• Приборы вакуумной микроэлектроники миллиметрового и терагерцевого диапазона
  

  Руководитель направления Рыскин Никита Михайлович г.н.с., д.ф.-м.н, профессор эл. почта: [email protected]

  
  

   
  Освоение субтерагерцевого (0.1-0.3 ТГц) и тергерцевого (0.3-3.0 ТГц) диапазона частот является одной из наиболее актуальных проблем современной электроники. ТГц излучение обладает многими уникальными свойствами: оно имеет высокую проникающую способность и позволяет получать контрастное изображение, но в то же время обладает гораздо меньшим ионизирующим воздействием, чем рентгеновское излучение; широкий диапазон частот привлекателен для систем передачи информации; в ТГц диапазоне лежат колебательные и вращательные спектры многих веществ. Поэтому источники ТГц излучения имеют широкие перспективы применения в системах высокоскоростной беспроводной передачи данных 5G и последующих поколений, в системах безопасности и противодействия терроризму, в радиолокации, биомедицине и т.д. Однако данный диапазон на сегодняшний день является наиболее слабо освоенным участком электромагнитного спектра. Для достижения высоких уровней мощности (десятки и сотни Ватт) оптимальными являются приборы вакуумной электроники.
  Лаборатория вакуумной микро- и наноэлектроники ведет исследования, направленные на разработку миниатюрных электронно-волновых приборов, прежде всего ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ). Разрабатываются различные типы замедляющих систем (ЗС) для подобных приборов.

  

  Рис. 1. Фотография установки для измерения S-параметров замедляющих систем: 1 –высокочастотный блок замедляющей системы миллиметрового диапазона; 2 – коаксиально-волноводные переходы; 3 – коаксиальные кабели; 4 – векторный анализатор цепей.

   
  Предложены планарные микрополосковые ЗС на диэлектрических подложках, которые обладают высоким коэффициентом замедления и обеспечивают пониженный уровень рабочих напряжений (порядка 5 кВ), что важно с точки зрения миниатюризации приборов. Разработана технология изготовления подобных структур, основанная на магнетронном напылении и лазерной абляции.

  а)	б)

  Рис. 2. а – Фотографии миниатюрных планарных микрополосковых ЗС на диэлектрических подложках, изготовленных при помощи магнетронного напыления и лазерной абляции. Показаны структуры различных частотных диапазонов: от 60 ГГц до 140 ГГц. б – СЭМ-изображение ЗС диапазона 140 ГГц.

   
  Исследуются возможности использования новых технологий изготовления ЗС, в частности, технологии 3-D печати с последующей металлизацией при помощи магнетронного напыления.

  а)	б)

   
  Рис. 3. Замедляющая система W-диапазона типа гребенки, изготовленная с помощью 3D-печати и последующей металлизации методом магнетронного напыления (а) и СЭМ-изображение ее увеличенного фрагмента (б).

   
  Разрабатываются электронно-оптические системы, формирующие электронные пучки высокой плотности (порядка сотен A/см²). Экспериментально получены ленточные электронные пучки с током до 130 мА и толщиной не более 100 мкм.

  а)	б)

   
  Рис. 4. Трехмерная схема электронной пушки, формирующей ленточный пучок с высокой компрессией (а) и фотография экспериментального макета пушки (б).

   
  Наиболее высокие уровни мощности с суб-ТГц и ТГц диапазоне обеспечивают электронные мазеры на циклотронном резонансе — гиротроны, в которых активной средой являются винтовые электронные потоки, закрученные внешним магнитным полем. Коллектив лаборатории проводит теоретические исследования динамики колебательных процессов в гиротронах. В том числе, исследуются вопросы взаимной и вынужденной синхронизации, влияния отражений на режимы генерации гиротрона и т.д.

  

  Рис. 5. Пример расчета моды со сложной структурой в резонаторе гиротрона диапазона 0.4 ТГц со скачком радиуса.

• Разработана технология изготовления микрополосковых замедляющих систем миллиметрового диапазона на диэлектрических подложках с использованием магнетронного напыления и лазерной абляции. Достоинствами данной технологии являются высокая скорость изготовления (весь технологический процесс может быть проведен за один день), низкая стоимость по сравнению с традиционно используемыми технологиями на основе фотолитографии, а также высокая гибкость процесса, которая позволяет оперативно вносить изменения в дизайн изготавливаемой структуры. Изготовлены образцы ЗС V- (50-70 ГГц), W- (75-110 ГГц) и D-диапазона (110-170 ГГц). Теоретически и экспериментально исследованы их электродинамические параметры.

  

  Фотографии изготовленных макетов замедляющих систем (а), СЭМ-изображение (б) и оптическое изображение (с) их фрагментов.

