Лаборатория cильноточной и СВЧ электроники

Лаборатория ведет междисциплинарные работы на стыке вакуумной электроники, физики плазмы и материаловедения, отвечая на ключевые вызовы современной науки и техники — от энергетики будущего до высокотехнологичной медицины.

1. Мощные гиротроны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Генерация мощного СВЧ-излучения для управляемого термоядерного синтеза (УТС).

Работы направлены на повышение КПД и стабильности гиротронов мегаваттного уровня мощности, необходимых для нагрева плазмы и неиндукционного управления током в токамаках и стеллараторах. Усовершенствование конструкций напрямую влияет на приближение эры экологически чистой термоядерной энергетики.

2. Физика интенсивных электронных потоков. Управление динамикой пространственного заряда в сильных электромагнитных полях

Исследуются коллективные процессы, паразитные колебания и влияние неоднородных полей на качество транспортировки электронных пучков. Понимание этих механизмов необходимо для создания надежных и эффективных источников излучения терагерцового и субтерагерцового диапазонов.

3. Эмиссионная электроника и новые материалы. Создание холодных полевых эмиттеров на основе наноструктур и композитов.

Разрабатываются долговечные источники электронов, не требующие нагрева, с использованием структурированных покрытий, углеродных наноматериалов. Это направление актуально для миниатюризации и повышения ресурса работы устройств вакуумной электроники, включая космические двигатели, портативные рентгеновские источники, СВЧ электроника.

4. Электронно-оптические системы нового типа. Формирование высококачественных винтовых электронных пучков (ВЭП).

Развитие методов расчета и экспериментальной реализации электронных пушек с высокой степенью ламинарности пучка. Актуальность продиктована запросом на повышение выходной мощности и расширение частотного диапазона гиротронов, в том числе для перспективных медицинских и спектроскопических приложений.

5. Широкополосные СВЧ-устройства со скрещенными полями. Генерация мощных квазишумовых сигналов и совершенствование амплитронов..

Исследования нацелены на создание источников излучения с уникальными спектральными характеристиками для задач радиопротиводействия, телекоммуникаций и систем защиты информации. Применение новых катодных материалов позволяет решать задачи увеличения длительности и стабильности генерируемых импульсов.

6. Взаимодействие мощного СВЧ-излучения и электронных пучков с веществом. Разработка плазменных и пучковых технологий обработки материалов.

Результаты исследований используются для разработки методов сверхчистой обработки и модификации поверхности, а также для технологий инжекции топлива в плазму (включая абляционное ускорение макрочастиц-пеллет) в интересах УТС и новых промышленных процессов.

Научный коллектив располагает комплексной экспериментально-технологической базой, необходимой для выполнения всех этапов проекта. Имеющееся оборудование позволяет проводить полный цикл исследований — от создания и всесторонней характеризации полевых эмиттеров до испытаний готовых СВЧ-приборов в рабочих условиях. В частности, в распоряжении лаборатории имеются:

1. СВЧ-приборы и установки субтерагерцового диапазона:

• Макет гиротрона на частоту 140 ГГц, разработанный и испытанный ранее коллективом. Обеспечивает возможность отработки новых архитектур электронно-оптических систем и интеграции полевых эмиттеров в субтерагерцовом диапазоне.
• Экспериментальный гиротрон СПбПУ на частоту 74 ГГц, оснащённый системами измерения и контроля выходных характеристик. Аппарат укомплектован оригинальными методиками анализа пространственно-энергетических параметров винтовых электронных пучков (ВЭП), а также диагностикой коллективных процессов в плазме пучка.

2. Оборудование для исследования и модификации эмиттеров:

• Автоматизированная установка для характеризации эмиссионных свойств, позволяющая в реальном времени регистрировать вольт-амперные характеристики, анализировать стабильность токов эмиссии и долговечность работы катодов в условиях высокого и сверхвысокого вакуума.
• Сканирующие зондовые микроскопы высокого разрешения (СТМ и АСМ), обеспечивающие нанометровый контроль морфологии поверхности, измерение локальной работы выхода и оценку эмиссионной однородности многоострийных структур.
• Установка магнетронного напыления, предназначенная для нанесения функциональных покрытий (включая металл-фуллереновые и многослойные наноструктурированные композиции) на сложнопрофильные эмиттирующие структуры с контролируемой однородностью и высокой адгезией.

3. Стенды для исследования электронно-оптических систем (ЭОС):

• Автоматизированный стенд исследования электронных пушек, позволяющий в лабораторных условиях проводить измерения скоростного разброса, поперечной однородности пучка и его эмиттанса. Стенд обеспечивает длительные ресурсные испытания катодно-сеточных узлов, оснащен высоковольтными источниками и системами прецизионной регистрации тока..

