Кулагин Игорь Станиславович

Микроволновая электроника, радиофизика, нелинейная динамика.

• 1976 – Горьковский государственный университет, специальность «радиофизик».
• 1983–1987 – аспирантура Института прикладной физики РАН.
• 1994 – кандидатская диссертация «Проблемы увеличения длительности выходного импульса в мощных источниках СВЧ излучения с релятивистскими электронными пучками», научные руководители – кандидат физ.-мат. наук В. А. Флягин, кандидат физ.-мат. наук Н. И. Зайцев.

НИРФИ (инженер), ИПФ АН – ИПФ РАН (инженер, м. н. с., н. с., с. н. с.)

Российское вакуумное общество.

Руководитель грантов РФФИ в 2007-2009, 2012-2014, 2015-2017 гг.

1. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кораблев Г.С., Кулагин И.С., Лыгин В.К., Мовшевич Б.З., Цалолихин В.И., Шмелев М.Ю. «Сильноточный микросекундный электронный ускоритель с термокатодом для мощных СВЧ-приборов» // Приборы и техника эксперимента, 1995, № 3, с. 138–145.
   Разработан и создан сильноточный микросекундный электронный ускоритель с термоэмиссионным инжектором на базе магнетронно-инжекторной пушки, формирующий пучки с энергией электронов до 300 кэВ, током до 300 А, длительностью импульса до 10 мкс. Заложенный в ускоритель набор свойств (способность формировать интенсивные стабильные трубчатые пучки как с прямолинейными, так и винтовыми траекториями, высокий безмаслянный вакуум, непрерывное термическое обезгаживание поверхностей с высоким СВЧ-полем и т.д.) позволили получить ряд значимых результатов в области формирования и диагностики электронных пучков, найти решение проблемы ограничения длительности излучения в мощных СВЧ-приборах, исследовать и реализовать СВЧ-приборы с различными механизмами взаимодействия с уникальными параметрами (см. ниже).

2. Ilyakov E.V., Korablyov G.S., Kulagin I.S., and Zaitsev N.I. Relativistic carcinotron with a thermionic injector of electrons // IEEE Trans. on Plasma Science, 1998, v. 26, N 3, p. 332–335.
   Проведен цикл исследований направленный на выяснение причин ограничения длительности излучения карсинотрона со взрывоэмиссионным релятивистским электронным пучком (РЭП). Установлено, что основной причиной является лавинный СВЧ-пробой, который обусловлен десорбцией и СВЧ ионизацией адсорбированных на поверхности молекул и может инициироваться (в зависимости от конкретных условий) бомбардировкой электродинамической системы (ЭС) внешними электронами РЭП, эмиссией электронов в сильных СВЧ-полях или мультипактором. Показано, что присутствие магнитостатического поля, параллельного электрической компоненте СВЧ-поля и снижающего поперечную диффузию заряженных частиц, существенно уменьшает пороговое СВЧ поле, при котором начинается пробой, инициированный темновыми токами.
   С целью предотвращения развития СВЧ-пробоя ЭС была изготовлена из бескислородной меди, и подвергалась во время работы СВЧ-прибора непрерывному термическому обезгаживанию для устранения адсорбированных молекул. В результате, при применении электронного пучка, сформированного в пушке с термоэмиссионным катодом (стабильная геометрия пучка при отсутствии катодной плазмы), было получено в 3-х см диапазоне длин волн излучение мощностью 5 МВт при длительности импульса 10 мкс, которая ограничивалась длительностью питающего импульса.
   Таким образом, проблема ограничения длительности импульсов излучения в мощных СВЧ-приборах, по крайней мере, до уровня пристеночного СВЧ-поля 200 кВ/см, решена.

3. Зайцев Н.И., Гинзбург Н.С., Завольский Н. А., Запевалов В.Е., Иляков Е.В., Кулагин И.С., Куфтин А.Н., Лыгин В.К., Моисеев М.А., Новожилова Ю.В., Розенталь Р.М., Цалолихин В.И. «Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ-импульса» // Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып. 7, с. 8–16.
   Показано, что гиротроны сантиметрового диапазона на умеренно релятивистских электронных пучках (~300 кВ) не уступают по эффективности своим слаборелятивистским аналогам. Созданы релятивистские гиротроны на длине волны 1 и 3 см мультимегаваттного уровня выходной мощности с эффективностью не менее 50%.

4. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кулагин И.С., Лыгин В.К., Мануилов В.Н., Нечаев В.Е. «Формирование и диагностика интенсивных релятивистских винтовых электронных пучков для гиротронов» // Изв. вузов. Радиофизика, 2004, т. 47, № 5–6, с. 453–462.
   Разработана магнетронно-инжекторная пушка для релятивистского гиротрона с длиной волны 1 см, позволившая за счёт сокращения времени вывода электронов в область высоких потенциалов увеличить рабочий ток до 50% от ленгмюровского тока пушки и формировать интенсивный винтовой электронный пучок с высоким питч-фактором и малым разбросом по поперечным скоростям.
   Для измерения скоростного распределения винтовых электронных пучков при энергиях несколько сотен кэВ предложен, разработан и исследован новый анализатор распределения электронов по скоростям, основанный на эффекте отражения электронов от адиабатической магнитной пробки.

5. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кузиков С.В., Кулагин И.С., Лыгин В.К., Моисеев М.А., Петелин М.И., Шевченко А.С. «Импульсный гироклистрон на объемной моде высокого порядка» // Изв. вузов. Радиофизика, 2005, т. 48, № 10–11, с. 830–834.
   Создан релятивистский гироклистрон на длине волны 1 см, на последовательности объемных мод ТЕ52-ТЕ53 с выходной мощностью 5 МВт, КПД 25% и коэффициентом усиления 30 дБ в полосе 40 МГц.

6. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кулагин И.С., Ковнеристый Ю.К., Кораблев Г.С., Лазарева И.Ю., Цалолихин В.И., Шульгин В.В. «Калориметр для измерения энергии мощного электромагнитного импульса» // Приборы и техника эксперимента, 1992, № 2, с. 153–154.
   Создан калориметр, выполненный на отрезке сверхразмерного волновода с поглотителем из металлокерамики, предназначенный для измерения энергии электромагнитных импульсов с максимальной мощностью до 100 МВт в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, обладающий высокой чувствительностью.

7. Ginzburg N.S. Zaitsev,N.I., Ilyakov E.V., Kulagin I.S., Novozhilova Y.V., Rozenthal R.M., and Sergeev A.S. Observation of chaotic dynamics in a powerful backward-wave oscillator // PHYSICAL REVIEW LETTERS 89: (10) art. no.108304, SEP 2, 2002.
   В релятивистском карсинотроне на длине волны 3 см продемонстрировано последовательное усложнение спектра генерации с ростом тока электронного пучка от стационарного режима генерации со спектром естественной ширины при токе менее 30 А к режиму периодической автомодуляции и затем к режиму хаотической генерации (55 А). При дальнейшем росте тока спектр вначале упрощался (70 А) до периодической автомодуляции, а затем вновь становился хаотическим со спектральной полосой 4% при токе 120 А. Мощность излучения достигала 2 МВт.

8. Иляков Е.В., Кулагин И.С., Мануилов В.Н., Шевченко А.С. «Экспериментальное исследование возможности увеличения питч-фактора интенсивного релятивистского винтового электронного пучка» // Известия вузов. Радиофизика, 2008, т. 51, № 10, с. 855–863.
   Показано, что повышению питч-фактора электронного пучка путем повышения магнитной компрессии препятствует паразитная СВЧ генерация и СВЧ пробой во входной части канала транспортировки, приводящая к высоковольтным пробоям в пушке. После подавления СВЧ генерации при дальнейшем повышении магнитной компрессии впервые зарегистрирована модуляция тока пучка на частоте продольных осцилляций электронов в ловушке между катодом и магнитным зеркалом, глубина модуляции достигала десятков процентов. Предложен метод и экспериментально показана возможность повышения питч-фактора винтового электронного пучка путем устранения отраженных электронов, накапливающихся в области формирования. Перехват электронов осуществляется с помощью диафрагмы, установленной в канале транспортировки (прямой поток электронов огибает диафрагму, отраженный – оседает на ее коллекторной стороне). Метод был осуществлен благодаря неадиабатическому формированию высококачественного винтового электронного пучка (см. пункт 4), при котором сохраняется свойство синфазности большинства траекторий электронов от катода до места установки диафрагмы. При ускоряющем напряжении 300 кВ и токе 100 А сформирован электронный пучок с питч-фактором 1.5 и разбросом по поперечным скоростям 20%. Потери тока не превышают 15%.

9. Иляков Е.В., Кулагин И.С., Нечаев В.Е. «Экспериментальное исследование насыщенного мультипактора в скрещенных полях» // Известия вузов. Радиофизика, 2009, т. 52, № 12, с. 979–986.
   Разработана методика для исследования одностороннего мультипактора в скрещенных полях в режиме насыщения, направленная на создание устройств управления потоками СВЧ излучения мультимегаваттного уровня мощности. В эксперименте, проведенном в трехсантиметровом диапазоне длин волн, удельная мощность, поглощенная СВЧ разрядом составляла более 5 кВт/см², токи насыщенного разряда – около 10 А/см², а концентрация электронов – порядка критической, что соответствует теоретическим моделям и более чем на порядок превышает значения, наблюдавшиеся ранее. Измеренное время развития разряда составляет ~15–30 нс. Показано, что эти свойства (а также относительная некритичность к параметрам и, соответственно, способность охватывать большие поверхности) открывают возможность применить односторонний мультипактор для создания электрически управляемых поглощающих устройств и быстрых переключателей излучения, работающих на мощностях в десятки и сотни мегаватт.

10. Вихарев А.А., Иляков Е.В., Кузиков С.В., Кулагин И.С. «Исследование возможности коммутации волны ТЕ₀₁ круглого волновода с помощью мультипакторного разряда в скрещенных полях» // Изв. вузов. Радиофизика, 2014, т. 57, № 7, с. 580–587.
    Экспериментально показана возможность управления симметричной волной ТЕ₀₁ круглого волновода, не имеющей электрического поля на стенке, с помощью мультипактора в скрещенных полях, возбуждаемого в цилиндрическом резонаторе. Управление разрядом осуществляется волной типа ТМ₀₁. Характерное время переключения резонатора определяется его добротностью и составляет 150–200 нс. Как показали эксперименты, исследованная схема позволяет практически полностью отражать управляемый поток мощности излучения.