Научная тема: «МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОДНОМОДОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНЫХ ГИРОТРОНОВ»
Специальность: 01.04.04
Год: 2008
Отрасль науки: Физико-математические науки
Основные научные положения, сформулированные автором на основании проведенных исследований:
  1. Предложена и отработана методика экспериментального исследования межмодового взаимодействия в гиротронах, основанная на изучении структуры зон генерации различных мод.
  2. Впервые теоретически и экспериментально установлено, что конкуренция со стороны мод, синхронных с электронным пучком на основном гирорезонансе, является основным фактором, ограничивающим выходную мощность циклотронных мазеров, работающих на гармониках циклотронной частоты.
  3. Предложена и реализована новая модификация методики измерения параметров винтовых электронных пучков, позволяющая оценить влияние электронов, захваченных в адиабатическую ловушку между катодом и магнитным зеркалом, и с помощью указанной методики исследованы электронно-оптические системы гиротронов в широком диапазоне частот. С использованием новой методики проведена оптимизация электронно-оптических систем мощных гиротронов.
  4. Экспериментально продемонстрирована возможность работы гиротронов с использованием высших пространственных мод резонатора, что позволило реализовать мегаваттный уровень мощности с высоким КПД и уровнем тепловой нагрузки, приемлемым для непрерывного режима.
  5. Разработаны и экспериментально исследованы прототипы и опытно-промышленные образцы высокоэффективных мощных квазинепрерывных гиротронов, работающие на высших пространственно-развитых модах, включая гиротроны, в которых радикально повышен выходной КПД и снижена нагрузка на коллектор путем рекуперации остаточной энергии электронного пучка. В миллиметровом диапазоне (длины волн 3,6-1,7мм) достигнута максимальная выходная мощность свыше 1МВт при КПД до 40% без рекуперации и более 60% с рекуперацией,
  6. Предложены и исследованы многолучевые гиротроны, в которых радикально усиливается селекция мод по поперечному индексу. Предложены варианты двухлучевых электронно-оптических систем МЦР. Впервые созданы и экспериментально исследованы двухлучевые гиротроны, работающие на второй гармонике циклотронной частоты (максимальная выходная мощность около 1МВт при КПД 25% и длине волны 12мм).
  7. Выяснены условия, при которых существенно усиливается селекция мод и в то же время может быть реализован высокий КПД в гиротронах на связанных резонаторах с трансформацией мод.
  8. Экспериментально продемонстрирована возможность селективного возбуждения мод на 3-5-й гармониках гирочастоты, даже при умеренных ускоряющих напряжениях, при использовании в гиротроне приосевого винтового электронного пучка.
  9. Предложена и экспериментально проверена «естественная» схема рекуперации в коаксиальном гиротроне. Реализация этой схемы существенно улучшает характеристики коаксиального гиротрона (КПД, перестройка частоты, возможность глубокой амплитудной модуляции) без изменения его конструкции.
Список опубликованных работ
1a.Гольденберг А.Л., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Литвак А.Г., Флягин В.А. Мазеры на циклотронном резонансе: состояние и проблемы. Изв. вузов, Радиофизика, 1996, Т.39, №6, с.635-670.

2a.G. G. Denisov, A.G.Litvak, V.E.Zapevalov, et al. “Megawatt-power gyrotrons for fusion”, Proceedings of the Int. Workshop "Strong Microwave in Plasmas", N. Novgorod, 2006, pp.62-75

3a.Zapevalov V.E., Denisov G.G., Flyagin V.A., et al. Development of 1MW Output Power Level Gyrotron for ITER. Plasma Devises and Operations, 1998, Vol. 6, pp.111-117.

4a.V.E.Zapevalov, G.G.Denisov, V.A.Flyagin, et al. Development of 170GHz/1MW Russian Gyrotron for ITER. Fusion Engineering and Design. Dec. 2000, Volume/ issue: 53/1-4, PP. 377-385.

