Владимир Евгеньевич Запевалов

Доктор физико-математических наук,
главный научный сотрудник отдела электронных приборов ИПФ РАН
Родился 30 ноября 1949 года в г. Бор.

Фрагмент из воспоминаний. Полная версия

70-80-е годы. С кем посчастливилось работать

Числился я в университете, но, начиная с 1972 года, работал больше в НИРФИ, а затем в ИПФ АН. Здесь на втором этаже четвёртого корпуса и сегодня моё рабочее место. Работа по большей части носила экспериментальный характер, но иногда приходилось заниматься и расчётами.

Практически всеми составляющими гиротронов я занимался под руководством Шулима Ефимовича Цимринга. Он родился в Пензе и сначала работал там, потом переехал в Саратов. Оттуда его к себе на кафедру электроники забрал Виктор Иванович Гапонов. У нас Цимринга считали саратовцем, в Саратове – жителем Пензы или горьковчанином. У него осталось много друзей и коллег в Саратове, где в это время находился один из основных центров отечественной электроники СВЧ. Это давало нам возможность поддерживать контакты с наиболее яркими представителями Саратовского университета и предприятий электронной промышленности.

Руководителями отдела, который занимался гиротронами в НИРФИ, был сначала Андрей Викторович Гапонов, а потом Валерий Константинович Юлпатов. Игорь Иванович Антаков был заместителем заведующего отделом, всю текущую работу по экспериментам тянул. Это он обнаружил в трохотроне неожиданный эффект, понимание которого вывело на создание гиротрона. С нами работали Кораблев Геннадий Семенович, Павельев Владимир Геннадьевич. Павельев был по совместительству доцентом университета. Ещё был Гинцбург Владимир Александрович, яркий специалист высокой квалификации. (По рассказам, его предки вложились в развитие российских железных дорог и были пожалованы баронским титулом в царское время). Рядом трудились замечательные коллеги и профессионалы своего дела Евгений Васильевич Засыпкин, Евгений Васильевич Соколов, Евгений Герасимович Авдошин и Альберт (к сожалению, не помню отчество, кажется Васильевич) Мельников.

Петелин Михаил Иванович сначала работал у нас, но потом возглавил другой отдел. Он часто заходил к нашим соседям по экспериментальному залу. Аркадий Львович Гольденберг проводил эксперименты на соседней установке, получая рекордные результаты. Вместе с Быковым Юрием Владимировичем они делали мощную лампу, получили первый мегаватт мощности. Потом они много занимались приложениями гиротронного излучения.

Наша группа осваивала возможность создания гиротронов на второй гармонике. Для этого случая необходимо либо меньшее магнитное поле, либо можно достичь большей частоты при том же магнитном поле. В итоге возможно получить или более коротковолновое излучение, или более эффективный и дешёвый прибор. Мы с Кораблёвым и Павельевым работали своими средствами и подходами над освоением «субмиллиметрового провала» с использованием гиротронов на гармониках. Колебания на второй гармонике сначала развиваются при повышении мощности винтового электрического пучка (ВЭП), но в какой-то момент как бы «срываются» и продолжаются уже на первой гармонике с меньшей частотой. Это проявление того, что называется конкуренцией колебаний в гиротроне. Долгое время никто не понимал, почему так происходит и как с этим бороться. Представьте, что вы лезете вверх по лестнице и упираетесь в крышку над головой. Нужно было открыть эту «крышку», чтобы двигаться дальше. В итоге мы нашли несколько подходов и смогли дальше повышать частоту и мощность гиротронов на второй гармонике. В понимании процессов взаимодействия в резонаторах гиротрона нам помогали теоретики Григорий Семенович Нусинович, Владимир Львович Братман и Марк Андреевич Моисеев.

Опираясь на свой опыт, скажу, что гиротрон на первой гармонике – это наука. Вы рассчитываете нужные параметры, аккуратно собираете, и всё хорошо работает. А гиротрон на второй гармонике, зачастую, это искусство. Там есть тонкости, которые надо буквально чувствовать и тонко корректировать. Наш подход и разработанные методики для гиротронов на второй гармонике оказался эффективным, а дальше мы смогли применить этот опыт и для гиротронов на первой гармонике.

