Винтизенко Игорь Игоревич

Материал из Электронная энциклопедия ТПУ
Перейти к: навигация, поиск
Винтизенко Игорь Игоревич
Винтизенко И.jpg
Дата рождения:

1960 г.

Место рождения:

г. Томск

Научная сфера:

физика, электрофизика, ядерная физика

Место работы:

ТПУ

Учёная степень:

доктор физико-математических наук

Учёное звание:

профессор

Альма-матер:

ТГУ

Винтизенко Игорь Игоревич (р. в 1960г., г. Томск) - доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией № 53 ФТИ.

Биография

Окончил школу №6 в 1977 году и поступил на радиофизический факультет Томского государственного университета. На последних курсах выполнял курсовую и дипломную работы в НИИ ядерной физики при ТПУ.

В 1982 году после окончания ТГУ был принят на работу младшим научным сотрудником в НИИ ЯФ при ТПУ. Занимался разработкой и исследованиями релятивистских магнетронных СВЧ-генераторов. С 1985 по 1988 годы обучался в аспирантуре Томского политехнического университета. В срок аспирантской подготовки защитил кандидатскую диссертацию. С 1988 года старший научный сотрудник лаборатории 53 НИИ ЯФ при ТПУ, проектировал, и исследовал импульсно-периодические релятивистские магнетронные системы с источниками питания – линейными индукционными ускорителями. В 1998 году назначен заведующим лабораторией 53. В 2002 году защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

За время работы опубликовал более 130 научных работ, имеет 23 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

В последние годы руководил выполнением нескольких контрактов с иностранными заказчиками (Франция, Израиль, Сингапур, Индия), связанных с исследованиями, изготовлением и поставкой релятивистских СВЧ-приборов, а также грантами Министерства образования РФ, РФФИ, грантами МНТЦ и AOARD совместно с университетами США и Японии. [1]


Лаборатория № 53 ТПУ

11935574.jpg
11938452.jpg

Лаборатория № 53 линейных индукционных ускорителей и релятивистских магнетронных СВЧ генераторов (заведующий – И.И. Винтизенко) ведет свою историю с 1958 года - года официального основания Научно-исследовательского института ядерной физики, электроники и автоматики. Лаборатория входила в состав таких подразделений, существовавших на тот период в институте:

• с 1958 г. – сектор разработки электрорадиосхем (РЭРС),

• с 1970 г. – сектор систем питания (СП).

В 1976 году лаборатория была выделена в самостоятельное подразделение института:

• с 1976 г. – лаборатория 43,

• с 1988 г. и по наст. время – лаборатория 53.

Современные направления деятельности лаборатории

 разработка линейных индукционных ускорителей (ЛИУ),

 применение ЛИУ для питания релятивистских СВЧ генераторов, исследования импульсно-периодических релятивистских магнетронных СВЧ генераторов,

 разработка генераторов высоковольтных импульсов напряжения микросекундной длительности с высокой частотой повторения.

Основные достижения лаборатории:

 Изготовлены и переданы заказчикам более десяти линейных индукционных ускорителей.

 Созданы ускорители на основе оригинальной компоновочной схемы, позволяющей разместить в одном объеме основные узлы ускорителя (ферромагнитные индукторы, систему размагничивания индукторов, полосковые формирующие линии, устройства заряда линий и их коммутаторы), что обеспечивает малые весогабаритные характеристики.

 Разработана методика компьютерного моделирования для оптимизации по к.п.д. и выходной мощности линейных индукционных ускорителей и согласования их с различными нагрузками (в том числе и с релятивистским магнетроном).

 Впервые реализован импульсно-периодический режим работы релятивистского магнетрона. На основе релятивистских магнетронов с питанием от линейных индукционных ускорителей созданы излучательные комплексы с высокой средней мощностью СВЧ излучения и хорошей повторяемостью параметров импульсов.