5a.Мясников В.Е., Литвак А.Г., Запевалов В.Е., и др. Развитие сверхмощных длинноимпульсных и непрерывных гиротронов в диапазоне 110-170 ГГц. Радиотехника №2, 2000, с.67-71.

6a.В.Е. Запевалов, Гиротрон: пределы роста выходной мощности и КПД, Известия Вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №10, с.864-871.

7a.3апевалов В.Е., Кораблев Г.С., Цимринг Ш.Е. Экспериментальное исследование гиротронов на второй гармонике циклотронной частоты с оптимизированным распределением высокочастотного поля. - Радиотехника и электроника, 1977, т.22, №8, с.1661 -1669.

8a.A.Sh. Fix, V.A. Flyagin, V.E.Zapevalov et al. “The problem of increase in power, efficiency and frequency of gyrotrons for plasma investigations”. Int. J. Electronics, 57 (1984) №6, pp.821-826.

9a.3апевалов В.Е., 3арницына И.Г., Нусинович Г.С. О возбуждении паразитных мод, резонансных с первой гармоникой циклотронной частоты, в гиротроне, работающем на моде, резонансной со второй гармоникой. - Изв. вузов. Радиофизика, 1979, т.22, №3, с.366-372.

10a.3апевалов В.Е., Нусинович Г.С. Установление колебаний в двухмодовом гиротроне. - Изв. вузов. Радиофизика, 1984, т.27, №1, c.117-120.

11a.3апевалов В.Е., Нусинович Г.С. К теории амплитудно-фазового взаимодействия мод в электронных мазерах. Изв. вузов, Радиофизика, 1989., т.32, №3. c.347-355.

12a.Нусинович Г.С., 3апевалов В.Е., Автомодуляционная неустойчивость излучения гиротронов. Радиотехника и электроника, 1987, т.19, №8. c.563-570.

13a.3апевалов В.Е., Цимринг Ш.Е. Многолучевые гиротроны. Изв. вузов, Радиофизика, 1990., т.33, №11. с.1288-1295.

14a.3апевалов В.Е., Мануилов В.Н., Цимринг Ш.Е. Электронно-оптические системы двухлучевых гиротронов. Изв. вузов, Радиофизика, 1991., т.34, №2, с.205-211.

15a.3апевалов В.Е. Взаимодействие мод в гиротронах, работающих на гармониках гирочастоты. - Изв. вузов. Радиофизика, .1983, т. 26, №12, с.1593-1598.

16a.Запевалов В.Е., Малыгин С.А., Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. Гиротроны на связанных резонаторах с трансформацией мод. Изв. вузов, Радиофизика, 1985, т. 27, №4.

17a.Pavelyev V.G., Tsimring Sh.E. Zapevalov V.E., Coupled cavities with mode conversion in gyrotrons. Int. J. Electronics, 1987, v.63, №3, pp. 379-391.

18a.В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев. Влияние провисания потенциала пучка в гиротронах., Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1997, т.40, №8, с.1042-1049

19a.Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев. О повышении КПД релятивистского гиротрона. Изв. вузов. Радиофизика, 2001, т.44, №4, с.345 -352.

20a.M.A.Moiseev, V.E.Zapevalov, N.A. Zavolsky., Efficiency enhancement of relativistic gyrotrons International Journal of Infrared and Millimeter Waves, June. 2001, V.22, No.6, pp. 813-834.

21a.N.I. Zaitsev, N.S. Ginzburg, V.E. Zapevalov et al. “X-Band High-Efficiency Relativistic Gyrotron”. IEEE transactions on Plasma Science. 30 (2002) No.3, pp.840-846.

22a.Н.И.Зайцев, Н.С.Гинзбург, В.Е.Запевалов, и др., Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ импульса. Письма в ЖТФ, т.27, вып. 7, с. 8-16, 2001г

23a.Н.И.Зайцев, В.Е.Запевалов, М.И.Петелин, и др., Десятимегаваттный импульсный гиротрон с длиной волны 1 м и КПД 50%., Изв. вузов. Радиофизика, 2003, т.XLYI, №10, с.914-918.

