Материалы портала «Научная Россия»

В ИПФ РАН разработали генератор с частотой 0.67 ТГц

Ученые из Института прикладной физики РАН разработали компактный генератор с рабочей частотой 0.67 ТГц. В режиме разовых импульсов длительн

Ученые из Отдела электронных приборов Института прикладной физики РАН cделали существенный шаг в освоении ТГц диапазона: разработали компактный генератор (гиротрон) с рабочей частотой 0.67 ТГц, предназначенный, в частности, для инициации точечного разряда в газах и основанных на этом приложений, например, дистанционного обнаружения радиоактивных источников. В режиме разовых импульсов длительностью 30 микросекунд получены рекордные значения мощности (210 кВт) и эффективности (20%).

Глявин М.Ю., доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией микроволновых технологий Института прикладной физики РАН
Общий вид гиротрона

Разработка компактных, относительно простых и доступных источников мощного терагерцового (ТГц) излучения важна для многочисленных приложений, включающих диагностику плазмы, спектроскопию, обнаружение и визуализацию взрывчатых веществ и оружия, новые медицинские технологии, атмосферный контроль, производство материалов высокой чистоты и т.д. Одним из перспективных приложений представляется дистанционное обнаружение источников ионизирующего излучения. Суть предлагаемого метода заключается в локализации интенсивного высокочастотного поля в малой области, в которой мала вероятность обнаружения свободного электрона. Инициированный свободным электроном разряд, таким образом, будет служить индикатором превышения естественного фона.

На сегодня твердотельные и классические электровакуумные источники излучения позволяют получить в ТГц диапазоне мощности от милливатта до десятков (до сотни - в случае квантовых каскадных лазеров) милливатт. Требуемые для ряда приложений высокие уровни мощности (со средней непрерывной мощностью в сотни ватт) реализованы в релятивистских лазерах на свободных электронах (ЛСЭ). Гиротроны, основанные на взаимодействии электронов, вращающихся во внешних магнитных полях с быстрыми волнами, способны обеспечить существенно более высокие уровни мощности, чем современные твердотельные приборы и намного более компактны, чем лазеры на свободных электронах. Чтобы обеспечить условия циклотронного резонанса электронов с ВЧ полем для гиротронов необходимы сильные магнитные поля: при работе на основном циклотронном резонансе (что упрощает проблему селективного возбуждения рабочего типа колебаний) на частоте  в 1 ТГц - около 40 T.

Разборный TГц гиротрон с импульсным магнитом был разработан, изготовлен и испытан в ИПФ РАН. Соленоид наматывался непосредственно на корпус гиротрона из тонкой нержавеющей стали, что позволило ослабить скин-эффект, а также уменьшить внутренний диаметр соленоида и, соответственно, энергетику магнитного поля. Для уменьшения омических потерь и термостабилизации соленоид охлаждался жидким азотом. Частота следования импульсов ограничивалась возможностями охлаждения соленоида и составила 1 импульс в 3 минуты. Получена генерация на частоте 0.67 TГц, соответствующей одному из окон прозрачности атмосферы, с выходной мощностью превышающей 200 кВт. За счет оптимизации электронно-оптической и электродинамической систем реализован рекордный для данного частотного диапазона КПД 20%. Разработан и изготовлен внешний квазиоптический преобразователь излучения в узконаправленный волновой пучок и получен точечный разряд при атмосферном давлении на инициаторе (металлическое острие). Результаты эксперимента позволяют рассчитывать на регистрацию источников излучения, создающих число свободных электронов более чем в 20 раз превышающее естественный фон, с расстояния до 50 метров.

 Авторский коллектив:  Денисов  Г.Г. (член-корр. РАН, зав. отделом электронных приборов), Глявин М.Ю.(д.ф-м.н., зав.лаб. микроволновых технологий),  Мануилов В.Н. (д.ф-м.н. ст. научный сотрудник), Лучинин А.Г. (к.ф-м.н., ст. научный сотрудник), Богдашов А.А. (к.ф-м.н., ст. научный сотрудник), Морозкин М.В. (к.ф-м.н., научный сотрудник), Малышев В.А. (инженерно-технический сотрудник). В работе принял участие профессор  Нусинович Г.С. (университет Мэриленда, США).

 Публикации:

  1. М.Ю.Глявин, А.Г.Лучинин, Г.С.Нусинович и др. Разработка мощного импульсного субтерагерцового  гиротрона для дистанционного обнаружения источников ионизирующего излучения. Изв. ВУЗов Радиофизика, 54, 8-9, 666-675 (2011)
  2. G.S.Nusinovich, P.Sprangle, V.E.Semenov, D.S.Dorozhkina and M.Yu.Glyavin On the sensitivity of THz gyrotron based systems for remote detection of concealed radioactive materials. Journal of Applied Physics, 111, 124912 (2012)
  3. M.Yu.Glyavin, A.G.Luchinin, G.S.Nusinovich et al. A 670 GHz gyrotron with record power and efficiency, Applied Physics Letters, 101, 153503, 20122012

     

    Осциллограммы  напряжения, тока и сигнала с СВЧ детектора  при работке на калориметрическую нагрузку:

     

гиротрон ипф ран

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий