многолучевых приборов сыграли выполненные группой теоретиков "Истока" теоретические исследования многолучевых клистронов. Ими были также подготовлены расчеты для разработки подобных приборов.
Современные мощные многолучевые клистроны работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах с уровнем импульсной мощности от 1 кВт до 30 МВт. Этот класс приборов используется в приоритетных системах вооружения в качестве выходных каскадов усилительных цепочек.
В клистрÓне преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путем модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролете их сквозь зазор объемного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ-поля.
В простейшем клистроне два резонатора: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролетных клистронов стали каскадные многорезонаторные клистроны, имеющие один или несколько промежуточных резонаторов, которые расположены между входным и выходным резонаторами.
Клистроны усилительные импульсного действия применяются в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчиках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт (соответственно с необходимой мощностью клистронов), в ускорителях заряженных частиц и в системах сверхдальней локации – от 200 кВт до 30 МВт.
Далее речь пойдет только о работах, выполнявшихся с участием или под руководством авторов статьи. С марта 1957 года Л.Борисов работал в лаборатории Г.М.Кауфмана (создание мощных усилительных клистронов для наземных и космических систем связи, для РЛС и других применений), а Г.Щелкунов – в лаборатории С.А.Зусмановского (создание мощных и сверхмощных импульсных клистронов для дальней радиолокации). Эволюция конструкций мощных клистронов показана на рис.1, а основные их характеристики приведены в табл.1.
Клистроны непрерывного действия дециметрового диапазона. Клистрон №1 (КУ-206) предназначен для линий тропосферной связи. Мощность 10 кВт, длина волны 30 и 37 см. В процессе разработки этого клистрона были проведены исследования (Л.М.Борисов), в результате которых:
созданы стеклянные "окна" в каждом резонаторе. Удалось "увидеть" электронный луч, изменение его конфигурации при изменениях вакуума и фокусировки, светящиеся "точки" на стенках и концах пролетных труб, плавление их торцов при ухудшении фокусировки. Были отработаны режимы клистрона и показано, насколько важна роль ультразвуковой очистки деталей;
решена проблема с перегоранием петли вывода энергии (один из экспериментов, проводимых для выяснения причин этого явления, положил начало работам Г.Щелкунова по шаровой молнии).
Клистрон №2 (КУ-308) предназначен для тропосферной связи. Мощность 3 кВ, широкий диапазон перестройки – 30–37 см. Такой диапазон был получен благодаря новым узлам настройки и устройству связи [1].
Клистрон №4 (КУ-44) – мощность 5 кВт, полоса усиления 1,5%, КПД 50%. Предназначен для наземных видов связи. Клистроны КУ-206, КУ-308 и КУ-44 выпускались серийно долгое время.
Клистрон №3 – мощность 1,5 кВт, длина волны около 40 см, полоса усиления 1,5%, КПД 50%. Был специально разработан для передачи телевизионных сигналов на восточную территорию СССР со спутника в условиях открытого космоса. Его мощность должна была быть достаточной для приема сигнала комнатной антенной. Требовались высокий КПД, большая долговечность, малые масса и габариты. Для этого были использованы двухзазорные резонаторы и металлопористый катод. Все испытания в имитаторе космоса прошли успешно. Однако по решению Международной комиссии заказчики вынуждены были использовать клистрон меньшей мощности. Тем не менее, результаты работы не пропали даром: была показана возможность повышения КПД до 70% [2] и этот опыт использовали при разработке следующих клистронов.
Многолучевые клистроны с двухзазорными резонаторами. Клистрон №5 предназначен для работы на спутнике (взамен клистрона №3). Мощность 300 Вт, длина волны около 40 см, полоса усиления 3,5%. Такая полоса была получена благодаря использованию семилучевой конструкции с двухзазорными резонаторами. Этот клистрон успешно работал во время Олимпиады-80.
Клистрон №6 имел оригинальную конструкцию [3] и был предназначен для РЛС. Он попеременно работал в двух режимах, отличающихся по мощности в 100 раз. При испытаниях экспериментальных многолучевых клистронов с двухзазорными резонаторами получена полоса усиления более 10%. Для сверхмноголучевого (61 луч) клистрона с однозазорными резонаторами это значение составило 18%.
