eng
Выпуск #4/2010
И.Викулов.
Вакуумная СВЧ-электроника. По материалам конференции IVEC 2009
Вакуумная СВЧ-электроника. По материалам конференции IVEC 2009
Просмотры: 7095
Международные конференции по вакуумной электронике IVEC (International Vacuum Electronics Conference) стали проводиться сравнительно недавно. До этого проблемы развития вакуумных приборов СВЧ (ВП СВЧ) обсуждались на совещаниях отдельных стран. В США на закрытую конференцию по мощным вакуумным приборам СВЧ – Microwave Power Tube Conference – одно время не допускались даже специалисты западноевропейских и азиатских компаний. После радикального изменения мировой обстановки, связанного с распадом СССР, США при поддержке международного объединения инженеров по электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineering, IEEE) преобразовали конференцию в интернациональную. При этом было ограничено число своих докладов военно-прикладного характера, и конференции была придана научная направленность. Возможность участия в конференциях IVEC получили такие страны, как Белоруссия, Бразилия, Индия, Китай, Россия, Украина. На конференции IVEC 2009 года, которая проходила в Риме в апреле 2009 года при спонсорстве Европейского космического агентства (ESA), было представлено около 120 секционных и более 130 стендовых докладов [1]. Из-за большого объема работ, представленных на конференции, рассмотрим лишь новые направления вакуумной СВЧ-электроники и результаты, достигнутые в области традиционных вакуумных приборов СВЧ. Интерес представляют также примеры международной кооперации в вакуумной электронике.
Новые приборы миллиметрового и терагерцевого диапазонов
Одна из наиболее заметных тенденцией последних лет – продвижение СВЧ-электроники, включая и вакуумную, в область коротких миллиметровых длин волн и в терагерцевый (ТГц) диапазон. Об этом свидетельствует и предложенная недавно Агентством по перспективным исследованиям Министерства обороны США (DARPA) в качестве прорывного технологического направления вакуумной СВЧ-электроники программа HiFIVE [2]. Как следует из материалов IVEC 2009, в настоящее время эта программа уже находится в работе. Аналогичный проект по терагерцевым источникам (OPTHER) разрабатывается и в Европе. Мощные приборы короткого миллиметрового диапазона длин волн предназначаются для высокоскоростных систем передачи данных, бортовых авиационных систем предупреждения столкновений и систем формирования радиолокационного изображения с высоким разрешением. Терагерцевое излучение в силу его большой проникающей способности предполагается использовать в системах охраны общественного порядка для обнаружения опасных веществ и предметов, а также в космосе, медицине, биологии и микроскопии.
Программа HiFIVE. В ней участвуют компании Northrop Grumman (ведущая), Electron Energy Corporation, Calabazas Creek Research, Teledyne Scientific & Imaging, Creatv MicroTech и JPL. Цель программы – создание компактного вакуумного усилителя мощностью 50 Вт в диапазоне 220 ГГц. Работа идет по двум направлениям: проектирование и отработка технологии замедляющей структуры (ЗС) и системы формирования электронного луча. В качестве ЗС используется так называемый "свернутый волновод" (folded waveguide). Расчет замедляющей структуры выполняется по программе CHRISTINE, а согласование импедансов – по программе HFSS. Ожидаемый коэффициент усиления прибора — 30 дБ, что достаточно для достижения режима насыщения усилителя при входной мощности 50 мВт. Для снижения тепловой нагрузки структуры рассматривается вариант не только единичной, но и сложной ЗС, состоящей из нескольких параллельных единичных ЗС. В этом случае в состав системы вводится делитель сигнала на входе и сумматор на выходе, а вдоль каждой ЗС работает свой электронный пучок. Рассматривается возможность изготовления ЗС по двум технологиям: DRIE (глубокое реактивное ионное травление) для нанесения меди на подготовленный на кремнии профиль и LIGA (от Lithographie, Galvanoformung, Abformung – литография, электроосаждение и формовка) для травления меди по фоторезисту SU-8 с помощью УЗ-излучения (рис.1).
Отработка электронной оптики и прохождения пучка выполняется как на однолучевой, так и на пятилучевой модели (рис.2). В качестве эмиттера рассматриваются два типа катодов: диспенсерный катод М-типа и бариевый камерный катод с плотностью тока 25 и 75 А/см2 соответственно. Для получения необходимой плотности тока в пространстве взаимодействия требуются соответствующие коэффициенты компрессии электронного луча — 30 и 10. Планируются также испытания холодных катодов на углеродных трубках, разрабатываемых в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL).
Электронный луч фокусируется постоянным соленоидальным магнитным полем. Конструкция магнитной системы предусматривает преобразование фокусирующего магнитного поля прямоугольного сечения в азимутально симметричное поле для каждого из пяти лучей, отстоящих друг от друга на 0,05” (1,27 мм).
Другой вариант вакуумного усилителя на 0,22 ТГц по программе HiFIVE разрабатывается в Калифорнийском университете Дэвиса (UCD) по субконтракту с компанией Teledyne Scientific. Ожидаемый КПД – от 3 до 5,5 % при выходной мощности в насыщении – 150 и 275 Вт соответственно и мощности пучка 5 кВт. В качестве ЗС усилителя используется система из двух встроенных гребенок, смещенных на полпериода, так называемая структура "Барнетта-Шина" (рис.3).
В настоящее время проведены холодные измерения системы, показавшие хорошее соответствие ее дисперсионных характеристик с расчетом. Помимо LIGA для изготовления ЗС рассматриваются также возможности МЭМС-технологии.
Европейский проект OPTHER (Optically Driven THz Amplifiers – оптически управляемые терагерцевые усилители). В последнее время в Европейском союзе реализовано несколько проектов по разработке источников терагерцевого диапазона (0,3–10 ТГц). Все источники имеют большие размеры и малую мощность (< 1 мВт), которая недостаточна для проведения мониторинга в системах безопасности. Цель проекта OPTHER – достижение требуемой мощности и приемлемых размеров терагерцевых источников. Одним из направлений проекта является создание вакуумного ТГц-усилителя с помощью технологии микрообработки и с использованием холодных катодов на основе полевой эмиссии углеродных нанотрубок. Прорабатываются две схемы построения усилителя: с возбуждением ЗС ТГц-сигналом по типу клистрона или ЛБВ (рис.4а) и с возбуждением оптически модулированным лучом по типу клистрода, или лампы с индуктивным выходом (Inductive Output Tube, IOT) (рис.4б). В первом случае электроны эмитируются катодом и ускоряются анодом, образуя пучок требуемой формы. Для ограничения пучка в пространстве взаимодействия используется статическое магнитное поле. Вводимый в ЗС сигнал вызывает модуляцию электронов по скорости и плотности, приводя к их группировке. Вывод энергии выполняется на соответствующем расстоянии от входа, где электронные сгустки тормозятся, передавая свою энергию полю.
В усилителе с оптической модуляцией эмиссией электронов с холодного катода управляет излучение инфракрасного лазера, модулированного на частоте ТГц-диапазона. Ускоренные электронные сгустки, взаимодействуя с волной ЗС, приводят к ее нарастанию на выходе. С точки зрения получения большой мощности вторая схема предпочтительна.
В качестве возможной замедляющей структуры для усилителя ТГц-диапазона рассматривается ступенчатый волновод (рис.5) со следующими геометрическими размерами: d = 25 мкм, s = 15 мкм, p = 80 мкм, b = 130 мкм и w = 300 мкм. Изготавливается ЗС по технологии LIGA или DRIE. Расчет показывает, что частоте 990 ГГц соответствует напряжение ЗС, равное 11,5 кВ. Для выхода на заданную частоту в случае разброса размеров ЗС при использовании фоторезиста SU-8 требуется подстройка напряжением в пределах 1 кВ.
В европейском проекте OPTHER участвуют Римский университет Tor Vergata; компания Thales Components & Subsystems (Франция); Датский технический университет, Копенгаген; компании Selex-SI (Рим), Ecolе Polytechnique/CNRS и Thales Research & Technology (Франция).
В США ТГц-диапазон осваивают компании Teraphysics и RTI International. В качестве вакуумного прибора ими выбран прибор на ЗС в виде обычной спирали, изготовленной с помощью химического осаждения из паровой фазы алмазной пленки на кремниевую пластину и фотолитографии. Конструкция состоит из плоского алмазного держателя спирали из золотой проволоки (рис.6, элемент голубого цвета), электронного пучка снаружи спирали (элемент красного цвета) и селективно металлизированного канала внутри алмазного бокса (в виде полупрозрачного куба). В приборе предполагается использовать электронную пушку с двойной сходящейся оптикой и термоионным катодом. Работа находится на ранней стадии проектирования. По расчету, на частоте 1 ТГц ожидается получить коэффициент усиления ЛБВ 33 дБ при мощности насыщения 200 мВт, рабочем напряжении 9 кВ и токе пучка 5,3 мА.
Традиционные вакуумные приборы СВЧ
Клистроны
Разработки клистронов ведутся в ряде стран, наиболее широко – в США, России и Китае. После публикации в 1990-е годы оригинальных российских работ по многолучевым клистронам (МЛК) в развитие этого направления включились другие страны, и сейчас оно одно из основных в клистроностроении.
Наибольших успехов здесь достиг Китай. Еще в 2001 году в американских публикациях с большим пиететом отмечались достижения РФ в разработке МЛК, которыми были перекрыты все основные СВЧ-диапазоны от L до Ku [3]. На IVEC 2009 китайцы представили ряды МЛК тех же диапазонов с параметрами, не уступающими российским (табл.1, 2). Основные разрабатывающие центры Китая: Институт электроники Китайской академии наук (IECAS) и Пекинский исследовательский институт вакуумной электроники (BVERI). При этом число модификаций клистронов института IECAS в одном только S-диапазоне более десяти.
