Широкоапертурные жидкостные калориметры для измерения энергии мощных импульсов СВЧ-излучения | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/153

Широкоапертурные жидкостные калориметры для измерения энергии мощных импульсов СВЧ-излучения

Выполнен обзор эффективных устройств, предназначенных для измерения энергии мощных импульсов электромагнитного излучения релятивистских СВЧ-источников - жидкостных калориметров с широкоапертурными поглощающими нагрузками. Описаны конструкции и характеристики калориметров и особенности их работы.

Wide-aperture liquid calorimeters for measuring the energy of high-power microwave pulses.pdf Исследования в области получения мощных наносекундных импульсов СВЧ-излучения [1] остаются актуальными на протяжении последних десятилетий. Важной характеристикой таких импульсов является амплитуда мощности СВЧ-излучения. Общепризнано, что наиболее надеж-ный метод ее определения связан с измерением энергии и формы огибающей импульса (зависи-мости его мощности от времени). Энергия СВЧ-импульса измеряется с помощью специальных калориметров [2-19], а для измерения зависимости мощности СВЧ-излучения от времени могут использоваться СВЧ-детекторы, включенные в схему измерений. Действие СВЧ-калориметра основано на поглощении энергии СВЧ-излучения его рабочим телом и измерении этой поглощенной энергии тем или иным способом. В практике релятивистской СВЧ-электроники нашли применение два типа калориметров: «сухие» [2-6] и «жидкостные» [7-19]. В конструкции сухого калориметра используется рабочее твердое тело с оптимальными для поглощения СВЧ-излучения размерами и формой. Для определения поглощенной энергии измеряется прирост его температуры. В конструкции жидкостного калориметра в качестве рабочего тела применяется радиопрозрачный диэлектрический объем с оптимальными геометрическими характеристиками, заполненный жидкостью, чаще всего этиловым спиртом или водой, и измеряется или прирост температуры, или увеличение объема жидкости вследствие поглощения СВЧ-энергии. Рабочее тело входит в состав поглощающей нагрузки калориметра. Калориметры могут быть как широкополосными, так и узкополосными - рассчитанными на использование в узком диапазоне длин волн. Широкое применение получили сухие [2-4] и жидкостные [7-10] калориметры с поглощающими нагрузками волноводной конструкции, подключающиеся непосредственно к выходному волноводу источника СВЧ-излучения. С ростом излучаемой мощности во избежание СВЧ-разряда произошел переход к конструкциям калориметров с нагрузками, имеющими поперечные размеры, существенно превышающие длину волны [5, 6, 11-19]. Среди них особый интерес представляют жидкостные калориметры [11-19], имеющие широкоапертурные поглощающие нагрузки, которые могут подключаться либо непосредственно к выходу источника СВЧ-излучения [15, 16, 19], либо устанавливаться перед раскрывом его передающей антенны [11-14, 17-19]. Эти калориметры выгодно отличаются тем, что не требуют калибровки с помощью дополнительного источника СВЧ-излучения. Измерение поглощенной СВЧ-энергии W в таких калориметрах основано на эффекте увеличения объема рабочей жидкости V в соответствии с соотношением V = (/c)W, где ,  и c - коэффициент объемного расширения, плотность и удельная теплоемкость жидкости соответственно. Таким образом, увеличение объема жидкости не зависит от самого объема, а только от поглощенной энергии. Это значит, что можно конструировать поглощающие нагрузки различного объема, в том числе и достаточно большие. Сравнение величины /c для этилового спирта и для воды показывает, что спирт обеспечивает значительно большее расширение объема, чем вода при одинаковой поглощенной энергии, а значит, и более высокую чувствительность калориметра. Тем не менее при определенных условиях вода все же находит применение в качестве рабочей жидкости калориметра [7, 10]. В работе [12] в качестве рабочей жидкости был использован изопропиловый спирт. Поглощающая нагрузка калориметра, описанного в работе [11] и предназначенного для расположения перед раскрывом передающей антенны источника СВЧ-излучения, выполнена в виде параллелепипеда из оргстекла размерами 20×200×50 