Импульсные клистроны сантиметрового диапазона. Клистрон №7 для РЛС имел мощность 40 кВт и полосу усиления 6% (такие характеристики в СССР были получены впервые). Применение многолучевой конструкции, двухзазорных резонаторов и выходной системы из трех связанных резонаторов (изобретение было внедрено в 1999 г. [4]) позволило создать конструкцию, удовлетворяющую жестким требованиям. Клистрон до сих пор успешно работает у заказчика.
Затем были разработаны еще восемь импульсных клистронов, отличающихся количеством лучей и резонаторов. Их мощность находилась в пределах от единиц до нескольких десятков киловатт. Полоса усиления составляла 2% в 2-см диапазоне и 6% – в 4-см. Они были освоены в производстве и поставлялись заказчику.
Экспериментально была показана возможность расширения полосы клистронов в 1,5–2 раза при использовании трех- или четырехзазорных выходных резонаторов. При разработке этих клистронов использовалась программа оптимизации [5].
Некоторые клистроны (см. рис.1 и табл.1) сыграли свою роль в дальнейшем развитии СВЧ-техники, многие продолжают работать в аппаратуре и сейчас [6].
Мощные и сверхмощные импульсные клистроны "Аметист" и "Ацетон" для установки термоядерного синтеза, "Аврора-3" для линейного ускорителя и "Аэростат" для возбуждения фазированной решетки (антенны с большим числом ячеек с СВЧ-источниками) разработаны в лаборатории С.А.Зусмановского при участии Г.Щелкунова.
"Аметист" предназначался для Курчатовского института. Была разработана конструкция, изготовлены первые образцы и начаты их испытания. Но на этом этапе физики остановили работу, так как при подаче СВЧ-мощности (мощность одного СВЧ-импульса не менее 10 кДж) в установке заказчика возбуждалось до 50 видов неустойчивости плазмы. Позже на основании этих работ Г.Щелкунов получил оценку энергосодержания натуральной шаровой молнии диаметром 8 см и решил проблему измерения энергии редких импульсов (один через 10 с) [7]. Длина волны клистрона (21 см) была выбрана с перспективой его использования для исследования газообразного водорода в космическом пространстве.
"Ацетон" с внешними резонаторами (такая конструкция была разработана в СССР впервые) предназначался для возбуждения клистрона "Аметист".
"Аэростат" имел гладкую фазочастотную характеристику, импульсную мощность 4 МВт, среднюю мощность 20 кВт, длительность импульса до 40 мкс и более. В нем была обеспечена жесткая фокусировка электронного луча благодаря магнитному его сопровождению. Этот клистрон предназначался для возбуждения большой фазированной решетки одного из вариантов системы противоракетной обороны. По соглашению СССР–США (1972) этот вариант ПРО был исключен.
В сверхмощном импульсном клистроне "Аврора-3" были достигнуты высокие характеристики: мощность и долговечность 8 тыс. ч (табл.2). Надо сказать, что помимо ранее выявленных в клистроне механизмов возбуждения "паразитных" колебаний был обнаружен еще один вид, обусловленный конфигурацией магнитного поля фокусирующего соленоида в месте расположения выходного резонатора клистрона. Подавление этих паразитных колебаний достигнуто изменением конфигурации поля.
Одновременно решены проблемы обеспечения высокой долговечности, стабильного и высокого вакуума в приборах, вакуумной плотности оболочки, эффективной тренировки при изготовлении, устойчивости к высоковольтным пробоям (пробои при эксплуатации практически исключены) [8–13]. Проведено теоретическое исследование структуры возможных электронных потоков [14].
Клистрон "Аврора-3" работал на ускорителе (в то время крупнейшем в мире) в Харьковском атомном центре, запущенном в эксплуатацию в октябре 1963 года. Применялся также для питания ускорителей Курчатовского института, МИФИ, в институтах биофизики (Москва), радиологии и медицины в Обнинске (Калужская область), в Ленинграде, Минске и Ереванe (на большом кольцевом ускорителе протонов), в качестве СВЧ-источника для камеры регистрации столкновений атомных частиц в СВЧ-сепараторе Серпуховского ускорителя протонов (по мощности – 70 МэВ – он был в свое время одним из самых больших в мире). Здесь клистрон "Аврора" работал в режиме модулирующего импульса, по величине в пять раз большего, чем у типовых модуляторов, и это потребовало внесения в его конструкцию необходимых изменений [15, 16].
