Стабилизация частоты гиротрона
Экспериментально реализована рекордно узкая линия излучения гиротрона на частоте 263 ГГц при мощности излучения 100 Ватт. Ширина линии составила 1Гц, что соответствует относительной ширине Δf / f = 3*10-12. Долговременная стабильность определяется опорным сигналом и составляет от 10-9 (кварцевый опорный генератор) до 10-12 (рубидиевый опорный генератор). Стабилизация частоты и узкая линия достигнуты за счёт использования в цепи обратной связи фазовой автоподстройки частоты при управлении анодным напряжением. Полученные результаты открывают новые возможности для спектроскопических исследований и позволяют создавать «мастер-генераторы» для обеспечения когерентности большого количества гиротронов.
Авторский коллектив: М. Ю. Глявин, Г. Ю. Голубятников, Г. Г. Денисов, Л. В. Лубяко, А. Г. Лучинин, М. В. Морозкин, Б. З. Мовшевич, А. П. Фокин, А. И. Цветков.
Гиротрон – электровакуумный прибор, основанный на взаимодействии электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном магнитном поле с электромагнитными волнами в резонаторе на резонансной частоте, близкой к критической. Общая схема гиротрона приведена на рис. 1. Основными подсистемами прибора являются: электронно-оптическая система, формирующая винтовой электронный пучок; электродинамическая система, в которой происходит взаимодействие пучка с одной из собственных мод; коллектор электронного пучка; система вывода, включающая выходное окно и, во многих случаях, квазиоптический преобразователь рабочей моды в узконаправленный волновой пучок. Важным элементом является магнитная система (обычно в субтерагерцовом и терагерцовом диапазоне используются криомагниты или импульсные магниты), создающая требуемое для формирования электронного потока и резонансного взаимодействия электронов с высокочастотным полем аксиально-симметричное магнитное поле.
Гиротроны являются наиболее мощными и эффективными источниками излучения в широком диапазоне частот, однако одним из факторов, ограничивающих их применение, представляется относительно низкая стабильность частоты и широкий спектр излучения Δf, связанные в основном с колебаниями параметров высоковольтных источников питания. Известные ранее эксперименты показывали возможность стабилизации частоты до величин порядка 1 кГц при мощности в десятки ватт, что соответствовало Δf / f = 10-9; большая стабильность была достигнута лишь при существенном снижении мощности, вплоть до милливатт. В ИПФ РАН впервые была экспериментально реализована рекордно узкая ширина линии излучения 263 ГГц, равная 1 Гц при мощности излучения 100 Ватт, что на 3 порядка лучше достигнутого ранее мирового рекорда.
Для получения мощного микроволнового излучения с уникальными спектральными характеристиками был использован гиротрон, разработанный в ИПФ РАН и предназначенный для спектроскопии и диагностики различных сред, имеющий рабочую частоту 263 ГГц (фотография экспериментального стенда представлена на рис. 2). Уменьшение ширины спектра достигнуто за счёт использования системы фазовой автоподстройки частоты, в которой частота генерации гиротрона варьировалась быстрым изменением напряжения анода гиротрона. Часть излучения гиротрона ответвлялась в гармонический смеситель, в котором происходило смешение с сигналом от микроволнового синтезатора. Полученный таким образом сигнал на промежуточной частоте направлялся на фазовый детектор, где происходило частотно-фазовое сравнение с сигналом высокостабильного опорного генератора. Сигнал ошибки использовался как управляющий сигнал для блока управления анодным напряжением, замыкая петлю обратной связи.
Применение описанной схемы позволило уменьшить ширину спектра излучения более чем на 5 порядков – с 0,5 МГц до 1 Гц при уровне мощности в 100 Вт, что соответствует относительной ширине Δf / f = 3*10-12. Долговременная стабильность стабилизированного генератора определяется параметрами опорного генератора, составляя δf / f = 10-9 для кварцевого осциллятора и до 10-12 для рубидиевых часов.
На рис. 3 (слева) приведена схема стабилизации частоты гиротрона, экспериментальный спектр приведён на рис. 3 (справа).
Достижение гиротронами средней мощности рекордных величин ширины спектра и долговременной стабильности частоты открывает перспективы их применения в передовых областях спектроскопии (ДПЯ/ЯМР), а также в качестве задающего мастер-генератора в задачах когерентного сложения излучения от нескольких гиротронов мегаваттного уровня мощности.
Александр Цветков, с.н.с отдела электронных приборов ИПФ РАН