см с каналами внутри, в которые залит этиловый спирт (рис. 1, а). Рис. 1. Внешний вид плексигласовых калориметрических блоков без теплоизоляции: а - из [11]; б - из [12] Каналы соединены между собой и с измерительным стеклянным капилляром. В двух каналах размещены два нихромовых нагревателя, один из которых служит для подогрева рабочей жидкости и, тем самым, регулировки ее уровня в капилляре, другой - для калибровки калориметра. Для регистрации изменения уровня рабочей жидкости в капилляре используется схема измерения частоты генерации колебательного контура высокочастотного автогенератора, в котором роль конденсатора выполняют две полоски медной фольги, симметрично наклеенные на наружную поверхность капилляра. Преобразованный сигнал генератора, отображающий уровень рабочей жидкости в капилляре, регистрируется осциллографом. Калибровка калориметра выполняется подачей электрического импульса от генератора Г5-56 на калибровочный нагреватель. Проверка работоспособности калориметра и измерение его характеристик включала измерение энергии СВЧ-импульсов генератора на основе импульсного магнетрона МИ-505 с несущей частотой 10 ГГц. Калориметр позволял измерять энергию СВЧ-импульсов в диапазоне от ~ 1 мДж до ~ 60 Дж. Погрешность измерения СВЧ-энергии в пределах от 0.2 до 3 Дж была не более 1 %. В дальнейшем была выполнена модернизация [12] этого калориметра. В качестве рабочей жидкости вместо этилового спирта был применен изопропиловый спирт, поскольку этиловый спирт обладает способностью диффузии в оргстекло, что приводит к его размягчению, изменению диэлектрических характеристик и возможности деформации корпуса поглощающего блока. После расчета и оптимизации по специально разработанной программе поглощающий блок калориметра был выполнен в виде параллелепипеда из оргстекла с размерами 400×400×100 мм с отверстиями (каналами) цилиндрической формы, заполненными рабочей жидкостью, перпендикулярными широким стенкам корпуса блока и расположенными в гексагональном порядке (рис. 1, б). Поглощающая поверхность образует круг диметром ~ 360 мм. Высокий (> 0.9) коэффициент поглощения в широком диапазоне частот обеспечивается наличием в поглощающем блоке внутренних согласующих слоев с отверстиями переменного диаметра и внешних согласующих слоев, образованных пластинами из оргстекла, также имеющими отверстия. Эти пластины имеют толщину 10 мм и закреплены снаружи на передней стенке блока. Задняя и боковые стенки закрыты отражающими экранами из листов фольги. Поглощающий блок помещен в теплоизолирующий короб. В верхней части корпуса имеется втулка, служащая расширителем для рабочей жидкости при ее нагреве. Сверху через фланец и резиновую прокладку могут устанавливаться две сменные стеклянные капиллярные измерительные трубки. Одна из них предназначена для работы в диапазоне измеряемых энергий 0.1-130 Дж, а вторая - в диапазоне 0.01-2.5 Дж. В полости втулки размещены два нихромовых нагревателя, один из которых служит для нагрева и стабилизации уровня рабочей жидкости в капилляре при измерениях, а другой - для калибровки калориметра. Сдвиг уровня рабочей жидкости в каждом из капилляров измеряется по изменению емкости конденсатора, образованного двумя полосками из металлической фольги, расположенными с про-тивоположных сторон капилляра. Эта емкость включена последовательно с другой, опорной, ем-костью в разностную схему. На емкости подается в противофазе напряжение одинаковой частоты и амплитуды. Токи, протекающие по обеим емкостям, суммируются на общей нагрузке, сигнал с которой выпрямляется, сглаживается и регистрируется цифровым осциллографом. Электрическая схема вместе с капилляром размещена в коробе, являющемся экраном, размером 130×80×70 мм, установленном на фланце втулки расширительной полости. В процессе исследования характеристик калориметра измерялись коэффициенты отражения СВЧ-излучения от поглощающего блока и поглощения СВЧ-энергии в нем. Выполнялись изме-рения постоянства чувствительности калориметра в зависимости от высоты столба рабочей жид-кости в измерительной трубке, а также зависимости линейности выходного сигнала от вложенной энергии при калибровке и при