СВЧ-приборы для генерации рентгеновского излучения
и создания эффективных ускорителей
СВЧ-источник. Опыт работы, накопленный при создании клистронов, позволил подойти к созданию новых приборов-гибридов с мощными СВЧ-источниками. Например, для генерации жесткого рентгеновского излучения создан новый СВЧ-прибор "Бриг", в котором в одном вакуумном объеме размещены СВЧ-источник (СВЧ-тетрод) и катодный узел, испускающий электронный луч в СВЧ-зазор высокодобротного коаксиального полуволнового резонатора. Луч ускоряется в СВЧ-зазоре до 600–700 кэВ и бомбардирует вольфрамовую мишень. Панорамное (или направленное) рентгеновское излучение выходит через стенку наружу. Масса источника "Бриг" – 11 кг, после армировки – до 50 кг. Энергопотребление составляет 1,5–2 кВт. "Бриг" входит в аппарат Д-501, который успешно эксплуатировался на заводе "Пермские авиамоторы" для контроля швов сварных корпусов авиадвигателей [17, 18].
На основе этой разработки авторами патентов были предложены перспективные группы компактных СВЧ-источников нового класса для систем разрушения информационных и управляющих радиосредств и клистронов для систем обнаружения и наведения (РЛС дальней радиолокации, средств наземной и космической связи).
Базовая ускорительная секция (БУС) с СВЧ-источником в ее составе, (патент РФ №2306685, рег. 20.09.2007 г.) (рис.2). БУС может использоваться как единичная секция-ускоритель (СВЧ-источник и пролетная трубка в едином вакуумном объеме), так и для формирования (на основе БУС) цепочек линейных и циклических ускорителей сверхвысоких энергий (рис.3а, б).
СВЧ-излучатель (патент РФ №2349983, рег. 20.03.2009) [19, 20]. Выходная импульсная мощность до 4 МВт и более, энергопотребление 1,5–2 кВт, масса импульсного источника до 50 кг, масса СВЧ-излучателя до 100 кг. Главная особенность конструкции: в выходном "каскаде" электронный луч отсутствует (нет механизма группирования и нет ограничения из-за скорости света – с).
Напомним суть ограничения из-за скорости света на примере клистрона "Аврора-3". Рабочее (ускоряющее электронный луч) напряжение клистрона – 300 кВ. При этом электроны ускоряются до скорости 0,8 c. При напряжении выше 300 кВ скорость электронов луча (главный фактор преобразования энергии от модулятора через механизм модуляции и группирования луча в сгустки) нарастает медленнее (по асимптоте к пределу скорости света). Другими словами, ограничения по скорости света приводят к тому, что эффективность взаимодействия уменьшается, а проблемы электропрочности и "амуниции" обостряются. Клистрон "Аврора-3" весит 60 кг, а его "амуниция" (выпрямитель, модулятор, фокусирующий соленоид, биозащита и прочее) имеет массу до 5 т.
О возможном применении СВЧ-излучателя. В статье [19] представлен обзор некоторых средств ведения войны, предназначенных для воздействия на информационные и управляющие радиосредства противника. "Радиощит" передовых стран должен иметь две составляющие.
Первая (с помощью клистронов и других СВЧ-источников в составе радиоаппаратуры) решает задачу обнаружения радиосредств противника и наводки на них радиосистемы разрушения их информационных и управляющих радиосредств вплоть до их физического подавления (ФП). Вторая предполагает наличие эффективных средств ФП, часть из которых описана в [20].
Авторы полагают, что благодаря высоким энергиям излучения, компактности и низкому энергопотреблению СВЧ-излучателя можно усовершенствовать некоторые системы ФП (базирование может быть наземное, воздушное и космическое). Другими словами, новая группа СВЧ-источников позволит укрепить "радиощит" России.
