Стабилизация частоты гиротрона

Экспериментально реализована рекордно узкая линия излучения гиротрона на частоте 263 ГГц при мощности излучения 100 Ватт. Ширина линии составила 1Гц, что соответствует относительной ширине Δf / f = 3*10-12. Долговременная стабильность определяется опорным сигналом и составляет от 10-9 (кварцевый опорный генератор) до 10-12 (рубидиевый опорный генератор). Стабилизация частоты и узкая линия достигнуты за счет использования в цепи обратной связи фазовой автоподстройки частоты при управлении анодным напряжением. Полученные результаты открывают новые возможности для спектроскопических исследований и позволяют создавать "мастер-генераторы" для обеспечения когерентности большого количества гиротронов.
Авторский коллектив: М.Ю. Глявин, Г.Ю. Голубятников,  Г.Г. Денисов, Л.В. Лубяко, А.Г. Лучинин, М.В. Морозкин, Б.З. Мовшевич, А.П. Фокин, А.И. Цветков.

Гиротрон – электровакуумный прибор, основанный на взаимодействии электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном магнитном поле с электромагнитными волнами в резонаторе на резонансной частоте, близкой к критической. Общая схема гиротрона приведена на рис. 1. Основными подсистемами прибора являются: электронно-оптическая система, формирующая винтовой электронный пучок; электродинамическая система, в которой происходит взаимодействие пучка с одной из собственных мод; коллектор электронного пучка; система вывода, включающая выходное окно и, во многих случаях, квазиоптический преобразователь рабочей моды в узконаправленный волновой пучок. Важным элементом является магнитная система, (обычно в субтерагерцовом и терагерцовом диапазоне используются криомагниты или импульсные магниты), создающая требуемое для формирования электронного потока и резонансного взаимодействия электронов с высокочастотным полем аксиально-симметричное магнитное поле.

Рис. 1. Общая схема гиротрона.

Гиротроны являются наиболее мощными и эффективными источниками излучения в широком диапазоне частот, однако одним из факторов, ограничивающих их применение, представляется относительно низкая стабильность частоты и широкий спектр  излучения Δf, связанные в основном с колебаниями параметров высоковольтных источников питания. Известные ранее эксперименты показывали возможность стабилизации частоты до величин порядка 1 кГц при мощности в десятки ватт, что соответствовало Δf / f = 10-9; большая стабильность была достигнута лишь при существенном снижении мощности, вплоть до милливатт. В ИПФ РАН впервые была экспериментально реализована рекордно узкая ширина линии излучения 263 ГГц, равная 1 Гц при мощности излучения 100 Ватт, что на 3 порядка лучше достигнутого ранее мирового рекорда.

Для получения мощного микроволнового излучения  с уникальными спектральными характеристиками был использован гиротрон, разработанный в ИПФ РАН и  предназначенный для спектроскопии и диагностики различных сред, имеющий рабочую частоту 263 ГГц (фотография экспериментального стенда представлена на рис. 2). Уменьшение ширины спектра достигнуто за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты, в которой частота генерации гиротрона варьировалась быстрым изменением напряжения анода гиротрона. Часть излучения гиротрона ответвлялась в гармонический смеситель, в котором происходило смешение с сигналом от микроволнового синтезатора. Полученный таким образом сигнал на промежуточной частоте направлялся на фазовый детектор, где происходило частотно-фазовое сравнение с сигналом высокостабильного опорного генератора. Сигнал ошибки использовался как управляющий сигнал для блока управления анодным напряжением, замыкая петлю обратной связи.

Рис. 2. Фотография экспериментального стенда

Применение описанной схемы позволило  уменьшить ширину спектра излучения более чем на 5 порядков - с 0,5 МГц до 1 Гц при уровне мощности в 100 Вт, что соответствует относительной ширине Δf / f = 3*10-12. Долговременная стабильность стабилизированного генератора определяется параметрами опорного генератора, составляя  δf / f = 10-9 для кварцевого осциллятора и до 10-12 для рубидиевых часов. На рис. 3 (слева) приведена схема стабилизации частоты гиротрона, экспериментальный спектр приведен на рис. 3 (справа)

Рис. 3. слева - схема стабилизации частоты гиротрона; справа - экспериментальный спектр выходного излучения гиротрона со стабилизацией частоты.

Достижение гиротронами средней мощности рекордных величин ширины спектра и долговременной стабильности частоты открывает перспективы их применения в передовых областях спектроскопии (ДПЯ/ЯМР), а также в качестве задающего мастер-генератора в задачах когерентного сложения излучения от нескольких гиротронов мегаваттного уровня мощности.

Александр Цветков, с.н.с отдела электронных приборов ИПФ РАН