Китайские разработчики подразделяют МЛК на три категории по уровню мощности. К первой категории относятся МЛК средней мощности с выходной мощностью от нескольких десятков киловатт до 1 МВт с полосой частот 5–12% в диапазонах L, S, C. Они используются главным образом в широкополосных радиолокационных системах. По ширине полосы они приближаются к ЛБВ на ЗС типа "цепочки связанных резонаторов", но имеют более низкие напряжения, меньшие размеры и больший КПД.
Второй тип – МЛК малой мощности с выходной мощностью от нескольких сотен ватт до киловатт и полосой частот 100–200 МГц в Ku-диапазоне. Благодаря низким напряжениям и малым размерам эти клистроны используются в головках самонаведения ракет.
Третий тип – МЛК с импульсной мощностью от нескольких мегаватт до сотен мегаватт. Они находят применение в ускорительной технике. Доклады китайских специалистов по этим клистронам также были представлены на конференции IVEC 2009.
Образцы некоторых МЛК китайского производства показаны на рис.7.
США представили на конференции несколько текущих разработок, главным образом по мощным и сверхмощным клистронам для ускорителей. Исследовательская лаборатория ВМС (Naval Research Laboratory, NRL) совместно с компаниями Beam-Wave Research и Communications and Power Industries (CPI) сообщила о разработке 18-лучевого МЛК S-диапазона с полосой 13% по уровню -1 дБ и проектной выходной мощностью 500–600 кВт (рис.8). Прибор рассчитан на работу в импульсном режиме с коэффициентом заполнения Кз = 2,5%. Этот клистрон представляет собой уже третью модификацию разработанного ранее восьмилучевого четырехрезонаторного клистрона [4]. Число резонаторов в нем увеличено до семи, а число лучей до восемнадцати (рис.9).
Рабочее напряжение электронной пушки клистрона составляет 42 кВ, ток – 41,6 А. Прибор рассчитывался с помощью программ MAGIC 3D, HFSS и Analyst. Клистроны такого типа предназначены для радиолокационных систем дальнего обнаружения и разведки. Во многих действующих системах ВМС США они могут заменить мощные усилители со скрещенными полями, сократив их число в выходной цепочке и уменьшив на три порядка шумы передатчика при сохранении выходной мощности [5].
Компания L-3 Communications Electron Devices сообщила о разработке клистрона на частоту 9,3 ГГц с импульсной мощностью 5 МВт и средней мощностью 20 кВт, предназначенного для ускорительной техники и систем радиолокации. Использовались программы расчета TESLA, DEMEOS и HFSS. В проектировании прибора участвовали Игорь Чернявский (компания Science Applications International Corp. – SAIC) и Александр Власов (NRL).
Одна из ведущих компаний в области вакуумного приборостроения – CPI – представила следующие разработки:
МЛК L-диапазона (1300 МГц) с импульсной мощностью ≥ 10 МВт, КПД 65%, средней мощностью 150 кВт при длительности импульса 1,5 мс и мгновенной полосе 3 МГц по уровню -1 дБ. Прибор разрабатывается для Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European X-ray Free Electron Laser, XFEL) и других ускорителей;
клистрон непрерывного действия с мощностью 250 кВт, КПД 44,3% и усилением 56 дБ для экспериментальной установки нагрева плазмы TOKAMAK, создаваемой Институтом физики плазмы китайской АН. Всего предусмотрена поставка 24 таких клистронов;
радиолокационный клистрон с выходной мощностью 1 МВт и полосой 50 МГц в С-диапазоне (5625 МГц). Его средняя мощность составляет 2,3 кВт при частоте повторения импульсов 525 Гц и длительности 3,8 мкс;
шестирезонаторный клистрон для РЛС с выходной импульсной мощностью 2,5 МВт, средней мощностью 5,4 кВт, КПД 43%, усилением 53 дБ и полосой 70 МГц на частоте 9300 МГц. Длительность импульса – 3,8 мкс, частота повторения – 525 Гц. Важной особенностью клистрона является фокусировка постоянными периодическими магнитами, что определяет его малые массогабаритные характеристики: диаметр 20 см, длина 62 см и масса 27 кг. Большой срок службы обеспечивает диспенсерный катод М-типа.
Компания Colabazas Creek Research по заказу Министерства энергетики США продолжает разрабатывать многолучевой клистрон с выходной мощностью 50 МВт, работающий с микросекундными импульсами на частоте 11,4 ГГц. Ожидаемый КПД составляет 54%, усиление – 55 дБ. В настоящее время проводятся испытания клистрона с восьмилучевой электронной пушкой. В дальнейшем должно быть принято решение о сохранении восьмилучевой конструкции или переходе на двухлучевую.
В работе также принимают участие ученые из Центра линейных ускорителей Стэндфордского университета (Stanford Linear Accelerator Center) Анатолий Красник и Валентин Иванов.
Российские разработки клистронов на конференции IVEC 2009 представило ФГУП НПП "Торий" (Москва). Все доклады носили преимущественно расчетный характер. Так, был приведен расчет шестирезонаторного клистрона с фокусирующей системой на постоянных магнитах, образованных двумя радиально намагниченными кольцами из сплава Sm-Co. Резонаторная система выполнена в виде шести резонаторов, работающих на моде Н102. Нагруженный фильтром входной и четыре промежуточных резонатора – однозазорные, нагруженный фильтром выходной резонатор – двухзазорный и работает на 2π-виде.
Электронные траектории и продольное магнитное поле рассчитывались по двумерной программе, а характеристики входного и выходного фильтров – по одномерной программе KLYS 4.5. Согласно расчету, при токе двух катодов 2 А, напряжении 12 кВ, плотности тока 6 А/см2 и магнитном поле 7,4 кГс клистрон должен обеспечивать импульсную мощность 8 кВт, среднюю мощность 500 Вт, усиление 40 дБ и полосу 1,5% по уровню 1 дБ.
Аналогичные расчеты выполнены и для МЛК других диапазонов. В приборе С-диапазона в качестве прототипа взят 30-лучевой клистрон КИУ-141 разработки 1991 года с КПД 25–30% и полосой 8% по уровню 3 дБ. Этот клистрон имеет пять двухзазорных резонаторов. Как показал расчет (программа DEV5.1), путем замены четвертого резонатора на однозазорный и варируя длину дрейфа, можно увеличить его КПД до 50%.
В 19-лучевом МЛК S-диапазона предлагается заменить термоэмиссионный катод полевым катодом из нанокристаллического графита (NCG). Согласно расчету, при напряжении 3–5 кВ и токе 2–3 А клистрон может развить выходную импульсную мощность 3 кВт и среднюю мощность 50 Вт при длительности импульса 80 мкс.
Университетом Ланкастера (Lancaster University) проведен расчет 20-лучевого МЛК с выходной импульсной мощностью 50 МВт и средней 500 кВт на частоте 1,3 ГГц. МЛК такого типа наиболее подходят для строительства компактных линейных коллайдеров (CLIC). При анализе стабильности МЛК использован метод моментов, который в отличие от известных программ MWS и Mafia, требующих нескольких часов расчетов, позволяет провести вычисления за несколько секунд.
В университетах Стратклайда (University of Strathсlyde) и Лондона предложен микроклистрон, в котором самофокусирующийся электронный луч формируется в процессе псевдоискрового разряда (pseudospark discharge). При напряжении 10 кВ, значениях диаметра катода и анода 1 мм и зазоре между ними 6 мм такой источник дает ток 4 А при давлении 100 мТор. С помощью масштабирования проведено моделирование клистрона на частоту 200 ГГц.
В Центральном исследовательском институте электронной техники (г. Пилани, Индия) продолжается разработка четрехлучевого клистрона S-диапазона специального назначения с выходной непрерывной мощностью 4 кВт. Результаты холодных измерений четырехрезонаторной системы хорошо согласуются с расчетными данными. При проектировании клистрона использовались программы MAGIC, HFSS и CST.
Следует особо выделить новый тип клистронов – приборы с ленточным лучом (sheet beam klystron), разрабатываемые в США и Китае. В таких клистронах используются пролетные трубы большого прямоугольного сечения и низкое напряжение луча при большом токе малой плотности. В отличие от клистронов с обычным цилиндрическим лучом мощность новых приборов с ростом частоты уменьшается линейно, а не пропорционально квадрату частоты. Это делает их перспективными как с точки зрения получения большой мощности, так и для продвижения в миллиметровый диапазон.
Американская компания CPI уже несколько лет работает над проектом создания мощного клистрона с ленточным лучом Х-диапазона со следующими целевыми параметрами:
Отношение ширины луча к его высоте……............25
Напряжение луча, кВ………………………....................73
Ток луча, А……………………………………......................152
Выходная импульсная мощность, МВт...................5
Выходная средняя мощность, кВт…………..............20
Входная мощность, Вт………………………..................50
Коэффициент усиления, дБ.....................................45
КПД, %.......................................................................45
В действующем образце прибора путем подбора напряжения фокусирующего электрода удалось добиться токопрохождения 95% и снизить напряжение луча до 35 кВ. Для формирования луча использована система постоянных периодических магнитов (ППМ). Прохождение луча в приборе смоделировано с помощью программы MICHELLE (рис.10).
В Институте электроники китайской АН выполнено также.нелинейное проектирование пятирезонаторного клистрона с ленточным пучком с помощью 3D-программы "частица в ячейке". При параметрах луча 415 кВ, 250 А и входной мощности 8,93 кВт расчет дает выходную импульсную мощность 32,4 МВт, КПД 31,2 % и усиление 35,6 дБ на частоте 11,425 ГГц.
Особенно хороших результатов по мощности следует ожидать от клистронов с ленточным лучом миллиметрового диапазона. До настоящего времени в диапазоне 218 ГГц максимально достигнутая непрерывная мощность клистрона с распределенным взаимодействием составляла 9 Вт при использовании обычного луча с напряжением 12 кВ.