В заключение можно сказать, что изготовление СВЧ-прибора "Бриг", БУС, СВЧ-излучателя базируется на отработанной технологии производства клистронов и использовании ряда элементов их конструкций.
Литература
А.С. СССР №195507. Устройство связи с коаксиальной линией./Касумова Н.Г., Борисов Л.М. – Опубл. в 1966 г.
Борисов Л.М., Захарова А.Н., Евтушенко О.В. и др. Экспериментальный телевизионный клистрон с высоким КПД. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1970, вып.7.
А.С. СССР №669964. Многорежимный СВЧ-прибор./Борисов Л.М., Давыдова И.Б., Жарый Е.В., Кауфман Г.М. – Опубл. в 1977 г.
Патент СССР №1817609. Электронная пушка для приборов 0-типа./Борисов Л.М., Жарый Е.В. Тараканов А.П., 1990.
Борисов Л.М., Захарова А.Н. Программа расчета и оптимизации многолучевых усилительных клистронов с многозазорными резонаторами. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1999, вып.2.
Люди, дела, достижения./Под ред. Гельвича Э.А. – Фрязино Моск. обл., ФГУП "НПП "Циклон-Тест", 2002.
Щелкунов Г.П. Радиогидравлический эффект и его возможные применения. Сборник статей – Отпечатано в типографии НПП "Исток", 1993.
Афонская М.И., Габышев В.Г., Дунаев А.С. и др. Клистронный усилитель 10-см диапазона мощностью 20 МВт в импульсе. Труды конференции по электронике СВЧ. – М.-Л., Госэнергоиздат, 1959.
Щелкунов Г.П., Зусмановский С.А., Кармазин В.Г. Способы обнаружения медленных натеканий с применением избыточного давления. Электронная техника. Сер1. Электроника СВЧ, 1968, вып.3, с.157–160.
Щелкунов Г.П. Результаты контроля герметичности оболочки клистрона КИУ-12. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1974, вып.7, с.85–89.
Щелкунов Г.П., Ямпольский И.Р., Алферов В.И., Моисеев К.А. Способ тренировки мощных клистронов при положительной полярности напряжения на катоде. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1970, вып.1, с.146–148.
Щелкунов Г.П., Зусмановский С.А., Кармазин В.Г. Долговечность мощных клистронов с губчатым оксидным катодом. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1968, вып.2, с.167–168.
Щелкунов Г.П. Расчет ожидаемой долговечности мощных усилительных клистронов с оксидным катодом. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1978, вып.6, с.79–84.
Борисов Л.М., Щелкунов Г.П. Возможные микропервеансы электронных потоков кольцевого сечения в пролетной трубе. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1992, вып.5.
Алферов В.Н., Вишневская А.М., Владимирцев М.Б. и др. Исследование "паразитных" колебаний в клистроне КИУ-12, возникающих при увеличении длительности модулирующего импульса. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1969, вып.6, с.37–43.
Алферов В.Н., Владимирцев М.Б., Вишневская А.М. и др. О фазовой стабильности мощного клистрона. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1970, вып.11, с.137–139.
Щелкунов Г., Симановский М. Передвижные таможенные комплексы. Новые средства рентгеноскопии. – Электроника: НТБ, 1999, №6, с.32–34.
Щелкунов Г.П. Группа новых СВЧ-приборов для генерации рентгеновского излучения и их применение. – Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника, 2007, вып.1, с.93–97.
Фомичев К., Юдин Л. Электромагнитное оружие (перспективы применения в информационной борьбе). – Электроника: НТБ, 1999, вып.6, с.40–45.
Динамика радиоэлектроники./Под общ. ред. д.т.н. Ю.И.Борисова. – М.: Техносфера, 2007.
Клистроны
Первые клистроны были маломощными приборами, но позднее они как СВЧ-генераторы и усилители сравнялись и даже превзошли по мощности магнетроны. Работы по созданию мощных клистронов на предприятии начались в 1954 году. Был создан ряд приборов с уникальными параметрами: первый отечественный сверхмощный клистрон (20 МВт в импульсе) для Харьковского линейного ускорителя электронов (50 одновременно работающих клистронов), базовый сверхмощный (30 МВт) широкополосный клистрон для радиолокации, сверхмощный клистрон для линейного ускорителя "Факел" Института атомной энергии им. И.В.Курчатова и др.