  Публикации:
  
  • Ryskin N.M., Rozhnev A.G., Starodubov A.V., Serdobintsev A.A., Pavlov A.M., Benedik A.I., Torgashov R.A., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I. Planar microstrip slow-wave structure for a low-voltage V-band traveling-wave tube with a sheet electron beam // IEEE Electron Device Lett. 2018. Vol. 39. No. 5. P. 757-760.
  • Ryskin N.M., Torgashov R.A., Starodubov A.V., Rozhnev A.G., Serdobintsev A.A., Pavlov A.M., Galushka V.V., Bessonov D.A., Ulisse G., Krozer V. Development of microfabricated planar slow-wave structures on dielectric substrates for miniaturized millimeter-band traveling-wave tubes // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2021. Vol. 39, No. 1. 013204.

• Предложена новая замедляющая система (ЗС) типа «многоэтажный меандр» для мощной лампы бегущей волны (ЛБВ) миллиметрового диапазона с многолучевым ленточным электронным потоком. ЗС обладает широкой полосой пропускания, высоким сопротивлением связи и хорошим теплоотводом. Разработаны конструкции ЗС средней части миллиметрового диапазона с различным числом электронных пучков (2–4). Увеличение числа лучей позволяет повысить выходную мощность. Разработана трехсекционная конструкция ЛБВ-усилителя с четырьмя лучами электронного пучка. Проведено трехмерное численное моделирование, которое показало, что в ней обеспечивается коэффициент усиления в режиме малого сигнала 25 дБ, полоса по уровню –3 дБ — 4 ГГц, выходная мощность в режиме насыщения около 400 Вт на частоте 63 ГГц.

  

  Внешний вид замедляющей системы с четырьмя пролетными каналами для ленточных электронных пучков

  Публикации:
  
  • Torgashov G.V., Torgashov R.A., Titov V.N., Rozhnev A.G., Ryskin N.M. Meander-line slow-wave structure for high-power millimeter-band traveling-wave tubes with multiple sheet electron beam // IEEE Electron Device Lett. 2019. Vol. 40. No. 12. P. 1980-1983.
  • Torgashov R.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.M. Design study on a multiple-tunnel meander-line slow-wave structure for a high-power V-band traveling-wave tube // IEEE Transactions on Electron Devices. 2022. Vol. 69. No. 3. P. 1396–1401.

• Разработана электронно-оптическая система (ЭОС) для ламп бегущей волны диапазона 0.2 ТГц. В пушке с магнитоэкранированным цилиндрическим криволинейным катодом площадью 0.8мм x 0.8мм и 4-х лепестковым фокусирующим электродом осуществляется 16-кратная компрессия по площади ленточного пучка. Использование такой ЭОС позволяет значительно уменьшить плотность тока на катоде и фокусирующее магнитное поле по сравнению с прямоточной ЭОС, погруженной в магнитное поле. Разработана электронная пушка со сходящимся ленточным электронным пучком для миниатюрной лампы бегущей волны диапазона. Плотность тока на катоде составляет 15.6 A/см² при средней плотности тока в канале замедляющей системы 200 А/см². Экспериментально получен ток пучка до 135 мА при напряжении до 10 кВ, толщина пучка менее 100 мкм.

  

  Экспериментально измеренные распределения плотности тока j по толщине электронного пучка на различных расстояниях от катода z.

  Публикации:
  
  • Navrotsky I.A., Burtsev A.A., Emelyanov V.V., Titov V.N., Ryskin N.M. Electron-optic system with a converged sheet electron beam for a 0.2-THz traveling-wave tube // IEEE Transactions on Electron Devices. 2021. Vol. 68, No. 2. P. 798-803.

• Выполнен цикл исследований автосинхронизации гиротрона запаздывающим сигналом, отраженным от удаленной нагрузки. Показано, что отражения приводят к снижению стартового тока и к расширению диапазона перестройки частоты магнитным полем за счет возбуждения высших продольных мод резонатора. Также повышается стабильность частоты, т.е. уменьшается изменение частоты при изменении магнитного поля. Показано, что соответствующим подбором модуля и фазы коэффициента отражения можно обеспечить подавление генерации паразитных мод. В Университете Фукуи (Япония) проведены эксперименты, подтверждающие развитую теорию.

  

  Зоны генерации гиротрона на плоскости параметров угол пролета Θ – нормированный ток I_s при наличии отражений (сплошные линии) и без отражений (пунктир). Закрашены области жесткого возбуждения.