 Предложен, теоретически и экспериментально исследован новый класс релятивистских магнетронных СВЧ-генераторов с внешней связью резонаторов. Применение внешних связей в релятивистском магнетроне значительно повышает стабильность его колебаний и позволяет управлять параметрами излучения. Введение в канал связи резонаторов магнетрона системы излучателей позволяет реализовать распределенный вывод СВЧ-излучения высокого уровня с заданным профилем колебаний, и релятивистский магнетрон приобретает свойства сверхмощного генерирующего модуля с направленным излучением СВЧ энергии.

 Разработаны генераторы микросекундных импульсов напряжения прямоугольной формы, использующих технологию линейных индукционных ускорителей на магнитных элементах с длительностью плоской части импульса до одной микросекунды и частотой следования импульсов до 1 кГц. Подобные параметры источников питания являются уникальными и недостижимы традиционными схемами генерирования импульсов. Подбором элементов генератора возможно формирование импульсов напряжения линейно-нарастающей или линейно-спадающей формы.

 Проведены теоретические и экспериментальные исследования оригинального прибора – антенны-усилителя. Концепция антенны-усилителя заключает в себе идею создания компактного управляемого источника мощного СВЧ излучения путем объединения ЛИУ и электродинамической системы взаимодействия с системой ввода внешнего, усиливаемого СВЧ сигнала и излучающей антенной. [2]

Научная деятельность

Направления научных исследований В.:

• разработка линейных индукционных ускорителей (ЛИУ),

• применение ЛИУ для питания релятивистских СВЧ-генераторов,

• исследования импульсно-периодических релятивистских магнетронных СВЧ-генераторов,

• разработка генераторов высоковольтных импульсов напряжения микросекундной длительности с высокой частотой повторения.

Основные достижения:

• С использованием оригинальной компоновочной схемы разработаны линейные индукционные ускорители с энергией электронов до 0.5 МэВ, током 5-10 кА, длительностью импульса 100-200 нс, частотой повторения импульсов до 400 Гц.

• Спроектированы, изготовлены и переданы заказчикам (в том числе и зарубежным) пять линейных индукционных ускорителей, предназначенные для питания релятивистских СВЧ-приборов.

• Впервые продемонстрирована возможность работы релятивистского магнетрона 10-см диапазона длин волн с высокой частотой следования импульсов – пакет из 3 импульсов мощностью 360 МВт с частотой следования 160 Гц и создан излучательный комплекс на подвижной платформе (для питания релятивистских магнетронов применялись секции ЛИУ с многоканальными разрядниками).

• Впервые реализован импульсно-периодический режим работы релятивистского магнетрона - выходная мощность 200 МВт при частоте следования импульсов до 320 Гц, и выходная мощность 350 МВт при частоте следования до 200 Гц (для питания релятивистских магнетронов применялись секции ЛИУ на магнитных элементах).

• На основе релятивистских магнетронов с питанием от линейных индукционных ускорителей на магнитных элементах; созданы излучательные комплексы с высокой средней мощностью СВЧ-излучения и хорошей повторяемостью параметров импульсов.

• Экспериментально реализована работа релятивистского магнетрона на резонансную нагрузку – СВЧ-компрессор с увеличением в несколько раз выходной импульсной мощности.

• Исследован спектр излучения релятивистского магнетрона и влияние на него параметров источника питания, геометрических размеров анодного блока и катода, показана возможность электронной перестройки частоты излучения магнетрона и реализован способ механической перестройки частоты излучения.

• Предложены, теоретически и экспериментально исследованы модифицированные релятивистские магнетронные СВЧ-генераторы с внешней взаимной связью резонаторов. Показано, что взаимодействие колебаний в условиях модовой конкуренции повышает стабильность рабочего вида колебаний, улучшает спектральные характеристики излучения, предложены и исследованы системы для формирования потоков электромагнитного излучения с высокой плотностью мощности.