Определяющую роль в развитии направления многолучевых приборов сыграли выполненные группой теоретиков "Истока" теоретические исследования многолучевых клистронов. Ими были также подготовлены расчеты для разработки подобных приборов.
Современные мощные многолучевые клистроны работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах с уровнем импульсной мощности от 1 кВт до 30 МВт. Этот класс приборов используется в приоритетных системах вооружения в качестве выходных каскадов усилительных цепочек.
В клистрÓне преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путем модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролете их сквозь зазор объемного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ-поля.
В простейшем клистроне два резонатора: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролетных клистронов стали каскадные многорезонаторные клистроны, имеющие один или несколько промежуточных резонаторов, которые расположены между входным и выходным резонаторами.
Клистроны усилительные импульсного действия применяются в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчиках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт (соответственно с необходимой мощностью клистронов), в ускорителях заряженных частиц и в системах сверхдальней локации – от 200 кВт до 30 МВт.
Далее речь пойдет только о работах, выполнявшихся с участием или под руководством авторов статьи. С марта 1957 года Л.Борисов работал в лаборатории Г.М.Кауфмана (создание мощных усилительных клистронов для наземных и космических систем связи, для РЛС и других применений), а Г.Щелкунов – в лаборатории С.А.Зусмановского (создание мощных и сверхмощных импульсных клистронов для дальней радиолокации). Эволюция конструкций мощных клистронов показана на рис.1, а основные их характеристики приведены в табл.1.
Клистроны непрерывного действия дециметрового диапазона. Клистрон №1 (КУ-206) предназначен для линий тропосферной связи. Мощность 10 кВт, длина волны 30 и 37 см. В процессе разработки этого клистрона были проведены исследования (Л.М.Борисов), в результате которых:
созданы стеклянные "окна" в каждом резонаторе. Удалось "увидеть" электронный луч, изменение его конфигурации при изменениях вакуума и фокусировки, светящиеся "точки" на стенках и концах пролетных труб, плавление их торцов при ухудшении фокусировки. Были отработаны режимы клистрона и показано, насколько важна роль ультразвуковой очистки деталей;
решена проблема с перегоранием петли вывода энергии (один из экспериментов, проводимых для выяснения причин этого явления, положил начало работам Г.Щелкунова по шаровой молнии).
Клистрон №2 (КУ-308) предназначен для тропосферной связи. Мощность 3 кВ, широкий диапазон перестройки – 30–37 см. Такой диапазон был получен благодаря новым узлам настройки и устройству связи [1].
Клистрон №4 (КУ-44) – мощность 5 кВт, полоса усиления 1,5%, КПД 50%. Предназначен для наземных видов связи. Клистроны КУ-206, КУ-308 и КУ-44 выпускались серийно долгое время.
Клистрон №3 – мощность 1,5 кВт, длина волны около 40 см, полоса усиления 1,5%, КПД 50%. Был специально разработан для передачи телевизионных сигналов на восточную территорию СССР со спутника в условиях открытого космоса. Его мощность должна была быть достаточной для приема сигнала комнатной антенной. Требовались высокий КПД, большая долговечность, малые масса и габариты. Для этого были использованы двухзазорные резонаторы и металлопористый катод. Все испытания в имитаторе космоса прошли успешно. Однако по решению Международной комиссии заказчики вынуждены были использовать клистрон меньшей мощности. Тем не менее, результаты работы не пропали даром: была показана возможность повышения КПД до 70% [2] и этот опыт использовали при разработке следующих клистронов.
Многолучевые клистроны с двухзазорными резонаторами. Клистрон №5 предназначен для работы на спутнике (взамен клистрона №3). Мощность 300 Вт, длина волны около 40 см, полоса усиления 3,5%. Такая полоса была получена благодаря использованию семилучевой конструкции с двухзазорными резонаторами. Этот клистрон успешно работал во время Олимпиады-80.