измерении энергии СВЧ-импульсов. В последнем случае ис-пользовался импульсный СВЧ-генератор на основе магнетрона МИ-505, работавший на несущей частоте 10 ГГц. Длительность СВЧ-импульсов была 250 нс при амплитуде мощности около 250 кВт и частоте следования 1.5 кГц. Путем регулировки числа импульсов в пачке ее суммарная СВЧ-энергия задавалась в пределах от 8 до 110 Дж. Максимальное отклонение выходного сигнала от линейности составило 6.3 % при энергии 110 Дж и длительности пачки 1.5 с, что авторы [12] предположительно связали с передачей тепла от рабочей жидкости к стенкам корпуса поглощающего блока. Погрешность калибровки калориметра в случае менее чувствительной (~ 86 мВ/Дж) измери-тельной трубки составила ±2 % для диапазона калибровочных энергий 2.6-50 Дж и ±4 % при энергии калибровки 260 мДж. Для более чувствительной трубки (~ 1.65 мВ/Дж) погрешность была около ±1 % для диапазона 0.26-2.6 Дж, ±6% для энергии калибровки 26 мДж и ±15 % для энергии 7.8 мДж. В работе [13] описан другой вариант широкоапертурного калориметра, который был предназначен для диапазона 4.5-53.5 ГГц. Этот калориметр имеет поглощающую нагрузку, представляющую собой сосуд, образованный двумя дисками из плексигласа толщиной 1 см и диаметром ≈ 40 см, заполненный этиловым спиртом (рис. 2). Такая нагрузка, как и нагрузки калориметров [11, 12], располагается перед раскрывом передающей антенны. Рис. 2. Схема дискообразной широкоапертурной поглощающей нагрузки калориметра [13]: 1 - дискообразные стенки; 2 - рабочая жидкость; 3 - втулки; 4 - измерительная трубка; 1 и 2 - диэлектрические проницаемости стенок нагрузки и рабочей жидкости соответственно Толщина слоя рабочей жидкости - этилового спирта, равна 1 см. Для увеличения жесткости конструкции между дисками вставлены диэлектрические втулки. Такая конструкция не гарантирует неизменности во времени конфигурации нагрузки после энергетического воздействия, но является вполне упругой для достаточно быстрого возврата в исходное положение, пока остывание жидкости не имеет значения. Для измерения приращения объема жидкости используется стеклянная трубка с внутренним диаметром 2 мм, расположенная в положении, близком к горизонтальному. Этим устраняется влияние гидростатического давления, снижающего чувствительность калориметра при расположении трубки вертикально в верхней части нагрузки. Длина столба жидкости определяется по сопротивлению между двумя проволочками, натянутыми внутри трубки. Это сопротивление встроено в мост Уитстона. Для предотвращения перегрева жидкости в измерительной трубке используется подача на мост через трансформатор электрических импульсов длительностью 1 мс, частотой следования 10 Гц. Амплитуда напряжения на трубке - 20 В. Измеряемая величина, связанная с поглощением СВЧ-энергии в нагрузке, - выходной сигнал моста. Для регулировки длины столба рабочей жидкости в трубке и калибровки калориметра внутри рабочего объема нагрузки имеется нагревательный элемент в виде спирали из нержавеющей стали. Калибровка калориметра выполняется разрядом конденсатора емкостью 300 мкФ на эту спираль. Использование калориметра в экспериментах с релятивистскими источниками показало, что он позволяет с погрешностью 20 % измерять энергию широкополосных СВЧ-импульсов со сложным волновым составом длительностью ~ 50 нс и мощностью 5-300 МВт в диапазоне частот 6-30 ГГц. Следует отметить, что позднее в калориметре такого типа была впервые применена электронная схема управления [14], позволяющая автоматически устанавливать начальную длину столба рабочей жидкости в измерительной трубке и выполнять процедуры калибровки калориметра и измерения СВЧ-энергии. Как отмечалось выше [12], оргстекло не обладает химической стойкостью по отношению к этиловому спирту [20]. Опыт работы в Институте сильноточной электроники СО РАН с калори-метрами, имеющими широкоапертурные поглощающие нагрузки, также показал, что этиловый спирт оказывает существенное разрушающее воздействие на плексигласовые стенки нагрузки. Поэтому был осуществлен переход на полиэтилен низкого давления. Этот материал обладает достаточной упругостью (модуль упругости при изгибе может достигать ~ 1000 