В лаборатории NRL с помощью программы MAGIC-3D спроектирован четырехрезонаторный клистрод с распределенным взаимодействием на 220 ГГц с ленточным лучом, у которого отношение ширины луча к высоте равно 19. При токе луча 520 мА, напряжении 16,5 кВ и мощности на входе 25 мВт такой усилитель обеспечит выходную мощность 453 Вт. Длина системы взаимодействия при этом составляет всего 1,2 см.
Лампы бегущей волны (ЛБВ)
На конференции IVEC 2009 рассматривались в основном мощные ЛБВ наземных станций, передающих сигнал на спутник (uplink), и спутниковые ЛБВ, вырабатывающие сигнал для передачи на Землю (downlink).
ЛБВ для передатчиков наземных станций
Японская компания NEC Microwave Tube сумела повысить выходную мощность ЛБВ предыдущей модели (LD7304) с 500 до 750 Вт (модель LD7323) в диапазоне прямого спутникового телевещания DBS (17,3–18,4 ГГц), сохранив структуру ее элементов, включая двухступенчатый коллектор. Улучшены также КПД и габариты лампы (410×96×71 мм). Сейчас выпущено уже более 40 ламп модели LD7323.
Семейство надежных выполненных по стандартной технологии ЛБВ с непрерывной мощностью 750 Вт С-, Кu- и DBS-диапазонов разрабатывает и компания Thales Electron Devices, TED (Франция). В связи с перегрузкой этих диапазонов сейчас происходит активный переход к спутниковой связи в Ка-диапазоне. TED использовала свои наработки в области ЛБВ на 250 Вт в этом диапазоне и показала на конференции лампу мощностью 500 Вт, отвечающую требованиям спутниковых операторов в частотных диапазонах 27,5–30 ГГц и 30–31 ГГц. ЛБВ ТН4092 имеет четырехступенчатый коллектор при КПД более 50%, кондуктивное охлаждение и может работать в составе авиационной аппаратуры в импульсном режиме при уровне средней мощности 350 Вт.
В 2007 году американская компания L-3 Communications, Electron Technologies (L-3 ETI) закончила разработку мощной компактной спиральной ЛБВ миллиметрового диапазона 8926НВ для следующего поколения военных и коммерческих наземных станций широкополосной спутниковой связи Ка-диапазона. В 2008 году начато производство этой лампы с выходной непрерывной мощностью 500 Вт, а также ее варианта 8926НА с импульсной мощностью 500 Вт и непрерывной 350 Вт. К настоящему времени выпущено 16 ламп 8926НВ и пять ламп 8926А, перекрывающих диапазон от 28 до 30 ГГц. Лампы имеют трехступенчатый коллектор. Их КПД составляет ~60% и коэффициент усиления в насыщении – 45 дБ.
Спутниковые ЛБВ
В ответ на потребность телекоммуникационных систем в новых участках частотного спектра компания Thales довела производство ЛБВ Ка-диапазона до 50 и более ламп в месяц. В настоящее время приборы компании перекрывают диапазон 17,3–22 ГГц с мощностями от 15 до 135 Вт и КПД более 64%. В лампах используются различные системы охлаждения – кондуктивный и радиационный. В диапазонах 23 и 26 ГГц созданы лампы мощностью 60 Вт, а на 32 ГГц – мощностью 35 Вт. К 2009 году было выпущено 1410 ЛБВ Ка-диапазона с суммарной наработкой 15 млн. ч.
Лампы Ка-диапазона компании Thales разрабатываются в соответствии с требованиями Европейского космического агентства и NASA и предназначены для надежной работы на спутнике в течение более 18 лет. На конференции IVEC 2009 компания Thales представила две ЛБВ Ка-диапазона: с четырехступенчатым коллектором TL-типа мощностью 120 Вт с кондуктивным охлаждением и магнитной фокусировкой в коллекторе и ТН-типа мощностью 135 Вт с радиационным охлаждением и электростатической фокусировкой.
Для DBS-систем и телевидения высокой четкости компания L-3 ETI освоила пилотное производство и тестовые испытания двух вариантов спутниковых ЛБВ с полосой 2 ГГц в диапазонах от 17 до 22 ГГц с кондуктивным (9100Н) и радиационным (9100HR) охлаждением. Компания приводит следующие характеристики ламп:
Мощность в насыщении, Вт……………………………............50–130
КПД, %.................................................................................50–68
Усиление при насыщении, дБ…………………………............50–58
Входная мощность при насыщении, дБм………………......-5…1
Максимальный фазовый сдвиг, град…………………..........45
Преобразование АМ/ФМ при насыщении, град/дБ……..4
Коэффициент шума, дБ…………………………………............28
Масса 9100Н/9100HR, г………………………………….............700/950
Компания L-3 ETI разрабатывает спутниковые ЛБВ с момента перехода на катоды М-типа (1987 год). За это время интенсивность отказов приборов составила 46 отказов/109 часов работы (Failures in Time).
ЛБВ W-диапазона
Относительно низкое атмосферное поглощение радиоволн на частотах 90–95 ГГц по-прежнему привлекает внимание разработчиков к созданию вакуумных приборов, работающих в этом диапазоне. Компания L-3 Communications EDD сообщила о совершенствовании двухсекционной ЛБВ предыдущего поколения на ЗС типа "свернутый волновод" с импульсной мощностью 250 Вт, средней мощностью 100 Вт и усилением 30 дБ. В новой лампе также использована модульно-сварная конструкция, упрощающая ее сборку. В электронной пушке тетродного типа, формирующей сверхламинарный луч с микропервеансом 0,104, значительно улучшена точность исполнения деталей. ВЧ-согласование ЗС по входу и выходу равно соответственно -20 дБ и -10 дБ, токопрохождение более 94%. Измерения новой лампы показали, что ее выходная мощность превышает 300 Вт (рис.11).
Односекционный макет спиральной ЛБВ, изготовленный по технологии ламп ТГц-диапазона (см. рис.6) представила компания Teraphysics. Электронный луч в лампе движется снаружи спирали. Приведены следующие проектные характеристики ЛБВ:
Центральная частота, ГГц………………...............................95
Напряжение луча, В………………………...............................6000
Ток луча, мА………………………………...................................32
Выходная мощность в насыщении, Вт…..........................24
КПД в насыщении, %.........................................................12,3
Коллекторный КПД, %........................................................92,4
Полный КПД в насыщении, %...........................................49
Значительный прорыв по мощности в диапазоне 95 ГГц обещает конструкция ЛБВ на цепочке сверхразмерных резонаторов с боковой связью. Поперечные размеры такой ЗС, работающей на высших видах колебаний, в три раза больше, чем у обычной ЗС лестничного типа, использующей основной тип колебаний резонаторов.
По оценкам Центра исследования плазмы Массачусетского университета (MIT Plasma Science and Fusion Center), проектирующего прибор, такая ЛБВ способна развить мощность более 1 кВт в полосе 0,8 ГГц на частоте 99 ГГц при параметрах электронной пушки 49 кВ и 0,83 А.
Мощные СВЧ-модули
Созданные в начале 1990-х годов новые мощные СВЧ-модули (Microwave Power Module – MPM) предполагалось использовать в качестве выходных усилителей в активных фазированных антенных решетах (АФАР). Однако вскоре они нашли применение в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и системах электронного противодействия [6]. Успех БПЛА и мобильных терминалов спутниковой связи на различных театрах боевых действий способствовал росту интереса к МРМ как к малогабаритным компактным и эффективным источникам СВЧ-мощности. В свою очередь такие новые области применения, как высокоскоростная цифровая связь, РЛС с синтезированной апертурой и другие потребовали дальнейшего совершенствования структуры и технологии МРМ. В отличие от первых образцов, современные МРМ содержат не только три основных блока (предварительный твердотельный усилитель, источник питания и мини-ЛБВ), но и канальные усилители, линеаризаторы, цифровые логические интерфейсы и др. Значительный прогресс достигнут и в разработке мини-ЛБВ (рис.12).
На конференции IVEC были представлены три крупных разработки МРМ различного назначения. Это, во-первых, МРМ миниатюрного передатчика компании Northrop Grumman для космического аппарата NASA, предназначенного для исследования теневой стороны Луны и последующего полета к Марсу (рис.13). Система включает двухдиапазонную (2,38 и 7,14 ГГц) РЛС с синтезированной аппаратурой для получения изображения с высоким разрешением и маломощную подсистему связи в тех же диапазонах. В режиме РЛС выходная мощность равна 70–80 Вт при коэффициенте заполнения импульса 40%. В режиме связи непрерывная мощность составляет ~10 Вт. Разработка передатчика потребовала создания широкополосной спиральной мини-ЛБВ (2–8 ГГц), многоканального твердотельного усилителя с переключением каналов и двухрежимного источника питания для оптимизации всех возможных вариантов работы.
Тремя отделениями компании Thales при финансировании Европейского космического агентства для программы ARTES 3 создан МРМ, перестраиваемый по мощности на орбите по команде с Земли. Полоса частот модуля составляет 1 ГГц в диапазоне от 10,7 до 12,75 ГГц. Выходная мощность в конце срока службы – не менее 150 Вт. Диапазон изменения мощности – 150–75 Вт с максимальным шагом 4 Вт. В состав модуля входят ЛБВ (разработка Thales Electron Devices, Франция), блок питания с регулятором катодного тока (Thales Alenia Space, Бельгия) и линеаризованный канальный усилитель (Thales Alenia Space, Франция).
В разработку МРМ модулей включаются и новые компании. Так, dB Control, США создала комплект из четырех бортовых передатчиков для системы электронного противодействия. Каждый передатчик построен по схеме мощного МРМ модуля (табл.3).