24a.V.E.Zapevalov., Problems and Advances of High Power Gyrotrons. Proceedings Of 4t International Kharkov Symposium “Physics and engineering of millimeter and sub millimeter waves”, June 4-9, 2001, Kharkov, Ukraine, pp.117-122

25a.V.E.Zapevalov., Problems and Advances of High Power Gyrotrons. ITG-Fachbericht 165, Displays and Vacuum Electronic, Contributions to the ITG- Conference, May 2-3, 2001, Garmish-Partenkirchen, pp.137-142

26a. V.E.Zapevalov. Gyrotron: limits of growth. Proceedings of the 14th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emissiom and Electron Cyclotron Resonance Heating. –EC-14, Santorini, Greece, 9-12 May 2006, Editor Avrilios Lazaros, Heliotopos Conferences Ltd, p.526-530.

27a.V.E.Zapevalov. Advances and Problems of High Power Gyrotrons. Proc Int. Conf. “Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies”, 1999, St.Petersburg, Russia, St.Petersburg S T U, pp.150-153.

28a. V.E.Zapevalov., Increasing Power and Efficiency of gyrotrons., Fusion Science and Technology, 2007, Vol.52, No2, pp 340-344

29a.Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев., Влияние разброса скоростей и энергий в электронном пучке на стартовые условия и КПД гиротрона Известия Вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №2, с.121 133.

30a.В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, В.К.Лыгин, А.С.Постникова. Численное моделирование и экспериментальное исследование винтовых электронных пучков сверхмощных гиротронов миллиметрового диапазона длин волн., Прикладная физика, 2000, №3, с.14-24.

31a.Lygin V.K., Tsimring Sh.E., Kuftin A.N, Zapevalov V.E., Numerical simulation and experimental study of magnetron-injection guns for short-wave gyrotrons., Int. J. Electronics, 1992, vol.72, N.5-6 , p.1145-1152.

32a.Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Лыгин В.К., Цимринг Ш.Е. Численное моделирование и экспериментальное исследование магнетронно-инжекторных пушек мощных гиротронов., Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1992, т.35, N.11-12, с.999-1007.

33a.A.N. Kuftin, V.K. Lygin, V.E. Zapevalov et al. “Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams”. Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 20 (1999) No.3, pp.361-382.

34a.Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., и др. Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне. ЖТФ, 2000, том 70, вып. 4, с. 95-98.

35a.M.Yu. Glyavin, A.L. Goldenberg, V.E. Zapevalov, et al. Eperimental Studies of Gyrotron Electron Beam Systems” IEEE transactions on Plasma Science, 27 (1999) No2, pp. 474-483.

36a.Н.А.Завольский, В.Е.Запевалов, М.А.Моисеев. Численное исследование процессов в резонаторе непрерывного170 ГГц/ 1 МВт гиротрона для ITER с рабочей модой ТЕ25.10. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1999, т.42, №3, с.225-234.

37a.M.A.Moiseev, N.A.Zavolsky, V.E. Zapevalov., Numerical study of processes in the cavity of the 170 GHz gyrotron for ITER operating at the TE 25.10 mode., Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Sep. 2000, V.21, No9, pp. 210-232.

38a.V.A. Flyagin, V.I. Khizhnyak, V.E. Zapevalov, et al. “Investigation of advanced coaxial gyrotrons at IAP RAS” Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 24, No. 1, (2003), pp.2-17.

39a.A. Bogdashov, A.V. Chirkov, G.G. Denisov, V.E. Zapevalov et al. “High-Efficient Mode Converter for ITER Gyrotron”. Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 26, (2005) No 6, pp.771–785.