• Разработана методика компьютерного моделирования для расчета параметров линейных индукционных ускорителей и согласования их с различными нагрузками (в том числе и с релятивистским магнетроном), оптимизации по к.п.д. и выходной мощности.

• Предложена оригинальная концепция формирования высоковольтных импульсов микросекундной длительности прямоугольной формы. На ее основе проведено проектирование установки с параметрами: напряжение 450-1000 кВ, ток 1 кА, длительность плоской вершины импульса 1 мкс, частота повторения 1 кГц. Установка обладает сравнительно малыми весогабаритными и стоимостными показателями. [1]

Основные результаты диссертации В. «Исследование релятивистских магнетронных СВЧ генераторов»:

Развита теоретическая модель магнетрона цилиндрической геометрии без учета полей пространственного заряда для релятивистского диапазона напряжений. Показано, что в РМГ действие на электроны статических электрического и магнитного полей ослаблено в уф раз, а высокочастотного электрического поля ослаблено в Уф раз. (Аналогичный результат получен и для релятивистского магнетрона плоской геометрии. Причем, для плоского магнетрона уравнения движения имеют вид, соответствующий нерелятивистскому случаю, если использовать соответствующую нормировку для координаты и высокочастотного потенциала). Получены формулы для радиальной и угловой скорости электронов в пространстве взаимодействия. Найдено уравнение для траектории электронов. Построены траектории движения электронов в пространстве взаимодействия прибора при различных фазах вылета с поверхности катода и в зависимости от соотношения между напряженностями статического и высокочастотного электрических полей. Получены соотношения, позволяющие рассчитать выходные параметры прибора и оценить потребляемый ток. Выведено соотношение для расчета предельного значения дополнительного ускорения, вызванного пространственным зарядом, при котором сохраняется СВЧ генерация и величины предельного тока релятивистского магнетрона. Показано, что с увеличением напряжения угол фазового рассогласования ©I уменьшается и частота генерации РМГ приближается к частоте резонаторной системы без пространственного заряда.

• Исследован тепловой режим анодного блока релятивистского магнетрона. Определены предельные плотности мощности электронного пучка в зависимости от длительности импульса напряжения, не приводящие к разрушению поверхности анодного блока под действием теплового удара. Предложены критерии выбора материала анодного блока для одиночного и импульсно-периодического режимов работы РМГ.

• Исследовано влияние на амплитудные и частотные характеристики СВЧ излзАения размеров элементов релятивистского магнетрона и параметров ускорителя. Предложен и экспериментально апробирован способ механической перестройки частоты излучения релятивистского магнетрона в пределах 8% без заметного уменьшения генерируемой мощности.

• Для повышения средней мощности СВЧ излучения релятивистского магнетрона за счет частоты повторения импульсов разработаны линейные индукционные ускорители на магнитных элементах, отличающиеся компактностью за счет: оригинальной компоновочной схемы; применения эффекта перекрытия фаз; использования разбаланса емкости конденсатора последнего звена сжатия МИГ и емкости формирующей линии. Схема питания ускорителя со стабилизацией напряжения первичного накопителя позволяет формировать импульсы выходного напряжения ЛИУ с высокой воспроизводимостью амплитуды и формы (нестабильность менее 5%). Важным достоинством ЛИУ является возможность инвертирования полярности выходного напряжения и тока. Показано, что такие источники питания наиболее эффективны для реализации импульсно-периодического режима работы РМГ. Разработана компьютерная модель для расчета выходных параметров линейных индукционных ускорителей и сильноточных электронных ускорителей при работе на различные нагрузки: линейное сопротивление, электронный диод, релятивистский магнетрон.