Клистрон №6 имел оригинальную конструкцию [3] и был предназначен для РЛС. Он попеременно работал в двух режимах, отличающихся по мощности в 100 раз. При испытаниях экспериментальных многолучевых клистронов с двухзазорными резонаторами получена полоса усиления более 10%. Для сверхмноголучевого (61 луч) клистрона с однозазорными резонаторами это значение составило 18%.
Импульсные клистроны сантиметрового диапазона. Клистрон №7 для РЛС имел мощность 40 кВт и полосу усиления 6% (такие характеристики в СССР были получены впервые). Применение многолучевой конструкции, двухзазорных резонаторов и выходной системы из трех связанных резонаторов (изобретение было внедрено в 1999 г. [4]) позволило создать конструкцию, удовлетворяющую жестким требованиям. Клистрон до сих пор успешно работает у заказчика.
Затем были разработаны еще восемь импульсных клистронов, отличающихся количеством лучей и резонаторов. Их мощность находилась в пределах от единиц до нескольких десятков киловатт. Полоса усиления составляла 2% в 2-см диапазоне и 6% – в 4-см. Они были освоены в производстве и поставлялись заказчику.
Экспериментально была показана возможность расширения полосы клистронов в 1,5–2 раза при использовании трех- или четырехзазорных выходных резонаторов. При разработке этих клистронов использовалась программа оптимизации [5].
Некоторые клистроны (см. рис.1 и табл.1) сыграли свою роль в дальнейшем развитии СВЧ-техники, многие продолжают работать в аппаратуре и сейчас [6].
Мощные и сверхмощные импульсные клистроны "Аметист" и "Ацетон" для установки термоядерного синтеза, "Аврора-3" для линейного ускорителя и "Аэростат" для возбуждения фазированной решетки (антенны с большим числом ячеек с СВЧ-источниками) разработаны в лаборатории С.А.Зусмановского при участии Г.Щелкунова.
"Аметист" предназначался для Курчатовского института. Была разработана конструкция, изготовлены первые образцы и начаты их испытания. Но на этом этапе физики остановили работу, так как при подаче СВЧ-мощности (мощность одного СВЧ-импульса не менее 10 кДж) в установке заказчика возбуждалось до 50 видов неустойчивости плазмы. Позже на основании этих работ Г.Щелкунов получил оценку энергосодержания натуральной шаровой молнии диаметром 8 см и решил проблему измерения энергии редких импульсов (один через 10 с) [7]. Длина волны клистрона (21 см) была выбрана с перспективой его использования для исследования газообразного водорода в космическом пространстве.
"Ацетон" с внешними резонаторами (такая конструкция была разработана в СССР впервые) предназначался для возбуждения клистрона "Аметист".
"Аэростат" имел гладкую фазочастотную характеристику, импульсную мощность 4 МВт, среднюю мощность 20 кВт, длительность импульса до 40 мкс и более. В нем была обеспечена жесткая фокусировка электронного луча благодаря магнитному его сопровождению. Этот клистрон предназначался для возбуждения большой фазированной решетки одного из вариантов системы противоракетной обороны. По соглашению СССР–США (1972) этот вариант ПРО был исключен.
В сверхмощном импульсном клистроне "Аврора-3" были достигнуты высокие характеристики: мощность и долговечность 8 тыс. ч (табл.2). Надо сказать, что помимо ранее выявленных в клистроне механизмов возбуждения "паразитных" колебаний был обнаружен еще один вид, обусловленный конфигурацией магнитного поля фокусирующего соленоида в месте расположения выходного резонатора клистрона. Подавление этих паразитных колебаний достигнуто изменением конфигурации поля.
Одновременно решены проблемы обеспечения высокой долговечности, стабильного и высокого вакуума в приборах, вакуумной плотности оболочки, эффективной тренировки при изготовлении, устойчивости к высоковольтным пробоям (пробои при эксплуатации практически исключены) [8–13]. Проведено теоретическое исследование структуры возможных электронных потоков [14].
