Релятивистская микроволновая электроника

Развитие электроники больших мощностей, основанной на использовании пучков релятивистских электронов, пришлось на начало 1970-х годов после создания в нашей стране и за рубежом сильноточных ускорителей заряженных частиц. Первый генератор когерентного электромагнитного излучения, возбуждаемый сильноточным электронным ускорителем, – релятивистская лампа с обратной волной (ЛОВ), был создан в совместном эксперименте НИРФИ и ФИАН в 1972 году по инициативе А. В. Гапонова-Грехова и М. С. Рабиновича. Этот генератор, реализованный при определяющем участии Н. Ф. Ковалева, М. Д. Райзера, М. И. Петелина, А. В. Сморгонского и Л. Э. Цоппа, по импульсной мощности на несколько порядков превзошел все предшествовавшие источники микроволнового излучения. Впоследствии в ИПФ были предложены и реализованы экспериментально (в ряде случаев совместно с другими отечественными и зарубежными лабораториями) релятивистские модификации и других известных слаборелятивистских электронных микроволновых генераторов и усилителей, основанные на всех известных механизмах стимулированного излучения частиц: лампа бегущей волны, оротрон, магнетрон, гиротрон и др. (М. И. Петелин, Н. Ф. Ковалев, В. Л. Братман, Н. С. Гинзбург, Э. Б. Абубакиров, Г. Г. Денисов). Созданы также принципиально новые варианты мазеров на свободных электронах – мазер на циклотронном авторезонансе (МЦАР) и убитрон с распределенной обратной связью с большим доплеровским преобразованием частоты излучения.

В настоящее время в ИПФ в области релятивистской микроволновой электроники развиваются следующие основные направления:

• увеличение средней мощности излучения генераторов;
• разработка гиротронов и гироклистронов на объемных модах высокого порядка;
• исследование мазеров на свободных электронах (МСЭ) с одномерной и двумерной распределенной обратной связью;
• создание генераторов субнаносекундных микроволновых импульсов, основанных на эффекте сверхизлучения протяженных электронных сгустков;
• реализация источников мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивистских генераторов и компрессоров импульсов.

В настоящее время генераторы и усилители, основанные на стимулированном излучении интенсивных релятивистских электронных пучков, обеспечивают мощности 10⁷–10¹⁰ Вт в диапазоне 1–100 ГГц при длительностях импульсов 1–100 нс. В частности, ИПФ совместно с другими отечественными и зарубежными лабораториями разработал:

• ЛОВ мощностью до 2 ГВт на частоте 10 ГГц;
• МЦАР, релятивистские гиротроны, гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ, убитроны и оротроны – мощностью 10–100 МВт на частотах 30–150 ГГц;
• секционированные черенковские генераторы – мощностью до 2 ГВт на частоте 10 ГГц и 600 МВт на частоте 30 ГГц;
• секционированные черенковские усилители с выходной мощностью 1 ГВт на частоте 10 ГГц и выходной мощностью 100 МВт на частоте 30 ГГц;
• источники излучения с субнаносекундной длительностью импульсов, основанные на сверхизлучении протяженных электронных сгустков, – мощностью до 400 МВт на частоте 30 ГГц.

Подобные источники находят применение в экспериментах по физике плазмы, по радиолокации высокого разрешения, по моделированию элементов будущих ускорителей заряженных частиц и в специальных приложениях. Так, например, на базе сильноточного ускорителя электронов и СВЧ-генератора в виде релятивистской ЛОВ совместно с фирмой Маркони и рядом российских организаций создан радар NAGIRA, способный обнаруживать малоразмерные движущиеся цели на фоне сильных отражений от подстилающей поверхности.