Электроника больших мощностей

Ведущиеся в ИПФ работы по мощной СВЧ-электронике широко известны в мире. Одним из наиболее признанных достижений является изобретение и доведение до высокого технического уровня гирорезонансных приборов. Эти приборы представляют собой разновидность мазеров на циклотронном резонансе (МЦР), в которых используется резонансное взаимодействие электронов, движущихся по винтовым траекториям в магнитостатическом поле, с волнами, распространяющимися почти поперек направления магнитного поля. Основным механизмом, обеспечивающим преобладание в гироприборах стимулированного СВЧ-излучения над поглощением, является азимутальная группировка электронов на ларморовских окружностях, обусловленная релятивистской зависимостью циклотронной частоты от энергии частиц. В отличие от СВЧ-источников с прямолинейными электронными пучками в гироприборах (как и в других электронных мазерах) электронный пучок взаимодействует с СВЧ-полем электродинамических систем, все характерные размеры которых значительно превышают длину волны. При этом в гироприборах обеспечивается очень высокий уровень электронной и электродинамической селекции мод, позволяющий реализовать режим одномодовой генерации и возможность достижения высокого КПД даже при очень больших рабочих токах.

Механизм излучения, на котором основаны МЦР, был открыт в конце 1950-х годов почти одновременно несколькими авторами в разных странах. Однако последовательным воплощением этой идеи в электронике больших мощностей занялся лишь один из первооткрывателей – А. В. Гапонов-Грехов вместе со своими учениками и сотрудниками. Важная роль в разработке принципиальной схемы мощных гироприборов различных типов принадлежит М. И. Петелину, в построении их нелинейной теории – В. К. Юлпатову, в экспериментальных исследованиях – А. Л. Гольденбергу, И. И. Антакову и Ш. Е. Цимрингу, в практическом освоении мощных приборов – В. А. Флягину, в разработке высокоэффективных квазинепрерывных генераторов мегаваттного уровня мощности – А. Г. Литваку, Г. Г. Денисову и В. Е. Запевалову.

За последние годы произошел качественный скачок в разработке мощных генераторов миллиметрового диапазона – гиротронов: созданы и испытаны приборы мегаваттного уровня мощности, работающие практически в непрерывном режиме (с длительностями «импульса» генерации порядка часа). Это позволило продвинуть электронно-циклотронный метод нагрева плазмы в установках УТС с магнитным удержанием в ранг одного из основных методов дополнительного нагрева, наряду с нейтральной инжекцией и ионно-циклотронным методом. Сегодня в реализации этих приборов ИПФ занимает ведущие позиции в мире.

Приборы с умеренным уровнем мощности (до 15–20 кВт), разработанные в ИПФ для различных технологических применений, обладают практически неограниченным рабочим ресурсом, просты в управлении, надежны в эксплуатации и сравнительно дешевы (в их составе нет сложных криомагнитных систем). Приборы этого типа в настоящее время на контрактной основе поставлены в 15 передовых мировых лабораторий, занимающихся разработками перспективных технологий. В ИПФ РАН такие системы успешно используются в CVD-реакторах для выращивания поли- и монокристаллических алмазных пленок и пластин, осаждения из газовой фазы изотопно-чистого кремния с рекордными показателями чистоты, в ЭЦР-системах формирования пучков многозарядных ионов с рекордными показателями, для генерации мощного излучения в области экстремального ультрафиолета и др.

Продолжается развитие электроники больших мощностей, основанной на использовании сильноточных пучков релятивистских электронов, в направлении повышения как пиковой, так и средней мощности излучения. В комбинации с системами активной и пассивной компрессии, успешно реализованными в ИПФ, эти релятивистские генераторы обеспечивают рекордные уровни пиковой выходной мощности, что весьма важно для таких приложений, как линейные ускорители со сверхбыстрым темпом набора энергии частиц, высокоточная радиолокация, технологии обработки материалов и др.

В последние годы в ИПФ методами вакуумной электроники активно осваивается терагерцовый диапазон, перспективный для всевозможных приложений. Наряду с традиционными гироприборами, работающими при очень сильных магнитных полях на основном циклотронном резонансе и второй циклотронной гармонике, разрабатываются также гироприборы на более высоких циклотронных гармониках (гиротроны с большой орбитой и гироумножители). В недавних экспериментах использование импульсного соленоида с магнитным полем до 50 Тл позволило получить генерацию на основном циклотронном резонансе с мощностью 5–0,5 кВт в одиночных импульсах длительностью 50 мкс на рекордных частотах 1–1,3 ТГц (А. Г. Лучинин, М. Ю. Глявин). В гиротронах с большой орбитой при генерации на второй и третьей циклотронных гармониках на четырех модах резонатора получено одночастотное излучение в диапазоне 0,55–1 ТГц с мощностью 0,3–1,8 кВт в импульсах длительностью 10 мкс.