ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ

Основой наносекундных сильноточных электронных ускорителей являются вакуумные диоды с холодными катодами различной геометрии, использующими эффект взрывной эмиссии электронов. Ускоряющие импульсы соответствующей длительности обеспечиваются сильноточными высоковольтными генераторами Во внешнем аксиальном магнитном поле электронный пучок может транспортироваться на значительные расстояния Обнаружено, что при этой в зависимости от длины транспортировки происходит значительное ускорение части электронов: до ~ 1,5 крат по энергии Механизм этого эффекта обусловлен автоускорением части электронов в поле волны пространственного заряда.

Основной особенностью короткоимпульсных ускорителей является высокая мощность и плотность тока при малой энергии импульса. Стабилизация ускоряющих импульсов с длительностью ~ 1 нc позволила провести цикл исследований процессов инициирования взрывоэмиссионных катодов с разрешением ~ 10 пс. В результате в субнаносекундном диапазоне установлена зависимость задержки эмиссии графитовых катодов от инжектированного заряда, а при частоте повторения более 1 кГц обнаружен эффект регенерации эмиссионных свойств катода.

Наиболее компактные ускорители и рентген аппараты созданы на основе генераторов РАДАН с применением отпаянных вакуумных диодов. Диод c анодом из металла с большим атомным номером (W, Та, Мо) представляет импульсную рентгеновскую трубку. Анод из легкого металла (Al, Be) позволяет выводить электронный пучок из вакуумной трубки в атмосферу. Такие ускорители применялись для рентгеновской дефектоскопии, изучения биологического воздействия рентгеновских и электронных импульсов, плазмохимических реакций, импульсной катодолюминесценции и т.д. Комбинированные металлодиэлектрические катоды позволили создать инжекторы ленточных пучков с плотностью тока 50-300 А/см2 для отработки радиационных технологий.

Рис. (а) Наносекундный ускоритель на базе РАДАН-ЭКСПЕРТ. (б) Ленточный электронный диод технологического ускорителя. (в) Электронный стерилизатор на базе ускорителя РАДАН-303. (г) Радиационная камера электронного стерилизатора

Мощные сверхширокополосные (СШП) радиочастотные импульсы могут излучаться при ударном возбуждении пассивных антенн высоковольтными импульсами. Когерентные СВЧ импульсы генерируются в релятивистских приборах с сильноточными электронными пучками В простейшем варианте волна напряжения высоковольтного генератора преобразуется в радиочастотный СШП импульс, если на ТЕМ-антенну подается ступенчатый перепад напряжения Однако наиболее компактными являются устройства с повышенной электрической прочностью, где антенна запитана коротким субнаносекундным импульсом По этому принципу построены компактные СШП излучатели на основе генераторов РАДАН.

С помощью электронных ускорителей РАДАН проводятся исследования по релятивистской высокочастотной электронике. Это генерирование сверхмощных импульсов излучения с СВЧ заполнением. Длительности пучка в единицы наносекунд уже достаточно для получения квазистационарной генерации в миллиметровом диапазоне длин волн. Разработаны компактные релятивистские лампы обратной волны диапазона 38 ГГц, которые при длительности импульс ~ 3 нс обеспечивают пиковую мощность излучения до 100 МВт.

Рис. Релятивистский СВЧ генератор MG-4R диапазона 38 ГГц. На вкладке - диаграмма направленности волны ТМ₀₁. Импульс сверхизлучения диапазона 10 ГГц мощностью более 2 ГВт

Субнаносекундные (0,3 – 1 нс) ускорители РАДАН позволили провести приоритетные исследования нестационарных режимов индуцированного излучения релятивистских электронных потоков в СВЧ диапазоне. Этот механизм имеет ряд аналогий с известным в квантовой электронике эффектом сверхизлучения (СИ). В диапазоне 38 ГГц получены импульсы СИ с пиковой мощностью более 1 ГВт при конверсии мощности «пучок-излучение» ~ 1,5 без пробоев замедляющих электродинамических структур. В импульсе СИ обычно содержится не более десятка периодов высокочастотного заполнения, поэтому в диапазоне 38 ГГц его огибающая не превышает 200-300 пс. Уникальный источник СИ с питанием от гибридного модулятора позволил получать пакеты таких импульсов СИ с пиковой мощностью ~ 300 МВт при частоте повторения до 3,5 кГц. В аналогичном генераторе диапазона 10 ГГц соответствующие параметры составили 800 пс; 2,2 ГВт и 730 Гц. В последнем случае средняя мощность микроволнового СИ превышает 2 кВт.