МПа [21]), низким тангенсом угла потерь и химически устойчив [22] по отношению к этиловому спирту. В работах [15, 16] описана конструкция калориметра трехсантиметрового диапазона с руч-ным управлением с поглощающей нагрузкой (рис. 3) на основе конического рупора, в раскрыве которого установлена трехслойная поглощающая структура, состоящая из ребристого входного окна, слоя этилового спирта и плоской задней стенки. Нагрузка подключается к выходному вол-новоду СВЧ-генератора. Входное окно и задняя стенка изготовлены из полиэтилена низкого дав-ления. Для снижения коэффициента отражения СВЧ-излучения геометрическая форма и размеры структуры предварительно моделировались и оптимизировались. Первоначально это выполня-лось с использованием PiC-кода КАРАТ [23]. Затем были развиты специальные методы [24-28] оптимизации подобных широкоапертурных поглощающих нагрузок. Рис. 3. Поглощающая нагрузка калориметра [15, 16] для подключения к выходному волноводу источника СВЧ-излучения: 1 - конический переход; 2 - конический рупор; 3 и 7 - входное окно и задняя стенка соответственно; 4 - расширитель для спирта; 5 - кран расширителя; 6 - этиловый спирт; 8 - спираль калибратора; 9 - спираль нагревателя спирта; 10 - кран слива спирта; 11 - задний фланец; 12 - задняя стенка из нержавеющей стали; 13 - выход СВЧ-сигнала; 14 - стеклянная капиллярная трубка; 15 - пробка капиллярной трубки Связанная с объемом спирта стеклянная измерительная капиллярная трубка с внутренним диаметром 1 мм расположена в положении, близком к горизонтальному. За трубкой - линейка для визуального отсчета смещения мениска спирта посредством видеокамеры. Для снижения потерь СВЧ-энергии задняя стенка закрыта пластиной из нержавеющей стали. В пластине сделано прямоугольное отверстие размерами 23×10 мм, соответствующими размерам сечения стандартного волновода, для подключения детектора с целью измерения огибающей СВЧ-импуль¬са одновременно с измерением его энергии. Внизу объема спирта расположены два нагревателя в виде спиралей из нихромовой проволоки. Один служит для подогрева спирта с целью регулировки положения его мениска в измерительной трубке, второй - для калибровки калориметра. Для подогрева спирта используется стабилизированный источник питания DC POWER SUPPLY HY3005, а для калибровки - источник НY5003. Последний был дополнен таймером, что позволило подавать на калибровочный нагреватель импульсы с током до 3.2 А длительностью 2 с. В верхней части поглощающей структуры укреплен расширитель для приема спирта в процессе его предварительного подогрева и удаления пузырей из нагрузки в процессе подготовки калориметра к работе. Чувствительность калориметра составляла ~ 2.4 Дж/мм. Калориметр использовался в экспе-риментах с релятивистской лампой обратной волны [29], работавшей в режиме пространственно-го накопления СВЧ-энергии и генерировавшей импульсы с несущей частотой 9.7 ГГц длитель-ностью ~ 0.7 нс с амплитудой мощности до ~ 1.8 ГВт. Измерялась энергия последовательности до ста СВЧ-импульсов. Типичная погрешность измерения была не более ± 10 %. Она включала погрешность калибровки калориметра и разброс СВЧ-энергии от импульса к импульсу. Дальнейшее развитие конструкций калориметров включало разработку систем автоматиза-ции процедур подготовки устройства к работе, калибровки и выполнения измерений СВЧ-энергии. В работе [17] приведено описание двух калориметров с электронными блоками контроля и регистрации. Калориметры имеют дискообразные поглощающие нагрузки (рис. 4, а) диаметром около 50 см, предназначенные для подвешивания перед раскрывами передающих рупорных антенн. Один из калориметров рассчитан на работу в диапазоне 7-12 ГГц, а второй - в диапазоне 1-4 ГГц. Рис. 4. Внешний вид дискообразной широкоапертурной поглощающей нагрузки диапазона 7-12 ГГц, покрытой теплоизолирующим материалом (а), и конструкция коаксиального измерительного датчика (б): 1 - кожух; 2 - электрический контакт; 3 - пробка; 4 - электрический соединитель; 5 - наружный проводник; 6 - внутренний проводник Нагрузки изготовлены из полиэтилена низкого давления, и каждая имеет трехслойную структуру с ребристым входным окном, аналогичную [15, 16]. Геометрическая форма и размеры каждой из нагрузок оптимизировались в численном моделировании применительно к своему рабочему диапазону частот с целью минимизации коэффициента отражения падающих волн. При этом использовались результаты измерений характеристик рабочей жидкости, выполненных на кафедре радиоэлектроники Томского государственного университета с анализатором цепей PNA E8363B фирмы «Agilent Technologies» по методике [30]. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь полиэтилена считались независящими от частоты [31]: ε = 2.26, tgδ = 0.0004. Рабочий объем нагрузок заполнен жидкостью на основе этилового спирта. В рабочем объеме имеются два нагревательных элемента в виде спиралей из нихромовой проволоки. Один служит для подогрева рабочей жидкости (регулировки положения мениска жидкости в измерительной трубке), второй - для калибровки калориметра. Измерительный датчик (рис. 4, б) имеет коаксиальную конструкцию. Внешний проводник - капиллярная трубка из нержавеющей стали внутренним диаметром 3 мм. Внутренний проводник - проволочка диаметром 1 мм также из нержавеющей стали. Длина столбика рабочей жидкости в датчике определяет электрическое сопротивление между наружным и внутренним проводниками. Это сопротивление включено в схему одного из мостов Уитстона блока контроля и регистрации (рис. 5) калориметра. Схема этого блока включает набор усилителей, микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и широтно-импульсным модулятором (ШИМ), а также органы управления и индикации, необходимые для запуска калориметра в работу и выполнения процедур калибровки и измерений СВЧ-энергии. При этом автоматическая работа калориметра выполняется с использованием цепи обратной связи и ПИД-регулятора. Аналогично [15, 16] для калибровки калориметра используется источник питания POWER SUPPLY HY5003, дополненный таймером. Он позволяет получать на калибровочной спирали импульсы напряжения амплитудой до 50 В с длительностью импульса порядка нескольких секунд. Работа с калориметрами [17] показала, что их схемы управления работают устойчивее, если используется подобранный опытным путем следующий состав рабочей жидкости: дистиллиро-ванная вода - 11.4 %, 100 %-й этиловый спирт - 88.1 %, салициловая кислота - 0.5 %. Это, по-видимому, обусловлено тем, что для устойчивой работы схемы управления требуется определен-ный уровень электрической проводимости рабочей жидкости. Калориметры предназначены для измерения энергии СВЧ-импульсов с амплитудой мощности вплоть до гигаваттного уровня. Диапазон измеряемой энергии - от 5 до 500 Дж. Расчетные коэффициенты отражения СВЧ-мощности от поглощающих нагрузок для калориметра диапазона 7-12 ГГц - не более 20 дБ, а для калориметра диапазона 1-4 ГГц - не более 16 дБ. Типичная погрешность калибровки - не более ± 10 %. Рис. 5. Блок-схема блока контроля и регистрации калориметров [17] С использованием поглощающей нагрузки [17] диапазона 7-12 ГГц была разработана другая электронная схема управления калориметром с этиловым спиртом концентрации 95 % в качестве рабочей жидкости [18]. Схема приведена на рис. 6. Рис. 6. Структурная схема калориметра [18]: Rн и Rк - активные сопротивления нагревательных элементов для подогрева рабочей жидкости и калибровки калориметра соответственно В этой схеме используется оптический датчик положения мениска рабочей жидкости в измерительной трубке из кварцевого стекла. В нагревательных элементах вместо нихромой проволоки применена лента из нержавеющей стали толщиной 100 мкм, что дало более эффективный теплообмен с рабочей жидкостью. Блок контроля и регистрации, состоящий из платы контроллера, датчика положения мениска рабочей жидкости, а также источника питания, размещен на задней стенке поглощающей нагрузки в металлическом экранирующем корпусе. Источники питания калибратора и нагревателя калориметра располагаются в отдельном металлическом корпусе на расстоянии 2-3 м от поглощающей нагрузки. Сигналы управления этими источниками поступают из блока контроля и регистрации по двум оптоволоконным пластиковым кабелям. Блок контроля и регистрации связан через интерфейс Ethernet по оптоволоконному