40a.В.Е. Запевалов, М.А. Моисеев, “Влияние послерезонаторного взаимодействия на КПД гиротрона”, Известия Вузов. Радиофизика, 2004, т.XLYII, №7, с.584 592

41a.3апевалов В.Е., Малыгин О.В. Дифракционная добротность слабоконических резонаторов гиротронов. - Изв. вузов. Радиофизика, 1983, т. 26, №7, с. 903-905.

42a.Запевалов В.Е., Куфтин А.Н., Малыгин С.А., Тай Е.М., Низкодобротные резонаторы для мощных гиротронов Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1994, т.37, №3, с.381-387.

43a.3апевалов В.Е., Курбатов В.И., Малыгин О.В., Мануилов В.Н., Нусинович Г.С., Цимринг Ш.Е. Мазер на циклотронном резонансе. Авторское свидетельство №786677, 1980.

44a.3апевалов В.Е., Курбатов В.И., Малыгин О.В., Мануилов В.Н., Нусинович Г.С., Цимринг Ш.Е. Двухлучевая электронная пушка мазера на циклотронном резонансе (варианты). – Авторское свидетельство №897039. 1981.

45a.В.В.Аликаев, Г.Г.Денисов, В.Е.Запевалов, А.Г.Литвак, и др. Гиротроны для УТС., Высокочастотная вакуумная электроника. Сборник обзоров, Нижний Новгород, ИПФ РАН 2002. с. 71-76.

46a.Н.А.Завольский, В.Е. Запевалов, М.А. Моисеев, Численное моделирование динамических процессов в гиротронах с низкодобротными резонаторами. Изв. Вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №4, с.307-320

47a.В.Е. Запевалов. Селекция мод в гиротронах высокой мощности. Материалы международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ», Саратов, СГУ 2001, с.64-66

48a.Завольский Н.А., В.Е. Запевалов, Моисеев М.А., Немировская Л.Л, Численное исследование процессов в резонаторе непрерывного гиротрона с частотой 170 ГГц и выходной мощностью 1 МВт для ITER. Изв. вузов, Радиофизика, 1997, т.40, №6, с.788 -796.

49a.M.A.Moiseev, L.L.Nemirovskaya, V.E. Zapevalov, N.A. Zavolsky., Numerical simulation of mode interaction in 170 GHz/ 1 MW gyrotrons for ITER. Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Nov. 1997, V.18, No.11, pp. 2117-2128

50a.М.Ю.Глявин, В.Е. Запевалов А.Н.Куфтин. Конкуренция мод в нестационарных режимах мощных гиротронов., Изв. вузов Радиофизика, 41, №6, 1998, с.803-812.

51a.М.Ю.Глявин, В.Е. Запевалов Влияние отражений на устойчивость автоколебаний в гиротронах. Изв. вузов Радиофизика, 41, №10, 1998, с.1348-1357.

52a.Н.С.Гинзбург, М.Ю.Глявин, В.Е. Запевалов, и др. Использование отражения с запаздыванием для получения автомодуляционных и стохастических режимов генерации в гиротронах миллиметрового диапазона. Письма в ЖТФ, т.24, №11, 1998, с.53-59

53a.M.Yu.Glyavin, V.E. Zapevalov, Reflection Influence on the Gyrotron Oscillations Regimes. Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1998, V.19, No11, pp. 1499-1512.

54a.Г.Г.Денисов, В.Е.Запевалов, А.Г.Литвак, В.Е.Мясников. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС., Изв. вузов. Радиофизика, 2003, т.XLYI, №10, с.845-859

55a.В.Е.Запевалов, Цимринг Ш.Е. Экспериментальные исследования интенсивных винтовых пучков с захваченными электронами. Изв. вузов, Радиофизика, 1994, т.38, №8, с. 860-869.

56a.Tsimring Sh.E., V.E. Zapevalov., Experimental study of intense helical electron beams with trapped electrons. Int. J. electronics, 1996, vol. 81, №2, PP.199-205.