Компания dB Control сама не разрабатывает мини-ЛБВ, а покупает их на стороне. Вся разработка комплекта передатчиков была выполнена за год, проведение последующих квалификационных испытаний заняло около четырех месяцев.
Клистроды
Клистроды, сочетающие принцип действия клистрона и обыкновенного триода, имеют очень высокий КПД (до 70–75%) и хорошую линейность. Благодаря этим качествам они широко используются в телевизионных передатчиках УВЧ-диапазона. Один из таких клистродов – стандартный промышленный прибор типа IOTD2130 выпуска 1999 года на конференции IVEC представила британская компания E2V Technologies (рис.14).
Сейчас как в аналоговых, так и в цифровых ТВ-передатчиках работают свыше 190 таких приборов с общей наработкой, превышающей 60 тыс. ч. Прибор может работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах (табл.4).
При испытании клистрода в импульсном режиме на частоте 402,5 МГц была достигнута мощность 130 кВт, однако за гарантированную мощность принято значение 100 кВт при длительности импульса 1,5 мс.
В последнее время к клистродам усиливается внимание разработчиков ускорительной техники, функционирующей в УВЧ- и L-диапазонах. Поэтому ряд компаний работают над улучшением параметров клистродов с помощью современных программ проектирования. Так, лаборатория NRL решает задачу повышения мощности клистродов, компания CPI – задачу увеличения КПД, а L-3 Communications Electron Devices – задачу расширения полосы частот за счет применения высокоимпедансного устройства на входе и системы с распределенным взаимодействием на выходе. Это позволяет в пять раз увеличить полосу прибора (до 10%), что открывает возможности использования клистродов в РЛС и системах связи.
Компания Calabazas Creek Research в кооперации с CPI по заказу Министерства энергетики США завершает разработку семилучевого клистрода на частоту 350 ГГц с выходной непрерывной мощностью 200 кВт, КПД ~70% и усилением 23 дБ при напряжении около 23 кВ. Приборы такой мощности предполагается использовать для возбуждения ускорителей и коллайдеров.
Гиротроны
Гиротронные генераторы применяются главным образом в качестве мощных источников излучения миллиметрового диапазона для нагрева плазмы на основе электронно-циклотронного резонанса, а также для контроля стабильности и диагностики плазмы, удерживаемой магнитным полем. Как правило, это гиротроны мегаваттного уровня мощности. Менее мощные непрерывные гиротроны киловаттного уровня на частоте ~24 ГГц используются для обработки материалов (спекания наноструктурной керамики и металлических порошков, упрочнения поверхности, покрытия металлов и сплавов диэлектриками и др.). В зависимости от назначения требуются гиротроны как с большой длительностью импульса, так и короткоимпульсные. Достигнутые на сегодняшний день результаты для различных типов импульсных гиротронов представлены в табл.5 и 6.
Параметры гиротронов, используемых для технологических применений, приведены в табл.7.
Работы по совершенствованию гиротронов продолжаются. На конференции IVEC группой европейских организаций во главе с Технологическим Институтом Карлсруэ, Германия (Forschungszentrum Karlsruhe, FZK), был представлен непрерывный гиротрон с коаксиальным резонатором на частоту 170 ГГц мощностью 2 МВт. Гиротрон предназначен для Международного термоядерного экспериментального реактора ITER (International Themonuclear Experimental Reactor). Кроме того, сообщалось о проектировании магнетронно-инжекционной пушки для аналогичного гиротрона с выходной мощностью 4 МВт.
Институт прикладной физики (ИПФ) РАН и ООО ГИКОМ (Нижний Новгород) сообщили об испытаниях гиротрона для реактора ITER с непрерывной мощностью 1 МВт и КПД 50% на 170 ГГц в режиме 100 с (1,02 МВт) и 200 с (0,85 МВт). Эта же группа доложила о создании гиротрона технологического назначения (24,15 ГГц) с мощностью 6,2 кВт и рекордным КПД 60 %.
О создании непрерывного гиротрона на 42 ГГц и 200 кВт для индийской установки ТОКАМАК доложили представители Центрального НИИ электронной техники г. Пилани (Индия).
Компания Calabazas Creek Research разрабатывает гиротрон терагерцевого диапазона с импульсной мощностью 5 кВт (средней 10 Вт), частотой излучения 650–1000 ГГц при работе на основной частоте циклотронного резонанса и 1–2 ТГц при работе на второй резонансной гармонике. Магнитное поле (37 Т) создается импульсным соленоидом, который работает с частотой повторения импульсов ~1 Гц.
Министерство обороны США финансирует разработку этой же компанией гиротрона на 95 ГГц для активной системы нелетального оружия. Мощность гиротрона 50 кВт, КПД 30–40%. Основная цель работы – замена обычно используемого в таких системах сверхпроводящего магнита, время развертывания которого достигает 12 ч, постоянным магнитом массой 890 кг. Прибор работает на третьей гармонике и имеет одноступенчатый понижающий коллектор (рис.15). Стоимость постоянного магнита оценивается в 330 тыс. долл.
Вакуумные приборы для ускорительной техники
Один из крупнейших потребителей вакуумной техники – Европейский центр ядерных исследований CERN— располагает несколькими ускорителями различного типа, в каждом из которых установлены вакуумные приборы (рис.16, 17). Всего в ускорителях используются около 24 типов вакуумных приборов, а их общее число превышает 300. Многие из них — стандартные промышленные приборы, часть сделаны на заказ. Отдельные типы ускорительных установок содержат:
линейные ускорители LINAC 2 и 3: 11 триодов, 12 тетродов на частоту 200 МГц;
LEIR (Low Energy Ion Ring ) и AD (Antiproton Decelerator): 2 триода, 16 тетродов;
PS (Proton Synchrotron): 64 тетрода на частоту 2,7–200 МГц;
SPS (Super Proton Synchrotron): 108 тетродов на 200 МГц, восемь клистронов на 800 МГц;
LHC (Large Hadron Collider): 48 тетродов, 16 клистронов на 400 МГц и 300 кВт (в непрерывном режиме);
CTF3 (тестовое устройство для компактного линейного коллайдера CLIC): 13 клистронов на частоты 1,5 ГГц и 3 ГГц, 4 ЛБВ.
Для обеспечения надежной работы ускорителей в CERN ведется непрерывная работа по обеспечению работоспособности вакуумных приборов, применению новых материалов и керамики, совместимых с техникой сверхвысокого вакуума, а также по замене и модернизации действующих вакуумных приборов. Рассматривается возможность применения ряда многолучевых клистронов. Эти работы уже начаты компанией Thales и Университетом Ланкастера (Великобритания).
В ИПФ РАН закончена разработка мощного гироклистрона на 30 ГГц для CERN.
Группа компаний (SNAL, PSI, Elettra и LNF) создает мощные клистроны Х-диапазона (12 ГГц). Готовится тендер по замене клистронов диапазона 800 МГц, установленных в синхротроне SPS, клистродами, а также клистронов на 325 МГц и мощность 1,3 МВт в линейном ускорителе LINAC 4 более мощными импульсными клистронами (2,6 МВт). Все это требует создания соответствующих источников питания и модуляторов.
{img inline 16}
В CERN разрабатываются мощные СВЧ-компоненты диапазонов L, S, X и Ka, включая гибридные мосты, разветвители, фазовращатели, нагрузки, фланцы, окна вывода энергии и т.п.
Из анализа материалов конференции IVEC 2009 очевидно, что мировая вакуумная электроника не только продолжает совершенствоваться, но и активно решает задачи, отвечающие современным требованиям. Вакуумные приборы успешно работают в составе важнейших оборонных комплексов, системах космической связи и установках фундаментальных научных исследований. Дополнительные возможности открываются с появлением новых типов вакуумных приборов миллиметрового и терагерцевого диапазонов. Отдельные разработки отечественной вакуумной электроники, в частности проводимые в институтах РАН работы по созданию гироприборов, соответствуют мировому уровню.
{img inline 17}
Более сложная ситуация сложилась в отечественной вакуумной промышленности, которая, по мнению разработчиков, нуждается в поддержке [7]. Сейчас рассматриваются различные организационные подходы, которые могли бы привести к скачку в развитии передовых отечественных технологий, в том числе строительство отечественной Кремниевой Долины. Выдвигается также идея создания российского аналога американского агентства DARPA, которое определяло бы и финансировало наиболее перспективные научно-технические проекты. Каков бы ни был организационный сценарий важно, чтобы вакуумная электроника как высокотехнологичная отрасль отечественной электронной промышленности не осталась в стороне от модернизации.
Литература
1. 2009 IEEE International Vacuum Electronics Conference. Book of Abstracts and Conference Programme.
2. Викулов И., Кичаева Н. Американская программа по СВЧ вакуумной электронике HiFIVE. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №5, с.70–74.
3. Abrams R.H., Levush B. et al. Vacuum Electronics for the 21st Century. – IEEE Microwave Magazine, Sept. 2001, p.61–72.
4. Abe D.K. et al. Demonstration of an S-band 600 kW Fundamental Mode Multiple-Beam Klystron. – IEEE Electron Device Letters, 2005,v.26 (8), p.590–592.
5. Levush B. et al. Vacuum Electronics: Status and Trends.– 2007 IEEE Radar Conference Digest, p.971–976.
6. Викулов И., Кичаева Н. Мощные СВЧ-модули. Гибрид вакуумной и твердотельной электроники.– ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, № 7, с.69–71.
7. Симонов К. ФГУП "НПП "Исток" – флагман отечествееной СВЧ-электроники. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2010, №2, с.128–131.
Одна из наиболее заметных тенденцией последних лет – продвижение СВЧ-электроники, включая и вакуумную, в область коротких миллиметровых длин волн и в терагерцевый (ТГц) диапазон. Об этом свидетельствует и предложенная недавно Агентством по перспективным исследованиям Министерства обороны США (DARPA) в качестве прорывного технологического направления вакуумной СВЧ-электроники программа HiFIVE [2]. Как следует из материалов IVEC 2009, в настоящее время эта программа уже находится в работе. Аналогичный проект по терагерцевым источникам (OPTHER) разрабатывается и в Европе. Мощные приборы короткого миллиметрового диапазона длин волн предназначаются для высокоскоростных систем передачи данных, бортовых авиационных систем предупреждения столкновений и систем формирования радиолокационного изображения с высоким разрешением. Терагерцевое излучение в силу его большой проникающей способности предполагается использовать в системах охраны общественного порядка для обнаружения опасных веществ и предметов, а также в космосе, медицине, биологии и микроскопии.
Программа HiFIVE. В ней участвуют компании Northrop Grumman (ведущая), Electron Energy Corporation, Calabazas Creek Research, Teledyne Scientific & Imaging, Creatv MicroTech и JPL. Цель программы – создание компактного вакуумного усилителя мощностью 50 Вт в диапазоне 220 ГГц. Работа идет по двум направлениям: проектирование и отработка технологии замедляющей структуры (ЗС) и системы формирования электронного луча. В качестве ЗС используется так называемый "свернутый волновод" (folded waveguide). Расчет замедляющей структуры выполняется по программе CHRISTINE, а согласование импедансов – по программе HFSS. Ожидаемый коэффициент усиления прибора — 30 дБ, что достаточно для достижения режима насыщения усилителя при входной мощности 50 мВт. Для снижения тепловой нагрузки структуры рассматривается вариант не только единичной, но и сложной ЗС, состоящей из нескольких параллельных единичных ЗС. В этом случае в состав системы вводится делитель сигнала на входе и сумматор на выходе, а вдоль каждой ЗС работает свой электронный пучок. Рассматривается возможность изготовления ЗС по двум технологиям: DRIE (глубокое реактивное ионное травление) для нанесения меди на подготовленный на кремнии профиль и LIGA (от Lithographie, Galvanoformung, Abformung – литография, электроосаждение и формовка) для травления меди по фоторезисту SU-8 с помощью УЗ-излучения (рис.1).
Рис.1. Многорядная замедляющая структура типа "свернутый волновод", изготовленная по технологии LIGA. Фоторезист SU-8 удален частично
Отработка электронной оптики и прохождения пучка выполняется как на однолучевой, так и на пятилучевой модели (рис.2). В качестве эмиттера рассматриваются два типа катодов: диспенсерный катод М-типа и бариевый камерный катод с плотностью тока 25 и 75 А/см2 соответственно. Для получения необходимой плотности тока в пространстве взаимодействия требуются соответствующие коэффициенты компрессии электронного луча — 30 и 10. Планируются также испытания холодных катодов на углеродных трубках, разрабатываемых в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL).
Электронный луч фокусируется постоянным соленоидальным магнитным полем. Конструкция магнитной системы предусматривает преобразование фокусирующего магнитного поля прямоугольного сечения в азимутально симметричное поле для каждого из пяти лучей, отстоящих друг от друга на 0,05” (1,27 мм).
Рис.2. Модель пятилучевого вакуумного усилителя на ЗС типа "свернутый волновод". Расчетная мощность 50 Вт в диапазоне 220 ГГц
Другой вариант вакуумного усилителя на 0,22 ТГц по программе HiFIVE разрабатывается в Калифорнийском университете Дэвиса (UCD) по субконтракту с компанией Teledyne Scientific. Ожидаемый КПД – от 3 до 5,5 % при выходной мощности в насыщении – 150 и 275 Вт соответственно и мощности пучка 5 кВт. В качестве ЗС усилителя используется система из двух встроенных гребенок, смещенных на полпериода, так называемая структура "Барнетта-Шина" (рис.3).
Рис.3. Замедляющая структура "Барнетта-Шина": а) конструкция ЗС, б) макет ЗС, изготовленный по технологии LIGA
В настоящее время проведены холодные измерения системы, показавшие хорошее соответствие ее дисперсионных характеристик с расчетом. Помимо LIGA для изготовления ЗС рассматриваются также возможности МЭМС-технологии.
Европейский проект OPTHER (Optically Driven THz Amplifiers – оптически управляемые терагерцевые усилители). В последнее время в Европейском союзе реализовано несколько проектов по разработке источников терагерцевого диапазона (0,3–10 ТГц). Все источники имеют большие размеры и малую мощность (< 1 мВт), которая недостаточна для проведения мониторинга в системах безопасности. Цель проекта OPTHER – достижение требуемой мощности и приемлемых размеров терагерцевых источников. Одним из направлений проекта является создание вакуумного ТГц-усилителя с помощью технологии микрообработки и с использованием холодных катодов на основе полевой эмиссии углеродных нанотрубок. Прорабатываются две схемы построения усилителя: с возбуждением ЗС ТГц-сигналом по типу клистрона или ЛБВ (рис.4а) и с возбуждением оптически модулированным лучом по типу клистрода, или лампы с индуктивным выходом (Inductive Output Tube, IOT) (рис.4б). В первом случае электроны эмитируются катодом и ускоряются анодом, образуя пучок требуемой формы. Для ограничения пучка в пространстве взаимодействия используется статическое магнитное поле. Вводимый в ЗС сигнал вызывает модуляцию электронов по скорости и плотности, приводя к их группировке. Вывод энергии выполняется на соответствующем расстоянии от входа, где электронные сгустки тормозятся, передавая свою энергию полю.
В усилителе с оптической модуляцией эмиссией электронов с холодного катода управляет излучение инфракрасного лазера, модулированного на частоте ТГц-диапазона. Ускоренные электронные сгустки, взаимодействуя с волной ЗС, приводят к ее нарастанию на выходе. С точки зрения получения большой мощности вторая схема предпочтительна.
В качестве возможной замедляющей структуры для усилителя ТГц-диапазона рассматривается ступенчатый волновод (рис.5) со следующими геометрическими размерами: d = 25 мкм, s = 15 мкм, p = 80 мкм, b = 130 мкм и w = 300 мкм. Изготавливается ЗС по технологии LIGA или DRIE. Расчет показывает, что частоте 990 ГГц соответствует напряжение ЗС, равное 11,5 кВ. Для выхода на заданную частоту в случае разброса размеров ЗС при использовании фоторезиста SU-8 требуется подстройка напряжением в пределах 1 кВ.
В европейском проекте OPTHER участвуют Римский университет Tor Vergata; компания Thales Components & Subsystems (Франция); Датский технический университет, Копенгаген; компании Selex-SI (Рим), Ecolе Polytechnique/CNRS и Thales Research & Technology (Франция).
Рис.4. Схемы построения ТГц-усилителя: а) усилитель с возбуждением ЗС ТГц-сигналом, б) усилитель, возбуждаемый электронным лучом с ТГц-модуляцией
В США ТГц-диапазон осваивают компании Teraphysics и RTI International. В качестве вакуумного прибора ими выбран прибор на ЗС в виде обычной спирали, изготовленной с помощью химического осаждения из паровой фазы алмазной пленки на кремниевую пластину и фотолитографии. Конструкция состоит из плоского алмазного держателя спирали из золотой проволоки (рис.6, элемент голубого цвета), электронного пучка снаружи спирали (элемент красного цвета) и селективно металлизированного канала внутри алмазного бокса (в виде полупрозрачного куба). В приборе предполагается использовать электронную пушку с двойной сходящейся оптикой и термоионным катодом. Работа находится на ранней стадии проектирования. По расчету, на частоте 1 ТГц ожидается получить коэффициент усиления ЛБВ 33 дБ при мощности насыщения 200 мВт, рабочем напряжении 9 кВ и токе пучка 5,3 мА.
Рис.5. Замедляющая структура типа "ступенчатый волновод" для усилителя ТГц-диапазона
Рис.6. Конструкция электронного прибора ТГц-диапазона на спиральной ЗС
Традиционные вакуумные приборы СВЧ
Клистроны
Разработки клистронов ведутся в ряде стран, наиболее широко – в США, России и Китае. После публикации в 1990-е годы оригинальных российских работ по многолучевым клистронам (МЛК) в развитие этого направления включились другие страны, и сейчас оно одно из основных в клистроностроении.
Наибольших успехов здесь достиг Китай. Еще в 2001 году в американских публикациях с большим пиететом отмечались достижения РФ в разработке МЛК, которыми были перекрыты все основные СВЧ-диапазоны от L до Ku [3]. На IVEC 2009 китайцы представили ряды МЛК тех же диапазонов с параметрами, не уступающими российским (табл.1, 2). Основные разрабатывающие центры Китая: Институт электроники Китайской академии наук (IECAS) и Пекинский исследовательский институт вакуумной электроники (BVERI). При этом число модификаций клистронов института IECAS в одном только S-диапазоне более десяти.
Китайские разработчики подразделяют МЛК на три категории по уровню мощности. К первой категории относятся МЛК средней мощности с выходной мощностью от нескольких десятков киловатт до 1 МВт с полосой частот 5–12% в диапазонах L, S, C. Они используются главным образом в широкополосных радиолокационных системах. По ширине полосы они приближаются к ЛБВ на ЗС типа "цепочки связанных резонаторов", но имеют более низкие напряжения, меньшие размеры и больший КПД.
Второй тип – МЛК малой мощности с выходной мощностью от нескольких сотен ватт до киловатт и полосой частот 100–200 МГц в Ku-диапазоне. Благодаря низким напряжениям и малым размерам эти клистроны используются в головках самонаведения ракет.
Третий тип – МЛК с импульсной мощностью от нескольких мегаватт до сотен мегаватт. Они находят применение в ускорительной технике. Доклады китайских специалистов по этим клистронам также были представлены на конференции IVEC 2009.
Образцы некоторых МЛК китайского производства показаны на рис.7.