Клистрон "Аврора-3" работал на ускорителе (в то время крупнейшем в мире) в Харьковском атомном центре, запущенном в эксплуатацию в октябре 1963 года. Применялся также для питания ускорителей Курчатовского института, МИФИ, в институтах биофизики (Москва), радиологии и медицины в Обнинске (Калужская область), в Ленинграде, Минске и Ереванe (на большом кольцевом ускорителе протонов), в качестве СВЧ-источника для камеры регистрации столкновений атомных частиц в СВЧ-сепараторе Серпуховского ускорителя протонов (по мощности – 70 МэВ – он был в свое время одним из самых больших в мире). Здесь клистрон "Аврора" работал в режиме модулирующего импульса, по величине в пять раз большего, чем у типовых модуляторов, и это потребовало внесения в его конструкцию необходимых изменений [15, 16].
СВЧ-приборы для генерации рентгеновского излучения
и создания эффективных ускорителей
СВЧ-источник. Опыт работы, накопленный при создании клистронов, позволил подойти к созданию новых приборов-гибридов с мощными СВЧ-источниками. Например, для генерации жесткого рентгеновского излучения создан новый СВЧ-прибор "Бриг", в котором в одном вакуумном объеме размещены СВЧ-источник (СВЧ-тетрод) и катодный узел, испускающий электронный луч в СВЧ-зазор высокодобротного коаксиального полуволнового резонатора. Луч ускоряется в СВЧ-зазоре до 600–700 кэВ и бомбардирует вольфрамовую мишень. Панорамное (или направленное) рентгеновское излучение выходит через стенку наружу. Масса источника "Бриг" – 11 кг, после армировки – до 50 кг. Энергопотребление составляет 1,5–2 кВт. "Бриг" входит в аппарат Д-501, который успешно эксплуатировался на заводе "Пермские авиамоторы" для контроля швов сварных корпусов авиадвигателей [17, 18].
На основе этой разработки авторами патентов были предложены перспективные группы компактных СВЧ-источников нового класса для систем разрушения информационных и управляющих радиосредств и клистронов для систем обнаружения и наведения (РЛС дальней радиолокации, средств наземной и космической связи).
Базовая ускорительная секция (БУС) с СВЧ-источником в ее составе, (патент РФ №2306685, рег. 20.09.2007 г.) (рис.2). БУС может использоваться как единичная секция-ускоритель (СВЧ-источник и пролетная трубка в едином вакуумном объеме), так и для формирования (на основе БУС) цепочек линейных и циклических ускорителей сверхвысоких энергий (рис.3а, б).
СВЧ-излучатель (патент РФ №2349983, рег. 20.03.2009) [19, 20]. Выходная импульсная мощность до 4 МВт и более, энергопотребление 1,5–2 кВт, масса импульсного источника до 50 кг, масса СВЧ-излучателя до 100 кг. Главная особенность конструкции: в выходном "каскаде" электронный луч отсутствует (нет механизма группирования и нет ограничения из-за скорости света – с).
Напомним суть ограничения из-за скорости света на примере клистрона "Аврора-3". Рабочее (ускоряющее электронный луч) напряжение клистрона – 300 кВ. При этом электроны ускоряются до скорости 0,8 c. При напряжении выше 300 кВ скорость электронов луча (главный фактор преобразования энергии от модулятора через механизм модуляции и группирования луча в сгустки) нарастает медленнее (по асимптоте к пределу скорости света). Другими словами, ограничения по скорости света приводят к тому, что эффективность взаимодействия уменьшается, а проблемы электропрочности и "амуниции" обостряются. Клистрон "Аврора-3" весит 60 кг, а его "амуниция" (выпрямитель, модулятор, фокусирующий соленоид, биозащита и прочее) имеет массу до 5 т.
О возможном применении СВЧ-излучателя. В статье [19] представлен обзор некоторых средств ведения войны, предназначенных для воздействия на информационные и управляющие радиосредства противника. "Радиощит" передовых стран должен иметь две составляющие.
Первая (с помощью клистронов и других СВЧ-источников в составе радиоаппаратуры) решает задачу обнаружения радиосредств противника и наводки на них радиосистемы разрушения их информационных и управляющих радиосредств вплоть до их физического подавления (ФП). Вторая предполагает наличие эффективных средств ФП, часть из которых описана в [20].
