Микроволновый комплекс для источников многозарядных ионов нового поколения

Разработка электронно-циклотронных резонансных (ЭЦР) источников ионов, способных генерировать интенсивные пучки многозарядных ионов, имеет первостепенное значение для развития современных ускорителей заряженных частиц. Хорошо известно, что как средний заряд ионов, так и интенсивность ионного пучка, создаваемого ЭЦР источником, увеличиваются с плотностью газоразрядной плазмы, являющейся источником частиц, и, соответственно, для выполнения условия резонансного нагрева требуют все более высокой частоты источников излучения. С каждым новым поколением ионных источников требования к рабочей частоте значительно увеличивалась. В настоящее время источники ионов работающие на частоте 28 ГГц уступают место установкам четвертого поколения, работающим на частотах выше 40 ГГц. Достижение требуемой мощности на этих частотах возможно только с использованием гиротронов, родиной которых является Нижний Новгород.

Коллективом исследователей ИПФ РАН под руководством временно исполняющего обязанности директора члена-корреспондента РАН Григория Геннадьевича Денисова совместно с компанией «ГИКОМ» был создан уникальный микроволновый комплекс на основе гиротрона с частотой 45 ГГц и автоматически регулируемой мощностью излучения от нескольких десятков ватт до 20 кВт. Комплекс предназначен для использования в сверхпроводящем ЭЦР источнике ионов четвертого поколения FECRAL, который, в свою очередь, будет использоваться в ускорителе пучков тяжелых ионов HIAF, предложенным Китайской академией наук. Являясь частью такой системы, микроволновый источник должен удовлетворять очень строгим требованиям, как к параметрам генерируемого излучения, так и к возможностям интеграции в большие научные установки.

Источник ионов располагается на платформе с потенциалом около 300 кВ относительно земли, а излучение, инициирующее газоразрядную плазму, должно представлять собой одну из мод круглого волновода с различной поперечной структурой (TE₀₁ или TE₁₁) с возможностью переключения по желанию пользователя. Схематичное изображение комплекса представлено на рисунке.

При реализации системы дополнительную трудность представляла необходимость электрической развязки источника излучения от платформы, на которой расположена плазменная камера. При ускорении ионов потенциал камеры достигает 300 киловольт. Выходное излучение гиротрона преобразуется блоком профилированных зеркал в узконаправленный волновой пучок, который распространяется в свободном пространстве через воздушный зазор 2 м, являющийся электрическим изолятором, затем проходит через систему фокусирующих зеркал и поступает через вакуумное окно в модовый преобразователь, соединенный с источником ионов. Профиль преобразователя, полученный путем синтеза с использованием специально разработанных в институте программ, способен менять структуру поля на выходе при простом повороте преобразователя на 90 градусов. При этом содержание паразитных мод не превышает 2%. Все элементы линии передачи имеют водяное охлаждение, что гарантирует надежную работу в непрерывном режиме на максимальном уровне мощности.

Все источники питания гиротрона разработаны в отделе высоковольтной техники ИПФ РАН и позволяют прибору работать как в непрерывном режиме, так и в импульсном (с частотой следования 1–10 Гц при длительности импульса 5–200 мс, в том числе по сигналу внешнего запуска), обеспечивая длительность среза импульса СВЧ излучения менее 1 мкс.

Созданное в ИПФ РАН оборудование успешно прошло все необходимые испытания и первые результаты совместных работ российских и китайских ученых уже заслужили высокую оценку научного сообщества на международных конференциях.

Работы нижегородских ученых по созданию мощных источников электромагнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн являются ориентиром для мирового сообщества уже больше 50 лет. Работы основателей нижегородской научной школы с успехом продолжают молодые исследователи. В рамках национального проекта «Наука» в отделении физики плазмы и электроники больших мощностей ИПФ РАН по инициативе Г. Г. Денисова будет создана новая лаборатория для исследования возможностей генерации мощного терагерцового излучения и его использования для перспективных приложений. В состав лаборатории войдут как исполнители представленного выше проекта, так и молодые ученые из Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева, ряда нижегородских научно-исследовательских институтов, КБ и предприятий радиотехнической и электронной промышленности.

Коллектив авторов:
Г. Г. Денисов, М. Ю. Глявин, А. И. Цветков, М. В. Морозкин, А. Г. Еремеев, В. В. Холопцев, И. В. Плотников, М. М. Троицкий, Е. А. Копелович, Д. И. Соболев, М. Ю. Шмелев, А. П. Фокин (ИПФ РАН);
Е. А. Солуянова, Е. В. Соколов, Е. М. Тай, М. И. Бакулин (НПП «Гиком»).