Рис.7. Многолучевые клистроны разработки Института электроники Китайской АН (IECAS): а) KS4116A (S-диапазон); б) KC4079L (C-диапазон); в) KX4127 (Х-диапазон)
США представили на конференции несколько текущих разработок, главным образом по мощным и сверхмощным клистронам для ускорителей. Исследовательская лаборатория ВМС (Naval Research Laboratory, NRL) совместно с компаниями Beam-Wave Research и Communications and Power Industries (CPI) сообщила о разработке 18-лучевого МЛК S-диапазона с полосой 13% по уровню -1 дБ и проектной выходной мощностью 500–600 кВт (рис.8). Прибор рассчитан на работу в импульсном режиме с коэффициентом заполнения Кз = 2,5%. Этот клистрон представляет собой уже третью модификацию разработанного ранее восьмилучевого четырехрезонаторного клистрона [4]. Число резонаторов в нем увеличено до семи, а число лучей до восемнадцати (рис.9).
Рабочее напряжение электронной пушки клистрона составляет 42 кВ, ток – 41,6 А. Прибор рассчитывался с помощью программ MAGIC 3D, HFSS и Analyst. Клистроны такого типа предназначены для радиолокационных систем дальнего обнаружения и разведки. Во многих действующих системах ВМС США они могут заменить мощные усилители со скрещенными полями, сократив их число в выходной цепочке и уменьшив на три порядка шумы передатчика при сохранении выходной мощности [5].
Компания L-3 Communications Electron Devices сообщила о разработке клистрона на частоту 9,3 ГГц с импульсной мощностью 5 МВт и средней мощностью 20 кВт, предназначенного для ускорительной техники и систем радиолокации. Использовались программы расчета TESLA, DEMEOS и HFSS. В проектировании прибора участвовали Игорь Чернявский (компания Science Applications International Corp. – SAIC) и Александр Власов (NRL).
Одна из ведущих компаний в области вакуумного приборостроения – CPI – представила следующие разработки:
МЛК L-диапазона (1300 МГц) с импульсной мощностью ≥ 10 МВт, КПД 65%, средней мощностью 150 кВт при длительности импульса 1,5 мс и мгновенной полосе 3 МГц по уровню -1 дБ. Прибор разрабатывается для Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (European X-ray Free Electron Laser, XFEL) и других ускорителей;
клистрон непрерывного действия с мощностью 250 кВт, КПД 44,3% и усилением 56 дБ для экспериментальной установки нагрева плазмы TOKAMAK, создаваемой Институтом физики плазмы китайской АН. Всего предусмотрена поставка 24 таких клистронов;
радиолокационный клистрон с выходной мощностью 1 МВт и полосой 50 МГц в С-диапазоне (5625 МГц). Его средняя мощность составляет 2,3 кВт при частоте повторения импульсов 525 Гц и длительности 3,8 мкс;
шестирезонаторный клистрон для РЛС с выходной импульсной мощностью 2,5 МВт, средней мощностью 5,4 кВт, КПД 43%, усилением 53 дБ и полосой 70 МГц на частоте 9300 МГц. Длительность импульса – 3,8 мкс, частота повторения – 525 Гц. Важной особенностью клистрона является фокусировка постоянными периодическими магнитами, что определяет его малые массогабаритные характеристики: диаметр 20 см, длина 62 см и масса 27 кг. Большой срок службы обеспечивает диспенсерный катод М-типа.
Рис.8. Трехмерная модель 18-лучевого семирезонаторного катода
Рис.9. 18-лучевый катод (а) и катодный узел в сборке с фокусирующим электродом (б)
Компания Colabazas Creek Research по заказу Министерства энергетики США продолжает разрабатывать многолучевой клистрон с выходной мощностью 50 МВт, работающий с микросекундными импульсами на частоте 11,4 ГГц. Ожидаемый КПД составляет 54%, усиление – 55 дБ. В настоящее время проводятся испытания клистрона с восьмилучевой электронной пушкой. В дальнейшем должно быть принято решение о сохранении восьмилучевой конструкции или переходе на двухлучевую.
В работе также принимают участие ученые из Центра линейных ускорителей Стэндфордского университета (Stanford Linear Accelerator Center) Анатолий Красник и Валентин Иванов.
Российские разработки клистронов на конференции IVEC 2009 представило ФГУП НПП "Торий" (Москва). Все доклады носили преимущественно расчетный характер. Так, был приведен расчет шестирезонаторного клистрона с фокусирующей системой на постоянных магнитах, образованных двумя радиально намагниченными кольцами из сплава Sm-Co. Резонаторная система выполнена в виде шести резонаторов, работающих на моде Н102. Нагруженный фильтром входной и четыре промежуточных резонатора – однозазорные, нагруженный фильтром выходной резонатор – двухзазорный и работает на 2π-виде.
Электронные траектории и продольное магнитное поле рассчитывались по двумерной программе, а характеристики входного и выходного фильтров – по одномерной программе KLYS 4.5. Согласно расчету, при токе двух катодов 2 А, напряжении 12 кВ, плотности тока 6 А/см2 и магнитном поле 7,4 кГс клистрон должен обеспечивать импульсную мощность 8 кВт, среднюю мощность 500 Вт, усиление 40 дБ и полосу 1,5% по уровню 1 дБ.
Аналогичные расчеты выполнены и для МЛК других диапазонов. В приборе С-диапазона в качестве прототипа взят 30-лучевой клистрон КИУ-141 разработки 1991 года с КПД 25–30% и полосой 8% по уровню 3 дБ. Этот клистрон имеет пять двухзазорных резонаторов. Как показал расчет (программа DEV5.1), путем замены четвертого резонатора на однозазорный и варируя длину дрейфа, можно увеличить его КПД до 50%.
В 19-лучевом МЛК S-диапазона предлагается заменить термоэмиссионный катод полевым катодом из нанокристаллического графита (NCG). Согласно расчету, при напряжении 3–5 кВ и токе 2–3 А клистрон может развить выходную импульсную мощность 3 кВт и среднюю мощность 50 Вт при длительности импульса 80 мкс.
Университетом Ланкастера (Lancaster University) проведен расчет 20-лучевого МЛК с выходной импульсной мощностью 50 МВт и средней 500 кВт на частоте 1,3 ГГц. МЛК такого типа наиболее подходят для строительства компактных линейных коллайдеров (CLIC). При анализе стабильности МЛК использован метод моментов, который в отличие от известных программ MWS и Mafia, требующих нескольких часов расчетов, позволяет провести вычисления за несколько секунд.
В университетах Стратклайда (University of Strathсlyde) и Лондона предложен микроклистрон, в котором самофокусирующийся электронный луч формируется в процессе псевдоискрового разряда (pseudospark discharge). При напряжении 10 кВ, значениях диаметра катода и анода 1 мм и зазоре между ними 6 мм такой источник дает ток 4 А при давлении 100 мТор. С помощью масштабирования проведено моделирование клистрона на частоту 200 ГГц.
В Центральном исследовательском институте электронной техники (г. Пилани, Индия) продолжается разработка четрехлучевого клистрона S-диапазона специального назначения с выходной непрерывной мощностью 4 кВт. Результаты холодных измерений четырехрезонаторной системы хорошо согласуются с расчетными данными. При проектировании клистрона использовались программы MAGIC, HFSS и CST.
Следует особо выделить новый тип клистронов – приборы с ленточным лучом (sheet beam klystron), разрабатываемые в США и Китае. В таких клистронах используются пролетные трубы большого прямоугольного сечения и низкое напряжение луча при большом токе малой плотности. В отличие от клистронов с обычным цилиндрическим лучом мощность новых приборов с ростом частоты уменьшается линейно, а не пропорционально квадрату частоты. Это делает их перспективными как с точки зрения получения большой мощности, так и для продвижения в миллиметровый диапазон.
Американская компания CPI уже несколько лет работает над проектом создания мощного клистрона с ленточным лучом Х-диапазона со следующими целевыми параметрами:
Отношение ширины луча к его высоте……............25
Напряжение луча, кВ………………………....................73
Ток луча, А……………………………………......................152
Выходная импульсная мощность, МВт...................5
Выходная средняя мощность, кВт…………..............20
Входная мощность, Вт………………………..................50
Коэффициент усиления, дБ.....................................45
КПД, %.......................................................................45
В действующем образце прибора путем подбора напряжения фокусирующего электрода удалось добиться токопрохождения 95% и снизить напряжение луча до 35 кВ. Для формирования луча использована система постоянных периодических магнитов (ППМ). Прохождение луча в приборе смоделировано с помощью программы MICHELLE (рис.10).
В Институте электроники китайской АН выполнено также.нелинейное проектирование пятирезонаторного клистрона с ленточным пучком с помощью 3D-программы "частица в ячейке". При параметрах луча 415 кВ, 250 А и входной мощности 8,93 кВт расчет дает выходную импульсную мощность 32,4 МВт, КПД 31,2 % и усиление 35,6 дБ на частоте 11,425 ГГц.
Особенно хороших результатов по мощности следует ожидать от клистронов с ленточным лучом миллиметрового диапазона. До настоящего времени в диапазоне 218 ГГц максимально достигнутая непрерывная мощность клистрона с распределенным взаимодействием составляла 9 Вт при использовании обычного луча с напряжением 12 кВ.
В лаборатории NRL с помощью программы MAGIC-3D спроектирован четырехрезонаторный клистрод с распределенным взаимодействием на 220 ГГц с ленточным лучом, у которого отношение ширины луча к высоте равно 19. При токе луча 520 мА, напряжении 16,5 кВ и мощности на входе 25 мВт такой усилитель обеспечит выходную мощность 453 Вт. Длина системы взаимодействия при этом составляет всего 1,2 см.