• Исследован механизм пробоя межэлектродного промежутка обращенного коаксиального диода с магнитной изоляцией. Экспериментально показано определяющее влияние на длительность импульса напряжения в ОКДМИ величины напряженности электрического поля на аноде и адсорбционных свойств материала анода. При равных величинах напряженности электрического поля на центральном электроде длительность магнитной изоляции в ОКДМИ в 2-4 раза выше, чем в прямом диоде. Зафиксировано отсутствие влияния величины снимаемого с катода тока на (л. Проведенные спектроскопические измерения позволили определить параметры диодной плазмы (N6, Те) и ее состав (протоны, ионы материала катода и анода). На основе экспериментов и опубликованных работ предложена модель пробоя ОКДМИ. Модель описывает процесс протекания анодного тока поперек изолирующего магнитного поля при развитии диокотронной неустойчивости электронного облака на катоде, которая вызывает образование анодной плазмы. В анодном плазменном слое развивается центробежная неустойчивость, приводящая к радиальному дрейфу плазмы к катоду. Выполненный расчет времени магнитной изоляции ОКДМИ, составляющий сумму двух интервалов времени: образования однородного анодного плазменного слоя и развития в нем центробежной неустойчивости, хорошо согласуется с экспериментальными данными и описывает поведение зависимости {В), имеющей характерный максимум.

• Экспериментально показано, что обращенные магнетронные системы могут быть использованы для получения мощных СВЧ импульсов микросекундной длительности. Рассчитаны, сконструированы и изготовлены 8-, 10- и 12-резонаторные обращенные релятивистские магнетроны 10-см диапазона длин волн. Проведены «холодные» измерения резонаторных систем и разработаны устройства вывода СВЧ излучения по оси прибора на волне Ео1 и Ноь В результате экспериментальных исследований на ускорительном комплексе «ЛУЧ» получены СВЧ импульсы мощностью до 200 МВт длительностью ~1 мкс и 350 МВт длительностью -0,7 мкс.

Существенное влияние на уровень генерируемой мощности ОРМ оказывает величина тока, уходящего из пространства взаимодействия, поэтому ограничение предельного тока транспортировки в области анододержателя ведет к росту эффективности ОРМ. Зависимость мощности СВЧ колебаний от мощности электронного пучка имеет линейно-нарастающий характер. В области синхронных магнитных полей наблюдается увеличение токоотбора на поверхность анодного блока, что свидетельствует о больших напряженностях СВЧ полей. Используя формулы теоретической модели, сделано заключение, что уровень мощности обращенных релятивистских магнетронов может быть увеличен при оптимизации устройств вывода СВЧ излучения.

Обнаружена обратная зависимость длительности генерируемого СВЧ импульса ОРМ от его мощности, поскольку увеличивается анодный ток на поверхность резонаторной системы за счет развития мощных СВЧ полей. Вследствие этого уменьшается интервал времени образования анодного плазменного слоя, соответственно снижаются длительности как импульса напряжения, так и СВЧ излучения. Длительность СВЧ импульса в обращенном магнетроне близка к длительности импульса напряжения, хотя импульс по форме неоднороден, что вызвано образованием анодной плазмы на ламелях анодного блока. Увеличение длительности СВЧ импульса ОРМ в сравнении с релятивистским магнетроном прямой геометрии может быть объяснено стабильным положением внешней границы катодной плазмы, и в течение интервала времени, определяемого вакуумными условиями и материалом анода, отсутствием анодной плазмы. В 3-см диапазоне длин волн сконструирован, рассчитан и исследован на малом уровне мощности 48-резонаторный обращенный коаксиальный магнетрон. Для подавления «паразитных» видов колебаний замедляющей системы использованы кольцевые графитовые поглотители, устанавливаемые на торцах анодного блока и перекрывающие концы щелей связи со стабилизирующим резонатором. Для возбуждения в выходном волноводе «чистой» волны Hoi применен фильтр типов волн. В режиме генерации СВЧ излучения получены значения импульсной мощности 100 МВт длительностью -0,7 мкс. Отмечено, что ограничения длительности импульса СВЧ излучения в обращенном коаксиальном релятивистском магнетроне вызваны большим временем установления колебаний. Выполнены численные и аналитические оценки величины инжектируемого тока СРЭП в ОКДМИ, проведено сравнение с данными экспериментальных измерений и показано их хорошее соответствие.