4. Технологическая инфраструктура для монтажа и экспериментов:

• Парк вакуумных постов высокого и сверхвысокого вакуума.
• Высоковольтные источники питания для питания СВЧ-устройств.
• Системы диагностики электронных пучков (включая анализаторы поперечной структуры).
• Прецизионное оборудование для сборки, юстировки и настройки электронно-оптических и электродинамических систем в чистых условиях.

Публикации можно посмотреть, перейдя по следующим ссылкам:

Google Scholar ID

Google Scholar ID

В рамках проведенных исследований был выполнен комплекс фундаментальных и прикладных работ, направленных на создание и оптимизацию электронно-оптических систем (ЭОС) с холодными полевыми эмиттерами для применения в гиротронах субтерагерцового диапазона. Полученные результаты закладывают основу для нового поколения компактных и энергоэффективных источников мощного когерентного излучения.

1. Создан и экспериментально исследован ряд перспективных полевых эмиттеров с уникальными свойствами.

Была проведена систематическая работа по синтезу, разработке и всесторонним испытаниям полевых катодов различных типов и морфологии, что позволило установить взаимосвязь между их структурой и эмиссионными характеристиками:

Многоострийные эмиттеры с металл-фуллереновыми защитными покрытиями: Исследованы эмиттеры с нанесенными наноструктурированными покрытиями, которые позволят увеличить проводимость и прочноть осрий и одновременно минимизировать воздействие ионной бомбардировки в условиях технического вакуума [Sominskii G. Formation of an Annular Electron Beam for Subterahertz Gyrotrons Using an Electron-Optical System with a Multitip Field Emitter / G. Sominskii, E. Taradaev, S. Taradaev, M. Glyavin, A. Zuev // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2024. – Vol. 71, No. 11. – P. 7056–7060; Taradaev E. Characteristics of an Annular Electron Flow Formed by an Electron Gun with a Field Emitter / E. Taradaev, G. Sominskii // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2022. – Vol. 69, No. 5. – P. 2675–2679; Taradaev E. The Influence of the Tips Geometry on the Formation of Electron Velocities in the Electron Flow / E. Taradaev, S. Taradaev, G. Sominskii // Proceedings of the 2024 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). – Saint Petersburg, 2024. – P. 371–374].

Многослойные и композитные полевые эмиттеры: Разработаны и опробованы эмиттеры, сконструированные из материалов с различной работой выхода. Это позволило целенаправленно управлять распределением электрического поля на поверхности катода.

Композитные эмиттеры на основе углеродных материалов: Впервые были синтезированы и исследованы катоды на основе терморасширенного графита (ТРГ) и его смесей с гранулами алмаза. Уникальная микроструктура ТРГ, сочетающая высокую плотность эмиссионных центров в сочетании с высокой теплопроводностью алмазных включений, позволила получить стабильную полевая эмиссию при высоких плотностях тока [Тарадаев Е. П. Формирование потока электронов электронно-оптической системой с композитным полевым эмиттером из терморасширенного графита и из смеси терморасширенного графита с гранулами алмаза / Е. П. Тарадаев, Г. Г. Соминский, С. П. Тарадаев, С. К. Гордеев // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2025. – Т. 18, № 1. – С. 103–110; Gordeev S. Electron Flows Formed by Electron-Optical Systems Using Composite Field Emitters Made of Thermally Expanded Graphite and Diamond–Graphite Mixtures / S. Gordeev, V. Sezonov, G. Sominskii, E. Taradaev, S. Taradaev // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2023. – Vol. 70, No. 10. – P. 5348–5352; Егорова А. В. Исследование характеристик электронных потоков формируемых электронно-оптической системой с полевым эмиттером из терморасширенного графита / А. В. Егорова, Е. П. Тарадаев, С. П. Тарадаев, Г. Г. Соминский // Неделя науки ИЭиТ: материалы Всероссийской конференции. – Санкт-Петербург, 2024. – С. 182–185].

2. Разработан и внедрен комплекс оригинальных методов диагностики электронных пучков [Taradaev E. Characteristics of an Annular Electron Flow Formed by an Electron Gun with a Field Emitter / E. Taradaev, G. Sominskii // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2022. – Vol. 69, No. 5. – P. 2675–2679; Taradaev E. Calculation of the Characteristics of the Electron Beam Formed by an Electron-Optical System with a Multi-Tip Field Emitter / E. Taradaev, G. Sominskii // 2021 22nd International Vacuum Electronics Conference (IVEC 2021). – 2021. – pp 1-2; Егорова А. В. Исследование характеристик электронных потоков формируемых электронно-оптической системой с полевым эмиттером из терморасширенного графита / А. В. Егорова, Е. П. Тарадаев, С. П. Тарадаев, Г. Г. Соминский // Неделя науки ИЭиТ: материалы Всероссийской конференции. – Санкт-Петербург, 2024. – С. 182–185].