Лампы бегущей волны (ЛБВ)
На конференции IVEC 2009 рассматривались в основном мощные ЛБВ наземных станций, передающих сигнал на спутник (uplink), и спутниковые ЛБВ, вырабатывающие сигнал для передачи на Землю (downlink).
ЛБВ для передатчиков наземных станций
Японская компания NEC Microwave Tube сумела повысить выходную мощность ЛБВ предыдущей модели (LD7304) с 500 до 750 Вт (модель LD7323) в диапазоне прямого спутникового телевещания DBS (17,3–18,4 ГГц), сохранив структуру ее элементов, включая двухступенчатый коллектор. Улучшены также КПД и габариты лампы (410×96×71 мм). Сейчас выпущено уже более 40 ламп модели LD7323.
Рис.10. Расчетная форма ленточного электронного луча на участках транспортировки от пушки до трубки дрейфа (а), в трубке дрейфа (б) и от трубки дрейфа до коллектора (в)
Семейство надежных выполненных по стандартной технологии ЛБВ с непрерывной мощностью 750 Вт С-, Кu- и DBS-диапазонов разрабатывает и компания Thales Electron Devices, TED (Франция). В связи с перегрузкой этих диапазонов сейчас происходит активный переход к спутниковой связи в Ка-диапазоне. TED использовала свои наработки в области ЛБВ на 250 Вт в этом диапазоне и показала на конференции лампу мощностью 500 Вт, отвечающую требованиям спутниковых операторов в частотных диапазонах 27,5–30 ГГц и 30–31 ГГц. ЛБВ ТН4092 имеет четырехступенчатый коллектор при КПД более 50%, кондуктивное охлаждение и может работать в составе авиационной аппаратуры в импульсном режиме при уровне средней мощности 350 Вт.
Рис.11. Частотная характеристика мощности двухсекционной ЛБВ модульной конструкции на ЗС типа "свернутый волновод" компании L-3 Communications EDD
В 2007 году американская компания L-3 Communications, Electron Technologies (L-3 ETI) закончила разработку мощной компактной спиральной ЛБВ миллиметрового диапазона 8926НВ для следующего поколения военных и коммерческих наземных станций широкополосной спутниковой связи Ка-диапазона. В 2008 году начато производство этой лампы с выходной непрерывной мощностью 500 Вт, а также ее варианта 8926НА с импульсной мощностью 500 Вт и непрерывной 350 Вт. К настоящему времени выпущено 16 ламп 8926НВ и пять ламп 8926А, перекрывающих диапазон от 28 до 30 ГГц. Лампы имеют трехступенчатый коллектор. Их КПД составляет ~60% и коэффициент усиления в насыщении – 45 дБ.
Спутниковые ЛБВ
В ответ на потребность телекоммуникационных систем в новых участках частотного спектра компания Thales довела производство ЛБВ Ка-диапазона до 50 и более ламп в месяц. В настоящее время приборы компании перекрывают диапазон 17,3–22 ГГц с мощностями от 15 до 135 Вт и КПД более 64%. В лампах используются различные системы охлаждения – кондуктивный и радиационный. В диапазонах 23 и 26 ГГц созданы лампы мощностью 60 Вт, а на 32 ГГц – мощностью 35 Вт. К 2009 году было выпущено 1410 ЛБВ Ка-диапазона с суммарной наработкой 15 млн. ч.
Лампы Ка-диапазона компании Thales разрабатываются в соответствии с требованиями Европейского космического агентства и NASA и предназначены для надежной работы на спутнике в течение более 18 лет. На конференции IVEC 2009 компания Thales представила две ЛБВ Ка-диапазона: с четырехступенчатым коллектором TL-типа мощностью 120 Вт с кондуктивным охлаждением и магнитной фокусировкой в коллекторе и ТН-типа мощностью 135 Вт с радиационным охлаждением и электростатической фокусировкой.
Для DBS-систем и телевидения высокой четкости компания L-3 ETI освоила пилотное производство и тестовые испытания двух вариантов спутниковых ЛБВ с полосой 2 ГГц в диапазонах от 17 до 22 ГГц с кондуктивным (9100Н) и радиационным (9100HR) охлаждением. Компания приводит следующие характеристики ламп:
Мощность в насыщении, Вт……………………………............50–130
КПД, %.................................................................................50–68
Усиление при насыщении, дБ…………………………............50–58
Входная мощность при насыщении, дБм………………......-5…1
Максимальный фазовый сдвиг, град…………………..........45
Преобразование АМ/ФМ при насыщении, град/дБ……..4
Коэффициент шума, дБ…………………………………............28
Масса 9100Н/9100HR, г………………………………….............700/950
Компания L-3 ETI разрабатывает спутниковые ЛБВ с момента перехода на катоды М-типа (1987 год). За это время интенсивность отказов приборов составила 46 отказов/109 часов работы (Failures in Time).
ЛБВ W-диапазона
Относительно низкое атмосферное поглощение радиоволн на частотах 90–95 ГГц по-прежнему привлекает внимание разработчиков к созданию вакуумных приборов, работающих в этом диапазоне. Компания L-3 Communications EDD сообщила о совершенствовании двухсекционной ЛБВ предыдущего поколения на ЗС типа "свернутый волновод" с импульсной мощностью 250 Вт, средней мощностью 100 Вт и усилением 30 дБ. В новой лампе также использована модульно-сварная конструкция, упрощающая ее сборку. В электронной пушке тетродного типа, формирующей сверхламинарный луч с микропервеансом 0,104, значительно улучшена точность исполнения деталей. ВЧ-согласование ЗС по входу и выходу равно соответственно -20 дБ и -10 дБ, токопрохождение более 94%. Измерения новой лампы показали, что ее выходная мощность превышает 300 Вт (рис.11).
Односекционный макет спиральной ЛБВ, изготовленный по технологии ламп ТГц-диапазона (см. рис.6) представила компания Teraphysics. Электронный луч в лампе движется снаружи спирали. Приведены следующие проектные характеристики ЛБВ:
Центральная частота, ГГц………………...............................95
Напряжение луча, В………………………...............................6000
Ток луча, мА………………………………...................................32
Выходная мощность в насыщении, Вт…..........................24
КПД в насыщении, %.........................................................12,3
Коллекторный КПД, %........................................................92,4
Полный КПД в насыщении, %...........................................49
Значительный прорыв по мощности в диапазоне 95 ГГц обещает конструкция ЛБВ на цепочке сверхразмерных резонаторов с боковой связью. Поперечные размеры такой ЗС, работающей на высших видах колебаний, в три раза больше, чем у обычной ЗС лестничного типа, использующей основной тип колебаний резонаторов.
По оценкам Центра исследования плазмы Массачусетского университета (MIT Plasma Science and Fusion Center), проектирующего прибор, такая ЛБВ способна развить мощность более 1 кВт в полосе 0,8 ГГц на частоте 99 ГГц при параметрах электронной пушки 49 кВ и 0,83 А.
Мощные СВЧ-модули
Созданные в начале 1990-х годов новые мощные СВЧ-модули (Microwave Power Module – MPM) предполагалось использовать в качестве выходных усилителей в активных фазированных антенных решетах (АФАР). Однако вскоре они нашли применение в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и системах электронного противодействия [6]. Успех БПЛА и мобильных терминалов спутниковой связи на различных театрах боевых действий способствовал росту интереса к МРМ как к малогабаритным компактным и эффективным источникам СВЧ-мощности. В свою очередь такие новые области применения, как высокоскоростная цифровая связь, РЛС с синтезированной апертурой и другие потребовали дальнейшего совершенствования структуры и технологии МРМ. В отличие от первых образцов, современные МРМ содержат не только три основных блока (предварительный твердотельный усилитель, источник питания и мини-ЛБВ), но и канальные усилители, линеаризаторы, цифровые логические интерфейсы и др. Значительный прогресс достигнут и в разработке мини-ЛБВ (рис.12).
На конференции IVEC были представлены три крупных разработки МРМ различного назначения. Это, во-первых, МРМ миниатюрного передатчика компании Northrop Grumman для космического аппарата NASA, предназначенного для исследования теневой стороны Луны и последующего полета к Марсу (рис.13). Система включает двухдиапазонную (2,38 и 7,14 ГГц) РЛС с синтезированной аппаратурой для получения изображения с высоким разрешением и маломощную подсистему связи в тех же диапазонах. В режиме РЛС выходная мощность равна 70–80 Вт при коэффициенте заполнения импульса 40%. В режиме связи непрерывная мощность составляет ~10 Вт. Разработка передатчика потребовала создания широкополосной спиральной мини-ЛБВ (2–8 ГГц), многоканального твердотельного усилителя с переключением каналов и двухрежимного источника питания для оптимизации всех возможных вариантов работы.
Рис.12. Динамика роста уровня мощности миниатюрных спиральных ЛБВ. (данные компании L-3 Communications EDD)
Рис.13. Миниатюрный многорежимный передатчик NASA S- и Х-диапазонов для исследования теневой стороны Луны. Размеры – 5×16,5×28,4 см, масса – 2,65 кг
Тремя отделениями компании Thales при финансировании Европейского космического агентства для программы ARTES 3 создан МРМ, перестраиваемый по мощности на орбите по команде с Земли. Полоса частот модуля составляет 1 ГГц в диапазоне от 10,7 до 12,75 ГГц. Выходная мощность в конце срока службы – не менее 150 Вт. Диапазон изменения мощности – 150–75 Вт с максимальным шагом 4 Вт. В состав модуля входят ЛБВ (разработка Thales Electron Devices, Франция), блок питания с регулятором катодного тока (Thales Alenia Space, Бельгия) и линеаризованный канальный усилитель (Thales Alenia Space, Франция).
В разработку МРМ модулей включаются и новые компании. Так, dB Control, США создала комплект из четырех бортовых передатчиков для системы электронного противодействия. Каждый передатчик построен по схеме мощного МРМ модуля (табл.3).