Остальная часть группы Цимринга занималась электронной оптикой для формирования ВЭП для всей гиротроники. Авдошин начинал с Гольденбергом разрабатывать методику измерений разных параметров винтовых электронных пучков, активной среды гирорезонансных мазеров. Они на магнетронных пушках в моделирующем режиме, при сохранении конфигурации электронных траекторий изучали свойства винтовых пучков. Евгений Герасимович Авдошин потом перешёл на Ленинский завод. А к нам пришёл Варенцов Владимир Александрович. Сначала он занимался электронными пучками, потом перешёл в группу Антакова, а затем перебрался в Москву в НПП «Торий». Ещё чуть позже добавился Сергей Александрович Малыгин, тоже из дипломников Цимринга. Мы с ним много и плодотворно работали и по электронной оптике, и по электродинамике гиротронов. Потом он перешёл в НПП, «Салют», где продолжал работу с гиротронами. Наше сотрудничество не прекратилось после его перехода, а приобрело немного другую форму. Он приезжал к нам, я бывал у них, мы обсуждали проблемы и находили совместно новые решения. Сергея Александровича отличал очень скрупулёзный подход к работе, тщательная проработка деталей. К сожалению, прожил он довольно мало, но его многие помнят с большой теплотой.

После ухода Варенцова нам самим потребовалось заняться электронной оптикой. Когда у кого-то лампа гиротрона плохо работала, говорили: «Это пучок плохой». А что значит плохой? Вот мы и решили померить прямо в лампе, где он образуется, а не на отдельной установке, совсем в других условиях. Поставили туда анализатор, типа того, что разработан Авдошиным-Гольденбергом, и обнаружили много непонятного. Пришлось более тесно взаимодействовать с теоретиками ВЭП. Был ещё в нашей группе хороший человек, который рассчитывал эти винтовые пучки – Владимир Кузьмич Лыгин. Он ушёл из жизни до обидного рано – в 60 лет. Чуть позже, параллельно этим занимался Владимир Николаевич Мануилов, он сейчас профессор в университете.

В итоге сопоставления мы обнаружили, что расчётные и измеряемые величины, характеризующие ВЭП, похожи, но не одинаковы. После некоторой модификации методики экспериментов и обработки расчётных данных оказалось возможным адекватное сопоставление теории с экспериментом. Теоретики стали считать примерно те величины, с которыми мы можем сравниваться. И всем стало понятнее, в какую сторону двигаться, на что воздействовать. Параллельно улучшалась техника экспериментов. В итоге мы получили методику улучшения характеристик для систем формирования ВЭП и минимизации негативных эффектов. После этого стало понятно, за какие эффекты ответственны недостаточно хорошие ВЭП, а для каких надо искать другие причины.

Тут можно сделать небольшое примечание о разнице в подходах теоретиков и экспериментаторов. Теоретики имеют дело с моделью физического явления, очищенной от посторонних эффектов. Как правило, теоретики полностью верят результатам экспериментов, поскольку мало представляют, как они получены. Экспериментаторы имеют дело с явлением во всём его многообразии, хотя стремятся наблюдать поведение объекта, поставленного в контролируемые условия, и измерить требуемые характеристики. Какова степень контроля – это всегда вопрос, поэтому экспериментаторы всегда критически относятся к результатам эксперимента. Большинство экспериментаторов – люди в той или иной мере суеверные, хотя и скрывают это, у каждого из них есть какой-то список «ритуалов», что можно и что нельзя делать при подготовке и проведении эксперимента, когда можно включать установку и так далее. Например, почти все подберут монетку орлом вверх, как предвестник удачного эксперимента, и не тронут решку…

На пути к промышленным гиротронам

Диссертацию я защитил довольно поздно, в 1985 году. Она была посвящена гиротронам на второй гармонике. После защиты Валерий Александрович Флягин пригласил меня перейти в ИПФ АН. Сказал: «В университете тебе всё равно делать нечего». Да, преподавателей там и без меня хватало. Был выбор – либо сюда, либо в «Салют». Флягин рассудил: «В «почтовый ящик» ты всегда успеешь». Там был более жёсткий режим работы и ездить дальше. Я согласился – тем более, что что мне нравился коллектив и задачи были интересные.