• Показано, что сокращение длительности импульса напряжения в коаксиальном диоде с магнитной изоляцией при формировании СРЭП с виртуальным катодом определяется наличием потока электронов, отраженных от виртуального катода. Длительность импульса тока пучка может быть увеличена при использовании диафрагм, устанавливаемых в плоскости инжекции СРЭП, или увеличением расстояния катод -виртуальный катод.

Показана перспективность использования релятивистских магнетронов с внешней инжекцией СРЭП для генерации СВЧ излучения субмикросекундной длительности. Получены импульсы СВЧ излучения мощностью 200 МВт, длительностью -0,45 мкс. Эффективная генерация СВЧ излучения происходит с использованием стационарного состояния СРЭП с виртуальным катодом, потенциал которого совпадает по величине с потенциалом катода электронной пушки. Зафиксировано значительное влияние на величину генерируемой СВЧ мощности типа резонаторной системы (аксиального распределения высокочастотного поля в ней). Пространственное совпадение максимума этого распределения с положением виртуального катода обеспечивает высокие выходные параметры генератора. Причем местоположение виртуального катода может изменяться фиксацией потенциала пучка на входе в резонаторную систему. Также, как и в релятивистском магнетроне, уменьшение величины торцевого тока при использовании трубы дрейфа большого диаметра приводит к росту выходных параметров генератора. С ростом мощности инжектируемого в пространство взаимодействия электронного пучка наблюдается увеличение к.п.д. работы прибора.

Показано, что такие приборы могут быть эффективно использованы с источниками питания высокой импульсной мощности, поскольку позволяют увеличивать ресурс анодных блоков РМГ. • Впервые экспериментально продемонстрирована возможность работы релятивистского магнетронного генератора с высокой частотой следования импульсов -пакет из 3 импульсов мощностью 360 МВт с частотой следования 160 Гц при питании от модуля ЛИУ с многоканальным разрядником. Впервые разработан и изготовлен мобильный вариант импульсно-периодического релятивистского магнетронного генератора с выходной мощностью излучения 200 МВт и частотой следования импульсов в непрерывном режиме 20 Гц.

Разработаны и изготовлены импульсно-периодические релятивистские магнетроны на основе ЛИУ на магнитных элементах и реализованы следующие режимы работы.

• Впервые экспериментально показана возможность работы релятивистского магнетрона на резонансную нагрузку типа СВЧ компрессор, что позволяет увеличивать выходную мощность установки от 180 МВт на выходе РМГ до 1100 Мвт на выходе компрессора при частоте следования импульсов 10 Гц.

• Предложены и экспериментально исследованы релятивистские магнетроны при внещней взаимной связи его резонаторов. Показано, что взаимодействие колебаний в условиях медовой конкуренции значительно повьшает стабильность рабочего п- вида колебаний, улучшает энергетические и спектральные характеристики излучения.

• Продемонстрирована принципиальная возможность создания антенных решеток на основе релятивистского магнетрона с внешним каналом связи между резонаторами анодного блока. [3]

Награды

Почетный работник науки и техники РФ. Лауреат конкурса Томской области в сфере образования, науки, здравоохранения и культуры. Награжден юбилейной медалью ТПУ, Почетной грамотой Администрации Томской области, Почетной грамотой Администрации г. Томска. Занесен в Галерею почета ТПУ 2011 г.

Ссылки

1. http://portal.tpu.ru/SHARED/v/VINTIZENKO

2. http://portal.tpu.ru/departments/laboratory/lab53

3. http://www.dissercat.com/content/issledovanie-relyativistskikh-magnetronnykh-svch-generatorov