57a.Венедиктов Н.П., Глявин М.Ю., Запевалов В.Е., и др. Исследование энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне., ЖТФ, 2000, т. 70, вып. 12, с. 63-66.

58a. Denisov G.G., Venediktov N.P., V.E. Zapevalov, et al. 110 GHz gyrotron with a built-in high-efficiency converter. Int. J. Electronics, 1992, v. 72, No.5-6, pp. 1079-1091.

59a.Н.П.Венедиктов, М.Ю.Глявин, В.Е.Запевалов, А.Н.Куфтин, Экспериментальное исследование 110 ГГц/1 МВт гиротрона с одноступенчатой рекуперацией энергии. Изв. вузов Радиофизика, 41, №5, 1998, с.670-680.

60a.M.Yu.Glyavin, A.N.Kuftin, N.P.Venediktov, V.E. Zapevalov. Experimental Investigation of 110 GHz/ 1 MW Gyrotron with the One-Step Depressed Collector. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Nov. 1997, V.18, No11, pp.2129-2136

61a.M.Thumm, V.A.Flyagin, V.E. Zapevalov, et al. A 1.5 MW, 140 GHz TE28,16 Coaxial Cavity Gyrotron. IEEE trans. on Plasma SCIENCE, 1997, V.25, No3, pp. 460-459.

62a.B.Piosczyk, M.Thumm, V.E. Zapevalov et al. Coaxial Cavity Gyrotron with Dual RF-Beam Output. IEEE trans. on Plasma Science, 1998, V.26, No3, pp. 393-401.

63a. Запевалов В.Е., Павельев А.Б., Хижняк В.И. Экспериментальная проверка естественной схемы рекуперации энергии электронного пучка в коаксиальном гиротроне. Изв. вузов, Радиофизика, 2000, т.43, №8, с.747 -751.

64a.В.Е. Запевалов, Г.Г. Денисов, А.Н. Куфтин, и др., Разработка прототипа многочастотного мегаваттного гиротрона в диапазоне 105- 156 ГГц. Изв. вузов. Радиофизика,, 2004, т.XLYII, №5-6, с.443-452.

65a.А.А. Чирков, Г.Г. Денисов, В.Е. Запевалов, и др. Многочастотный гиротрон с высокоэффективным синтезированным волноводным преобразователем. Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып. 8. с. 71-75.

66a.В.Е. Запевалов, Ю.К.Калынов, Е.М.Тай, и др. Низкочастотные гиротроны для термоядерных исследований Изв. вузов. Радиофизика, 2006, т. XLIX, №3, с. 207 218.

67a.В.Е. Запевалов, Е.М.Тай, Т.Идехара, и др. Мощный генератор непрерывного электромагнитного излучения частотой 300 ГГц. Изв. вузов. Радиофизика, 2007, т.50, №6, с.461-470.

68a.Запевалов В.Е., Малыгин С.А., Цимринг Ш.Е. Мощные гиротроны на второй гармонике циклотронной частоты. Изв. вузов, Радиофизика, 1993., т.36, №6, с.543-552.

69a.Запевалов В.Е., Мануилов В.Н., Малыгин О.В., Цимринг Ш.Е. Мощный двухлучевой гиротрон на второй гармонике циклотронной частоты. Изв. вузов, Радиофизика, 1994, т.37, №3, с.387

70a.T. Idehara, I. Ogawa, V. Zapevalov, et al. A High Harmonic Gyrotron and with an Axis-Encircling Electron Beam and a Permanent Magnet. IEEE Transaction on Plasma Science. June 2004, v.32, n.3, pp.903-910.

71a.T. Idehara, I. Ogawa, V. Zapevalov, et al. Development of a high harmonic gyrotron with an axis-encircling electron beam and a permanent magnet. Elsevier Vacuum 77 (2005) 539–546

72a.F.Leuterer, A. Litvak, V. Zapevalov, et al. Status of the new ECRH system for ASDEX Upgrade. Fusion Eng. and Design, 74, (2005) Pages: 199-203.