Почти одновременно со мной в ИПФ РАН пришёл Андрей Николаевич Куфтин, он был дипломником Цимринга. Его активность позволила существенно усилить экспериментальную деятельность. Отдел тогда возглавлял Валерий Александрович Флягин. Геннадий Семенович Кораблёв в это время ушёл в релятивистскую электронику. Освободились некоторые стенды. В те годы прошла реконструкция, часть стендов убрали, чтобы разместить институтский вычислительный центр. Какие-то помещения у нас забрали, какие-то, наоборот, добавили.

В конце 1980-х потребовалось разработать новое поколение гиротронов для УТС (на первой гармонике) на более высокую частоту, мощнее и эффективнее. Мы начали работу с криомагнитами. Они могли создавать более сильное магнитное поле. Цель была – создать лампу на 83 ГГц для Курчатовского института. До этого у них были приборы на 300 кВт, на 400, а они хотели 500 кВт. Нужно было создать прототип, чтобы потом изготовить новый гиротрон в «Салюте». По-прежнему мы работали с Шулимом Ефимовичем Цимрингом. Сергей Николаевич Власов нас консультировал по электродинамике.

Лампу для лабораторного макета мы задумали разборную и к ней много дополнительных диагностик. Чтобы можно было при необходимости поменять резонатор, катоды и т.п. Были у коллег возражения: «Все без этого обходятся. Посчитали – сделали. Зачем вы тут всё измерять собираетесь? Только лишняя работа». Но мы считали, что это целесообразно, а руководство не возражало, полагая, что мы знаем, что делаем. Построили разборный экспериментальный макет с непрерывной откачкой, несколько видов пушек, и после измерений свойств, формируемых ВЭП, выбрали две наиболее перспективные. Расчёты пушек выполнил Владимир Кузьмич Лыгин, а расчёты резонаторов и процессов взаимодействия – я, поскольку постеснялся беспокоить крутых теоретиков, а сам вполне справлялся с этим. Попробовали несколько резонаторов, причём довольно простых, чтобы они были хорошо воспроизводимы на промышленном оборудовании. Мы готовили прототип не уникального прибора, а серийного. В итоге от экспериментального макета мы получили КПД свыше 50%. И все слегка обалдели: до этого 35% были за праздник. Это случилось примерно в 1988 году.

Потом работали над внешним преобразователем с помощью Сергея Николаевича Власова. Там случались успехи и неудачи. Оказалось, что донести до преобразователя излучение, не «попортив», довольно сложно, ведь увеличился пробег пучка, и каждая неоднородность норовила подпортить его. Нужно было менять конструкцию лампы, переходить от внешнего преобразователя к внутреннему. Изготовили новый макет уже со встроенным преобразователем. Курчатовцы в итоге получили гиротрон из «Салюта», которые сделали неразборный прибор чуть похуже, но быстрее. Но мы приобрели хороший опыт. У нас появилась отработанная методика, которая позволила потом создать множество других гиротронов.

После этого были отработаны прототипы гиротронов с мощностью 0.5 и 1 МВт с частотами 110, 140, 170 ГГц. В одном из них был отработан новый тип преобразователя, предложенный Григорием Геннадьевичем Денисовым, Дмитрием Вадимовичем Виноградовым и Михаилом Ивановичем Петелиным (Международный патент!). После ряда экспериментов удалось уменьшить потери на преобразование в несколько раз. Опытно промышленные гиротроны на основе этого макета имели высокий КПД и отличались простотой эксплуатации. Они были поставлены в США (CPI) и Нидерланды (FOM-институт). Во время нашего визита в FOM, показывая эту лампу на рабочем стенде голландец сказал: «Это не гиротрон, а кусочек торта. Работать с ним одно удовольствие». Мне было приятно это слышать.

Всю историю можно прочитать по ссылке.