Генерация терагерцового излучения методами вакуумной электроники
Терагерцовый диапазон частот (0,1–10 ТГц) обладает рядом специфических особенностей, делающих его весьма привлекательным для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в области физики, химии, биологии и медицины. Терагерцовые волны перспективны для диагностики и спектроскопии различных сред, включая развитие методов электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения. Мощное терагерцовое излучение может быть использовано для создания плотной плазмы и управления ее параметрами (управляемый термоядерный синтез, «точечные» плазменные источники рентгеновского излучения, дистанционное обнаружение источников ионизирующего излучения).
Для освоения терагерцового диапазона методами вакуумной электроники в ИПФ наряду с традиционными гироприборами, работающими при очень сильных магнитных полях на основном циклотронном резонансе и второй циклотронной гармонике, разрабатываются гироприборы на более высоких циклотронных гармониках (гиротроны с большой орбитой и гироумножители), а также оротроны (генераторы, действие которых основано на стимулированном излучении Смита – Парселла прямолинейных электронных пучков в открытом резонаторе).
В пионерских работах сотрудников ИПФ РАН (М. И. Петелин, Т. Б. Панкратова, Н. И. Зайцев, М. М. Офицеров, А. Г. Лучинин, Г. С. Нусинович, В. А. Флягин) еще в 1970–1980-х годах была показана принципиальная возможность получения в гиротронах мощного непрерывного и импульсного излучения диапазона субмиллиметровых волн (частоты от 0,33 до 0,65 ТГц). В недавних экспериментах использование оригинального 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 (М. Ю. Глявин, А. Г. Лучинин).
В ИПФ развивается также технология, которая, согласно расчетам, обеспечит создание достаточно простых импульсных соленоидов с магнитным полем величиной до 30 Тл и частотой повторения импульсов до 0,1 Гц. Это позволит реализовать традиционные гиротроны на основном циклотронном резонансе и второй гармонике с частотой генерации до 0,8–1,6 ТГц при пиковой мощности в несколько сотен киловатт и средней мощности порядка 1 Вт. Разработан гиротрон с рабочей частотой 0,67 ТГц и мощностью 200–300 кВт, который может быть использован для регистрации источников с расстояний в несколько десятков метров.
Для получения высоких частот излучения в ИПФ наряду с традиционными гиротронами разрабатываются также гиротроны с большой орбитой (ГБО), в которых использование электронных пучков с ларморовскими траекториями частиц, охватывающими ось цилиндрической электродинамической системы, обеспечивает повышенный уровень электронной селекции мод при работе на высоких циклотронных гармониках. При энергии частиц 250–350 кэВ в ГБО получена генерация на высоких (вплоть до пятой) циклотронных гармониках; наибольшая частота генерации, полученная в этих экспериментах, 0,41 ТГц при мощности 10–20 кВт в импульсах длительностью 10 мкс. В системе с более низким напряжением 50–80 кВ благодаря развитию оригинальной электронно-оптической системы с каспом магнитного поля в прикатодной области реализованы наиболее коротковолновые ГБО. При генерации на второй и третьей циклотронных гармониках на четырех модах резонатора получено одночастотное излучение в диапазоне 0,55–1,0 ТГц с мощностью 0,3–1,8 кВт в импульсах длительностью 10 мкс (В. Л. Братман, Ю. К. Калынов, В. Н. Мануилов). В исследованиях, направленных на создание точечного источника экстремального ультрафиолетового излучения, этот генератор успешно используется для получения терагерцового разряда в газах. ГБО на постоянном магните с полем 1,07 Тл, созданный ИПФ совместно с зарубежными партнерами, позволил обеспечить генерацию на 3–5-й гармониках на частотах вплоть до 0,14 ТГц (В. Е. Запевалов, М. Ю. Глявин и др.).
Для задач спектроскопии и диагностики различных сред в ИПФ разрабатываются непрерывные терагерцовые гиротроны. Совместно с НПП «ГИКОМ» для Центра исследований дальнего инфракрасного диапазона Университета г. Фукуи (Япония) был разработан гиротрон с частотой 0,3 ТГц и мощностью 2,7 кВт (В. Е. Запевалов, О. В. Малыгин и др.) с криомагнитом на поле 12 Тл фирмы Sumitomo HI (Япония), не требующим заливки жидким гелием. Комплекс на основе этого гиротрона успешно используется для различных исследований.
Для получения высокого разрешения в высокополевой ЯМР-спектроскопии путем динамической поляризации ядер (ДПЯ/ЯМР-спектроскопия) в ИПФ создан гиротронный комплекс на основе высокостабильного непрерывного гиротрона с частотой 0,26 ТГц и мощностью до 100 Вт на второй циклотронной гармонике при стабильности частоты и мощности генерации за 12 часов работы не хуже 3×10-6 и 10-2 соответственно. Эксперименты с использованием этого генератора в Институте биофизической химии Университета им. И. В. Гете (Франкфурт-на-Майне, Германия) позволили в 80 раз повысить чувствительность и разрешающую способность ЯМР-спектрометра.