кабелю с управляющим персональным компьютером. Оптический датчик представляет собой трубку из кварцевого стекла, связанную с объемом рабочей жидкости. С одной стороны трубки находятся светодиодные сборки L-865/4SRDT, даю-щие на трубку световой поток красного цвета, а с другой - ПЗС-линейка типа TSL1412S фирмы «Ams AG», регистрирующая световой поток, прошедший через трубку. Вся конструкция оптического датчика изолирована от света корпусом из капролона. Длина рабочей части ПЗС-линейки равна 98 мм. На ней расположено 1536 светочувствительных элементов, обеспечивающих ли-нейное разрешение около 400 точек на дюйм. При таком разрешении для трубки с внутренним диаметром 3 мм достигается расчетное значение минимальной измеряемой энергии 0.76 Дж, определяемой смещением мениска на длину одного элемента (≈ 64 мкм). Максимальная измеряемая энергия определяется смещением мениска на всю длину рабочей части ПЗС-линейки и составляет 1168 Дж. Для капилляра с внутренним диаметром 2 мм соответствующе расчетные значения составляют 0.34 и 519 Дж. ПЗС-линейка соединяется тремя линиями с контроллером блока контроля и регистрации. По двум линиям подаются генерируемые контроллером тактовые синхроимпульсы, необходимые для работы с оптическим датчиком, а по третьей снимается аналоговые выходные сигналы элементов ПЗС-линейки. Контроллер выполнен на базе микропроцессора STM32F407VE, работающего на частоте 168 МГц. Он производит последовательный опрос сигналов каждого элемента ПЗС-линейки и с помощью встроенного АЦП преобразует их в массив, состоящий из 1536 двенадцатиразрядных двоичных чисел. Этот массив отображает распределение светового потока по длине датчика. При частоте преобразования АЦП около 300 кГц частота снятия показаний со всей рабочей длины линейки составляет 190 Гц. При этом обновляется соответствующий массив данных в памяти микропроцессора и совершаются все операции по его обработке. В результате обработки полученных данных формируется цифровой сигнал, соответствую-щий длине рабочей жидкости в капилляре, выраженной в длинах элементов ПЗС-линейки, по которому определяется текущее положение мениска жидкости в трубке и выполняется его ста-билизация программным ПИД-регулятором по цепи обратной связи. Управление калориметром выполняется с помощью персонального компьютера с использованием программного обеспечения, работающего в среде операционной системы Windows. В управляющей программе в реальном времени отображаются режим работы калориметра, его со-стояние и результаты либо измерений СВЧ-энергии, либо калибровки калориметра. ШИМ-модулятором регулируется мощность источника питания нагревателя рабочей жидкости. Посредством дискретного сигнала регулируемой длительности с использованием одного из таймеров микропроцессора задается длительность калибровочного импульса, определяющая энергию калибровки. Работа с калориметром показала, что система управления с оптическим датчиком дает более высокую, по сравнению с [17], линейность калориметра во всем рабочем диапазоне и способствует повышению точности его калибровки. Погрешность калибровки калориметра составляет ±20 % в диапазоне 0.5-5 Дж, ±5 % в диапазоне 5-30 Дж, ±2.5 % в диапазоне 30-100 Дж и ±1.5 % в диапазоне 100-600 Дж. При этом нелинейность калибровочной характеристики в диапазоне 15-300 Дж не более ±3 %. Как отмечалось выше, использование калориметров вместе с детекторами, регистрирующи-ми огибающие СВЧ-импульсов, дает возможность определить амплитуду их мощности. Детекто-ры с приемными антеннами удобно было бы устанавливать позади дискообразных широкоапер-турных поглощающих нагрузок калориметров, подобных описанным в [13, 17]. При этом важное значение имеет достаточно точное измерение зависимости СВЧ-мощности от времени в течение импульса. Однако изучение, в частности в работах [32-38], результатов регистрации СВЧ-импуль¬сов детекторами, расположенными за нагрузками, показало, что вид огибающих СВЧ-сигналов зависит от точки регистрации и может существенно отличаться от наблюдаемых на значительном удалении от передающей антенны в отсутствие калориметров. Исследование этой проблемы методом численного моделирования в