Авторы полагают, что благодаря высоким энергиям излучения, компактности и низкому энергопотреблению СВЧ-излучателя можно усовершенствовать некоторые системы ФП (базирование может быть наземное, воздушное и космическое). Другими словами, новая группа СВЧ-источников позволит укрепить "радиощит" России.
В заключение можно сказать, что изготовление СВЧ-прибора "Бриг", БУС, СВЧ-излучателя базируется на отработанной технологии производства клистронов и использовании ряда элементов их конструкций.
Литература
А.С. СССР №195507. Устройство связи с коаксиальной линией./Касумова Н.Г., Борисов Л.М. – Опубл. в 1966 г.
Борисов Л.М., Захарова А.Н., Евтушенко О.В. и др. Экспериментальный телевизионный клистрон с высоким КПД. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1970, вып.7.
А.С. СССР №669964. Многорежимный СВЧ-прибор./Борисов Л.М., Давыдова И.Б., Жарый Е.В., Кауфман Г.М. – Опубл. в 1977 г.
Патент СССР №1817609. Электронная пушка для приборов 0-типа./Борисов Л.М., Жарый Е.В. Тараканов А.П., 1990.
Борисов Л.М., Захарова А.Н. Программа расчета и оптимизации многолучевых усилительных клистронов с многозазорными резонаторами. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1999, вып.2.
Люди, дела, достижения./Под ред. Гельвича Э.А. – Фрязино Моск. обл., ФГУП "НПП "Циклон-Тест", 2002.
Щелкунов Г.П. Радиогидравлический эффект и его возможные применения. Сборник статей – Отпечатано в типографии НПП "Исток", 1993.
Афонская М.И., Габышев В.Г., Дунаев А.С. и др. Клистронный усилитель 10-см диапазона мощностью 20 МВт в импульсе. Труды конференции по электронике СВЧ. – М.-Л., Госэнергоиздат, 1959.
Щелкунов Г.П., Зусмановский С.А., Кармазин В.Г. Способы обнаружения медленных натеканий с применением избыточного давления. Электронная техника. Сер1. Электроника СВЧ, 1968, вып.3, с.157–160.
Щелкунов Г.П. Результаты контроля герметичности оболочки клистрона КИУ-12. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1974, вып.7, с.85–89.
Щелкунов Г.П., Ямпольский И.Р., Алферов В.И., Моисеев К.А. Способ тренировки мощных клистронов при положительной полярности напряжения на катоде. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1970, вып.1, с.146–148.
Щелкунов Г.П., Зусмановский С.А., Кармазин В.Г. Долговечность мощных клистронов с губчатым оксидным катодом. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1968, вып.2, с.167–168.
Щелкунов Г.П. Расчет ожидаемой долговечности мощных усилительных клистронов с оксидным катодом. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1978, вып.6, с.79–84.
Борисов Л.М., Щелкунов Г.П. Возможные микропервеансы электронных потоков кольцевого сечения в пролетной трубе. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1992, вып.5.
Алферов В.Н., Вишневская А.М., Владимирцев М.Б. и др. Исследование "паразитных" колебаний в клистроне КИУ-12, возникающих при увеличении длительности модулирующего импульса. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1969, вып.6, с.37–43.
Алферов В.Н., Владимирцев М.Б., Вишневская А.М. и др. О фазовой стабильности мощного клистрона. – Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1970, вып.11, с.137–139.
Щелкунов Г., Симановский М. Передвижные таможенные комплексы. Новые средства рентгеноскопии. – Электроника: НТБ, 1999, №6, с.32–34.
Щелкунов Г.П. Группа новых СВЧ-приборов для генерации рентгеновского излучения и их применение. – Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника, 2007, вып.1, с.93–97.
Фомичев К., Юдин Л. Электромагнитное оружие (перспективы применения в информационной борьбе). – Электроника: НТБ, 1999, вып.6, с.40–45.
Динамика радиоэлектроники./Под общ. ред. д.т.н. Ю.И.Борисова. – М.: Техносфера, 2007.
Отзывы читателей