Компания dB Control сама не разрабатывает мини-ЛБВ, а покупает их на стороне. Вся разработка комплекта передатчиков была выполнена за год, проведение последующих квалификационных испытаний заняло около четырех месяцев.
Клистроды
Клистроды, сочетающие принцип действия клистрона и обыкновенного триода, имеют очень высокий КПД (до 70–75%) и хорошую линейность. Благодаря этим качествам они широко используются в телевизионных передатчиках УВЧ-диапазона. Один из таких клистродов – стандартный промышленный прибор типа IOTD2130 выпуска 1999 года на конференции IVEC представила британская компания E2V Technologies (рис.14).
Сейчас как в аналоговых, так и в цифровых ТВ-передатчиках работают свыше 190 таких приборов с общей наработкой, превышающей 60 тыс. ч. Прибор может работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах (табл.4).
При испытании клистрода в импульсном режиме на частоте 402,5 МГц была достигнута мощность 130 кВт, однако за гарантированную мощность принято значение 100 кВт при длительности импульса 1,5 мс.
Рис.14. Промышленный телевизионный клистрод IOTD2130 в монтажном устройстве британской компании E2V Technologies
В последнее время к клистродам усиливается внимание разработчиков ускорительной техники, функционирующей в УВЧ- и L-диапазонах. Поэтому ряд компаний работают над улучшением параметров клистродов с помощью современных программ проектирования. Так, лаборатория NRL решает задачу повышения мощности клистродов, компания CPI – задачу увеличения КПД, а L-3 Communications Electron Devices – задачу расширения полосы частот за счет применения высокоимпедансного устройства на входе и системы с распределенным взаимодействием на выходе. Это позволяет в пять раз увеличить полосу прибора (до 10%), что открывает возможности использования клистродов в РЛС и системах связи.
Компания Calabazas Creek Research в кооперации с CPI по заказу Министерства энергетики США завершает разработку семилучевого клистрода на частоту 350 ГГц с выходной непрерывной мощностью 200 кВт, КПД ~70% и усилением 23 дБ при напряжении около 23 кВ. Приборы такой мощности предполагается использовать для возбуждения ускорителей и коллайдеров.
Гиротроны
Гиротронные генераторы применяются главным образом в качестве мощных источников излучения миллиметрового диапазона для нагрева плазмы на основе электронно-циклотронного резонанса, а также для контроля стабильности и диагностики плазмы, удерживаемой магнитным полем. Как правило, это гиротроны мегаваттного уровня мощности. Менее мощные непрерывные гиротроны киловаттного уровня на частоте ~24 ГГц используются для обработки материалов (спекания наноструктурной керамики и металлических порошков, упрочнения поверхности, покрытия металлов и сплавов диэлектриками и др.). В зависимости от назначения требуются гиротроны как с большой длительностью импульса, так и короткоимпульсные. Достигнутые на сегодняшний день результаты для различных типов импульсных гиротронов представлены в табл.5 и 6.
Параметры гиротронов, используемых для технологических применений, приведены в табл.7.
Работы по совершенствованию гиротронов продолжаются. На конференции IVEC группой европейских организаций во главе с Технологическим Институтом Карлсруэ, Германия (Forschungszentrum Karlsruhe, FZK), был представлен непрерывный гиротрон с коаксиальным резонатором на частоту 170 ГГц мощностью 2 МВт. Гиротрон предназначен для Международного термоядерного экспериментального реактора ITER (International Themonuclear Experimental Reactor). Кроме того, сообщалось о проектировании магнетронно-инжекционной пушки для аналогичного гиротрона с выходной мощностью 4 МВт.
Институт прикладной физики (ИПФ) РАН и ООО ГИКОМ (Нижний Новгород) сообщили об испытаниях гиротрона для реактора ITER с непрерывной мощностью 1 МВт и КПД 50% на 170 ГГц в режиме 100 с (1,02 МВт) и 200 с (0,85 МВт). Эта же группа доложила о создании гиротрона технологического назначения (24,15 ГГц) с мощностью 6,2 кВт и рекордным КПД 60 %.
О создании непрерывного гиротрона на 42 ГГц и 200 кВт для индийской установки ТОКАМАК доложили представители Центрального НИИ электронной техники г. Пилани (Индия).
Компания Calabazas Creek Research разрабатывает гиротрон терагерцевого диапазона с импульсной мощностью 5 кВт (средней 10 Вт), частотой излучения 650–1000 ГГц при работе на основной частоте циклотронного резонанса и 1–2 ТГц при работе на второй резонансной гармонике. Магнитное поле (37 Т) создается импульсным соленоидом, который работает с частотой повторения импульсов ~1 Гц.
Министерство обороны США финансирует разработку этой же компанией гиротрона на 95 ГГц для активной системы нелетального оружия. Мощность гиротрона 50 кВт, КПД 30–40%. Основная цель работы – замена обычно используемого в таких системах сверхпроводящего магнита, время развертывания которого достигает 12 ч, постоянным магнитом массой 890 кг. Прибор работает на третьей гармонике и имеет одноступенчатый понижающий коллектор (рис.15). Стоимость постоянного магнита оценивается в 330 тыс. долл.
Рис.15. Гиротрон мощностью 50 кВт на частоте 95 ГГц, предназначенный для систем нелетального оружия МО США
Вакуумные приборы для ускорительной техники
Один из крупнейших потребителей вакуумной техники – Европейский центр ядерных исследований CERN— располагает несколькими ускорителями различного типа, в каждом из которых установлены вакуумные приборы (рис.16, 17). Всего в ускорителях используются около 24 типов вакуумных приборов, а их общее число превышает 300. Многие из них — стандартные промышленные приборы, часть сделаны на заказ. Отдельные типы ускорительных установок содержат:
линейные ускорители LINAC 2 и 3: 11 триодов, 12 тетродов на частоту 200 МГц;
LEIR (Low Energy Ion Ring ) и AD (Antiproton Decelerator): 2 триода, 16 тетродов;
PS (Proton Synchrotron): 64 тетрода на частоту 2,7–200 МГц;
SPS (Super Proton Synchrotron): 108 тетродов на 200 МГц, восемь клистронов на 800 МГц;
LHC (Large Hadron Collider): 48 тетродов, 16 клистронов на 400 МГц и 300 кВт (в непрерывном режиме);
CTF3 (тестовое устройство для компактного линейного коллайдера CLIC): 13 клистронов на частоты 1,5 ГГц и 3 ГГц, 4 ЛБВ.
Для обеспечения надежной работы ускорителей в CERN ведется непрерывная работа по обеспечению работоспособности вакуумных приборов, применению новых материалов и керамики, совместимых с техникой сверхвысокого вакуума, а также по замене и модернизации действующих вакуумных приборов. Рассматривается возможность применения ряда многолучевых клистронов. Эти работы уже начаты компанией Thales и Университетом Ланкастера (Великобритания).
В ИПФ РАН закончена разработка мощного гироклистрона на 30 ГГц для CERN.
Группа компаний (SNAL, PSI, Elettra и LNF) создает мощные клистроны Х-диапазона (12 ГГц). Готовится тендер по замене клистронов диапазона 800 МГц, установленных в синхротроне SPS, клистродами, а также клистронов на 325 МГц и мощность 1,3 МВт в линейном ускорителе LINAC 4 более мощными импульсными клистронами (2,6 МВт). Все это требует создания соответствующих источников питания и модуляторов.
{img inline 16}
В CERN разрабатываются мощные СВЧ-компоненты диапазонов L, S, X и Ka, включая гибридные мосты, разветвители, фазовращатели, нагрузки, фланцы, окна вывода энергии и т.п.
Из анализа материалов конференции IVEC 2009 очевидно, что мировая вакуумная электроника не только продолжает совершенствоваться, но и активно решает задачи, отвечающие современным требованиям. Вакуумные приборы успешно работают в составе важнейших оборонных комплексов, системах космической связи и установках фундаментальных научных исследований. Дополнительные возможности открываются с появлением новых типов вакуумных приборов миллиметрового и терагерцевого диапазонов. Отдельные разработки отечественной вакуумной электроники, в частности проводимые в институтах РАН работы по созданию гироприборов, соответствуют мировому уровню.
{img inline 17}
Более сложная ситуация сложилась в отечественной вакуумной промышленности, которая, по мнению разработчиков, нуждается в поддержке [7]. Сейчас рассматриваются различные организационные подходы, которые могли бы привести к скачку в развитии передовых отечественных технологий, в том числе строительство отечественной Кремниевой Долины. Выдвигается также идея создания российского аналога американского агентства DARPA, которое определяло бы и финансировало наиболее перспективные научно-технические проекты. Каков бы ни был организационный сценарий важно, чтобы вакуумная электроника как высокотехнологичная отрасль отечественной электронной промышленности не осталась в стороне от модернизации.
Литература
1. 2009 IEEE International Vacuum Electronics Conference. Book of Abstracts and Conference Programme.
2. Викулов И., Кичаева Н. Американская программа по СВЧ вакуумной электронике HiFIVE. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2008, №5, с.70–74.
3. Abrams R.H., Levush B. et al. Vacuum Electronics for the 21st Century. – IEEE Microwave Magazine, Sept. 2001, p.61–72.
4. Abe D.K. et al. Demonstration of an S-band 600 kW Fundamental Mode Multiple-Beam Klystron. – IEEE Electron Device Letters, 2005,v.26 (8), p.590–592.
5. Levush B. et al. Vacuum Electronics: Status and Trends.– 2007 IEEE Radar Conference Digest, p.971–976.
6. Викулов И., Кичаева Н. Мощные СВЧ-модули. Гибрид вакуумной и твердотельной электроники.– ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, № 7, с.69–71.
7. Симонов К. ФГУП "НПП "Исток" – флагман отечествееной СВЧ-электроники. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2010, №2, с.128–131.
Отзывы читателей