работах [39, 40] показало, что искажение формы огибающей СВЧ-импульса обусловлено эффектами дифракции волн, излучаемых передающей антенной на поглощающей нагрузке. Выяснилось также, что регистрация огибающей непосред-ственно через слой рабочей жидкости на основе этилового спирта тоже проблематична вслед-ствие сильной зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости этой жидкости от частоты, обуславливающей более сильное поглощение высокочастотных компонент спектра СВЧ-импульса по сравнению с низкочастотными. В связи этим для регистрации огибающей СВЧ-им¬пульса необходимо использовать другие средства, например в виде ответвителей, подобных описанным в [4], встроенных в выходной волновод источника СВЧ-излучения. Численное моделирование [39] показало также, что дифракционные эффекты могут приво-дить к тому, что 10-20 % мощности СВЧ-импульса уходит мимо дискообразной широкоапретур-ной поглощающей нагрузки, что дает соответствующее систематическое занижение измеряемой СВЧ-энергии. Решением проблемы может быть расположение трехслойной поглощающей струк-туры в раскрыве конической передающей антенны [15, 16, 19, 39] и принятие мер, предотвраща-ющих дифракционный уход СВЧ-мощности. Калориметры [17] с дискообразными широкоапертурными поглощающими нагрузками успешно применялись в экспериментах [32-38] с релятивистскими СВЧ-генераторами для изме-рения энергии СВЧ-импульсов, а также определения амплитуды их мощности и эффективности преобразования мощности сильноточного релятивистского электронного пучка в мощность электромагнитного излучения в диапазоне от сотен мегаватт до гигаватт.

Ключевые слова

relativistic sources of microwave radiation, high power microwave pulse, wide-aperture absorption load, microwave calorimeter, релятивистские источники СВЧ-излучения, мощные СВЧ-импульсы, широкоапертурная поглощающая нагрузка, СВЧ-калориметр

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Климов Алексей ИвановичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. научн. сотр., доцентklimov@lfe.hcei.tsc.ru
Всего: 1

Ссылки

Tarakanov V.P., Klimov A.I., Pegel I.V., et al. // Eur. Phys. J. Web Conf. - 2017. - V. 149. - P. 04046 (p. 2).
Totmeninov E.M., Vykhodtsev P.V.,Stepchenko A.S., and Klimov A.I. // IEEE Trans. Electron Dev. - 2017. -V. 64. - No. 5. - P. 2398-2402.
Климов А.И., Тотьменинов Е.М. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 6. - С. 37-43.
Totmeninov E.M., Kitsanov S.A., and Vykhodtsev P.V. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2011. -V. 39. - No. 4. - P. 1150-1153.
Totmeninov E.M., Gunin A.V., Klimov A.I., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2012. - V. 40. - No. 6. - P. 1590-1593.
Тотьменинов Е.М., Выходцев П.В., Гунин А.В. и др. // ЖТФ. - 2014. - Т. 84. - Вып. 3. - С. 120-125.
Totmeninov E.M., Klimov A.I., and Rostov V.V. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2010. - V. 38. - No. 10. - P. 2944-2947.
Totmeninov E.M., Klimov A.I., and Rostov V.V. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2009. - V. 37. - No. 7. - P. 1342-1345.
Климов А.И., Куркан И.К., Полевин С.Д. и др. // Письма в ЖТФ. - 2008. - Т. 34. - Вып. 6. - С. 23-29.
Agilent Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials. Application Note. Agilent Technologies, Inc. 2013. Published in USA. April 3. 2013. 5989- 2589EN.
Лебедев И.В. // Техника и приборы СВЧ. Т. 1. - М.: Высш. школа, 1970. - С. 426.
Афанасьев К.В., Быков Н.М., Ельчанинов А.А. и др. // Материалы 17-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммун. технологии», Украина, Севастополь, 10-14 сентября 2007 г. - Севастополь: Вебер, 2007 - С. 644-645.
Климов А.И., Кожевников В.Ю. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 8. - С. 50-54.
Kabdymanova G.N., Kozhevnikov V.Yu., Klimov A.I., and Kozyrev A.V. // Proc. Intern. Sib. Conf. Contr. Comm. (SIBCON-2015), Omsk, Russia, May 21-23, 2015. - Omsk: The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch, 2015. - P. 1-4.
Kozhevnikov V.Yu. and Klimov A.I. // Proc. 13th Intern. Workshop FEM-2016, Italy, Florence, May 16-18, 2016. - Florence: Firenze University Press, 2016. - P. 170-171.