  Публикации:
  
  • Saito T., Melnikova M.M., Ryskin N.M., Tanaka S., Shinbayashi R., Yamaguchi Y., Fukunari M., Tatematsu Y. Effect of reflection on mode competition and multi-frequency oscillation in a high-power sub-THz gyrotron: experimental observation and theoretical analysis // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2020. Vol. 41. No. 6. P. 697-710.
  • Melnikova M.M., Tyshkun A.V., Ryskin N.M. Theoretical analysis of frequency stabilization and pulling effects in a gyrotron with delayed reflection // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2021. Vol. 42. No. 4. P. 446-461.
  • Melnikova M.M., Ryskin N.M. Influence of reflections on mode competition processes in a high-power multimode gyrotron // Phys. Plasmas. 2022. Vol. 29, No. 1. 013104.

• Найдены автомодельные решения, описывающие усиление и генерацию ультракоротких импульсов при взаимодействии электронных потоков с попутной или встречной электромагнитной волной. Проанализированы различные механизмы взаимодействия: черенковский, циклотронный, ондуляторный. При этом усиление импульса сопровождается его компрессией. На основе этих решений установлены законы, по которым увеличивается амплитуда импульса и уменьшается его ширина в различных ситуациях. Путем численного моделирования продемонстрировано, что по окончании переходного процесса импульс выходит на автомодельную стадию. На этой стадии основные характеристики импульса ведут себя в соответствии с найденным автомодельным решением.

  

  Пространственно-временная диаграмма, иллюстрирующая автомодельное усиление импульса, сопровождающееся его компрессией.

  Публикации:
  
  • Ростунцова А.А., Рыскин Н.М. Об автомодельном характере генерации импульсов сверхизлучения в электронно-волновом генераторе обратной волны // ЖЭТФ. 2018. Т. 154. № 4 (10). С. 691–697.
  • Rostuntsova A.A., Ryskin N.M., Ginzburg N.S. Self-similar amplification and self-compression of short microwave pulses during Cherenkov-type interaction with relativistic electron beams // Phys. Plasmas. 2020. Vol. 27, No. 5. 053108.

Выполняемые гранты:
- Мощные приборы вакуумной микроэлектроники суб-ТГц диапазона с многолучевыми ленточными электронными потоками. Грант РНФ № 22-12-00181.
- Мощные малогабаритные источники субтерагерцевого излучения на основе ленточных электронных потоков для беспроводных систем высокоскоростной передачи данных (грант РНФ № 22-49-02017). Совместный конкурс РНФ-DST (Индия).
- Расширение перестройки частоты в гиротроне терагерцевого диапазона со ступенчатым резонатором, работающем на связанных высших продольных модах (грант РНФ № 22-22-00603)
- Новые планарные замедляющие системы для мощных широкополосных ламп бегущей волны миллиметрового и терагерцевого диапазона. Грант РФФИ № 20-57-12001 (2020-2022). Совместный конкурс РФФИ-DFG (Германия).
- Управление спектром генерации мощных гиротронов с помощью воздействия сигналом, отраженным от нагрузки, или внешним сигналом. Грант РНФ № 19-70-00307 (2019-2021).
- Мощные электровакуумные источники когерентного ТГц излучения с пространственно-развитыми электронными потоками и электродинамическими структурами. Грант РНФ № 17-12-01160 (2017-2021).


Совместные работы с другими учреждениями:
Исследования, направленные на разработку миниатюрных электровакуумных приборов суб-ТГц диапазона, ведутся в тесном сотрудничестве с коллективами Саратовского национального исследовательского университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) и АО «НПП «Алмаз» (г. Саратов).
Совместно с научной группой турбулентности плазмы Aix-Marseille Université, Марсель, Франция, развивались новые методы моделирования нестационарных процессов в ЛБВ миллиметрового и ТГц диапазонов.
Совместно с научной группой терагерцевой фотоники (Terahertz Photonik group), Университет им. В. Гёте, Франкфурт-на-Майне, Германия исследовались приборы миллиметрового диапазона с планарными замедляющими системами на диэлектрических подложках.
Совместно с коллективом Отдела микроволновых приборов (Microwave Tube Division) Central Electronic Engineering Research Institute (Индия) выполняются исследования приборов W-диапазона с ленточным электронным пучком, в том числе, с ионной фокусировкой.
Исследования динамки колебательных процессов в гироприборах проводятся в тесном сотрудничестве с коллективом ФИЦ «Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН», который является одним из мировых лидеров в этом направлении. Также в течение ряда лет совместно с коллективом Research Center for Development of Far-Infrared Region Университета Фукуи (Япония) выполнялись исследования, направленные на улучшение характеристик гиротронов ТГц диапазона.


Преподавательская деятельность:
Сотрудники лаборатории ведут преподавательскую деятельность в Институте физики СГУ имени Н.Г. Чернышевского. На базе СФ ИРЭ РАН действует кафедра динамических систем СГУ (зав. кафедрой – проф. Н.М. Рыскин). Студенты и аспиранты кафедры активно участвуют в исследованиях по тематике лаборатории, являются исполнителями различных НИР и грантов.