Для диагностики и определения параметров формируемых электронных потоков, была создана и апробирована специализированная диагностическая аппаратура и программное обеспечение:

Пространственно-временная диагностика: Реализована методика анализа пространственного распределения плотности тока в электронном пучке с помощью люминофорных анализаторов, позволяющая визуализировать форму пучка (в частности, получить кольцевой пучок, необходимый для гиротрона) и его изучить пространственную однородность.

Энергетическая диагностика: Проведены прецизионные измерения энергетического спектра электронов в пучке с использованием энергоанализаторов задерживающего поля. Особое методологическое достижение — возможность проведения таких измерений не только в стационарном режиме, но и в режиме одиночных микросекундных импульсов, что позволяет исследовать динамические процессы в ЭОС.

Компьютерное моделирование [Taradaev E. Study of the Possibility of Reducing the Velocity Spread in the Electron Flow Formed by an Electron-Optical System with a Multi-Tip Field Emitter / E. Taradaev, G. Sominskii // 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). – 2021. – pp. 1-2; Taradaev E. Calculation of the Characteristics of the Electron Beam Formed by an Electron-Optical System with a Multi-Tip Field Emitter / E. Taradaev, G. Sominskii // 2021 22nd International Vacuum Electronics Conference (IVEC 2021). – 2021. – pp 1-2.]: Разработан специализированный программный комплекс для самосогласованного расчета электростатических полей, траекторий электронов и эмиссионных характеристик катодов. Моделирование позволило оптимизировать геометрию ЭОС и предсказать такие ключевые параметры, как первеанс и разброс по скоростям, с последующей экспериментальной верификацией.

3. Спроектирован, создан и испытан полнофункциональный макет гиротрона с рабочей частотой 140 ГГц [Sominskii G. Formation of an Annular Electron Beam for Subterahertz Gyrotrons Using an Electron-Optical System with a Multitip Field Emitter / G. Sominskii, E. Taradaev, S. Taradaev, M. Glyavin, A. Zuev // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2024. – Vol. 71, No. 11. – P. 7056–7060; Тарадаев Е. П. Токовые и скоростные характеристики электронных потоков, формируемых электронно-оптической системой с многоострийным полевым эмиттером / Е. П. Тарадаев, Г. Г. Соминский, С. П. Тарадаев // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2024. – Т. 17, № 1. – С. 64–70].

На основе полученных фундаментальных результатов осуществлен переход к прикладной реализации:

Разработана конструкция всех ключевых узлов макета, включая электронно-оптическую систему на основе многоострийного полевого эмиттера, систему формирования магнитного поля и резонатор гиротрона.

Проведена сборка макета и его всесторонние испытания. В ходе тестовых запусков были определены рабочие характеристики формируемого электронного потока (ток, форма, первеанс) и подтверждена его пригодность для возбуждения электромагнитных колебаний в заданном частотном диапазоне.

4. Экспериментально подтверждена принципиальная возможность генерации гиротрона с многоострийным полевым эмиттером [Тарадаев С. П. Разработка электронно-оптической системы с полевым эмиттером для использования в гиротроне 140 ГГц / С. П. Тарадаев, Е. П. Тарадаев, Г. Г. Соминский // Электроника и микроэлектроника СВЧ. – 2025. – Т. 1, № 1. – С. 200–204; G. Sominskii, E. Taradaev, S. Taradaev, M. Glyavin, A. Zuev, Experimental Study of a Gyrotron with a Multi-Tip Cold Field Emitter// IEEE TED (в печати) doi:10.1109/TED.2025.3631457].

Наиболее значимым прикладным результатом является демонстрация в лабораторных условиях режима генерации излучения на частоте 140 ГГц. Этот результат является прямым экспериментальным доказательством работоспособности и перспективности всей разработанной концепции использования полевых эмиттеров в гиротронах.

Проведенный цикл исследований позволил не только решить ряд конкретных научно-технических задач, но и сформировал обширную программу для дальнейших изысканий. Полученные результаты открывают широкие возможности для оптимизации материалов эмиттеров, создания ЭОС для гиротронов более высоких частотных диапазонов (вплоть до терагерцового), а также для разработки компактных и экономичных гиротронов с длительным сроком службы, востребованных в диагностических системах термоядерной плазмы и медицины.

Лаборатория поддерживает тесные научные связи с ведущими мировыми центрами гиротронной электроники. На постоянной основе ведется сотрудничество с Нижегородским Институтом прикладной физики РАН (ИПФ РАН) — головной организацией по мощным СВЧ-приборам в России. На международном уровне поддерживаются многолетние партнерские отношения с Karlsruhe Institute of Technology (KIT, Германия) — одним из основных европейских разработчиков гиротронных комплексов для УТС.