Kozhevnikov V.Yu., Klimov A.I., and Kozyrev A.V. // Proc. 28-th Conven. Electr. Electron. Engin. in Israel, Eilat, Israel, December 3-5, 2014. - Piscataway: IEEE Operations Center, 2014 - P. 1-4.
Kozhevnikov V.Yu., Klimov A.I., and Kozyrev A.V. // Proc. 22nd Telecom. Forum TELFOR 2014 Belgrade, Serbia, November 25-27, 2014. - Belgrade: Academic Mind, 2014. - P. 834-837.
Тараканов В.П. // Математическое моделирование. Проблемы и результаты. - М.: Наука, 2003. - С. 456- 476.
Завод пластиковых емкостных конструкций и резервуаростроения «ВК Полимер»: Полиэтилен ПНД (HDPE) - свойства и химическая устойчивость: Химические свойства полиэтилена HDPE (ПНД): Таблица химической стойкости полиэтилена. URL: http://www.vkpolymer.ru/files/file/him_sv_polietilena.pdf (дата обращения 24.04.2019).
ГОСТ 16338-85. Полиэтилен низкого давления. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1987. - С. 31.
Компания «Каскад-Пластик»: Химическая стойкость оргстекла. URL: https://kaplastik.com.ua/ru/glavnaja.html (дата обращения 24.04.2019).
Ye H., Ning H., Yang W., et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2015. - V. 86. - P. 24706 (1-6).
Выходцев П.В., Ельчанинов А.А., Климов А.И. и др. // ПТЭ. - 2015. - № 4. - С. 71-76.
Выходцев П.В., Гунин А.В., Климов А.И. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 9/3. - С. 53-56.
Klimov A.I., Kovalchuk O.B., Rostov V.V., and Sinyakov A.N. // IEEE Trans. Plasm. Sci. - 2008. - V. 36. - Nо. 6. P. 661-664.
Klimov A.I., Vykhodtsev P.V., Kovalchuk O.B., and Sinyakov A.N. // Изв. вузов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 10/3 - P. 192-193.
PLASMAIOFAN Science and Technology Center: Products: Microwave Pulse Calorimeter // URL: http://www.plasmaiofan.ru/prod.html#Microwave (дата обращения 24.04.2019).
Шкварунец А.Г. // ПТЭ. - 1996. - № 4. - С. 72-75.
Лисичкин А.Л., Нестеров Е.В., Строганов В.А. // ПТЭ. - 1996. - № 1. - С. 82-84.
Лисичкин А.Л., Нестеров Е.В., Петров В.Ю., Строганов В.А. // ПТЭ. - 2007. - № 1. - С. 90-93.
Киселев В.А., Линник А.Ф., Онищенко И.Н., Усков В.В. // ПТЭ. - 2005. - № 2. - С. 103-106.
Климов А.И., Ельчанинов А.А., Ростов В.В. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57 - № 12/2. - С. 207-210.
Лисичкин А.Л., Нестеров Е.В. // ПТЭ. - 1998. - № 3. - С. 73-75.
Быков Н.М., Губанов В.П., Гунин А.В. и др. // ПТЭ. - 1987. - № 6. - С. 107-110.
Белоусов В.И., Плахотник В.Ю., Родин Ю.В. и др. // ПТЭ. - 1992. - № 3. - С. 142-148.
Эфтимион П., Смит П.Р., Шлезингер С.П. // ПНИ. - 1976. - № 9. - С. 79-83.
Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Ковнеристый Ю.К. и др. // ПТЭ. - 1992. - № 2. - С. 153-154.
Уортон Ч.Б., Эрли Л.М., Баллард В.П. // ПНИ. - 1986. - № 5. - С. 61-65.
Эрли Л.М., Баллард В.П., Рус Л.Д., Уортон Ч.Б. // ПНИ. - 1986. - № 9. - С. 86-96.
Benford J., Swegle J.A., and Shamiloglu E. High Power Microwaves. - Oxford: Taylor & Francis, 2007. - 531 p.
 Широкоапертурные жидкостные калориметры для измерения энергии мощных импульсов СВЧ-излучения | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/153

Широкоапертурные жидкостные калориметры для измерения энергии мощных импульсов СВЧ-излучения | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/153