Гиротроны

2.2 Гиротроны

Современные мощные гиротроны для термоядерных исследований способны генерировать на частотах 30–170 ГГц излучение мощностью до 1 МВт с КПД 40–50 % в импульсах длительностью до сотен секунд. Излучают волны с частотами 20-1300 ГГц. Мощность — от кВт до 1-2 МВт. Релятивистские гиротроны могут генерировать излучение мощностью до 10 МВт.

Гиротроны позволили освоить весь диапазон миллиметровых волн на высоких уровнях мощности (~1 МВт в импульсном и сотни кВт в непрерывном режимах) с кпд ~ 30-40%. Это делает их перспективными для ряда энергетических приложений, в частности для нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.

Схема, демонстрирующая, как из сложной моды, генерируемой в резонаторе мегаваттного гиротрона (справа внизу) с помощью системы профилированных зеркал, формируется высококачественный квазиоптический волновой пучок (справа вверху).

Рис. 2. Схема гиротрона - автогенератора.

В рамках многомодовой теории выполнены строгие численные расчеты резонансных частот и дифракционных добротностей рабочей и паразитных мод в коаксиальном резонаторе 2 МВт 170 ГГц гиротрона:

Показано, что дифракционные добротности конкурирующих мод существенно зависят от продольных профилей внешнего и внутреннего радиусов резонатора;

Разработаны рекомендации по селективному подавлению наиболее опасных паразитных мод путем модификации геометрии коаксиального резонатора;

Показано, что наблюдаемое в экспериментах заострение сценария конкуренции мод в резонаторе коаксиального гиротрона объясняется влиянием высших пространственных гармоник.

3. Принцип работы

3.1 Магнетроны

Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещеных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра - в конкретном случае по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается, и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу, только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с ВЧ-полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

3.2 Гиротроны

При движении электронов в магнитном поле H0 по винтовым траекториям взаимодействие электронов с электромагнитной волной, распространяющейся вдоль магнитного поля E , происходит при выполнении условия циклотронного резонанса (синхронизма), которое с учётом доплеровской поправки имеет вид:

Здесь - постулат, скорость электрона вдоль магн. поля H11,ω - частота волны, - компонента волнового вектора k вдоль- циклотронная частота,- полная энергия, е - заряд электрона. Из (1) ясно, что при s >= 1 в МЦР отсутствует необходимость замедлять волну. Именно это обстоятельство, сближающее МЦР с квантовыми генераторами, и определяет его преимущества на миллиметровых и субмиллиметровых волнах перед традиционными СВЧ-генераторами - магнетроном, лампой бегущей волны (ЛБВ) и др., где для осуществления синхронизма необходимо движение электронов вблизи замедляющей системы.

В МЦР преобразование энергии стационарного электронного пучка в излучение оказывается возможным благодаря группировке частиц полем "затравочной" волны. Образующиеся электронные сгустки усиливают первичную волну (циклотронная неустойчивость). Такой индуцированный процесс происходит в МЦР вследствие: 1) зависимости w, от энергии электрона (неизохронность вращения), которая приводит к азимутальной группировке частиц, меняющих свою энергию в процессе взаимодействия с волной; 2) различия поступательных смещений, которые приобретают электроны, попавшие в разные фазы пространственно неоднородной волны; этот механизм приводит к продольной (вдоль H0) группировке частиц.

При слаборелятивистских энергиях электронов наибольшее распространение получили генераторные и усилительные разновидности гиротрона (рис. 2). В гиротроне электроны слабо взаимодействуют с полем нерегулярного волновода на частоте, близкой к критической, когда фазовая скорость волны. В таких условиях доплеровская поправка к частоте, , мала, благодаря чему снижается до минимума уширение спектральной линии (вызванное разбросом поступательных скоростей электронов) и тем самым повышается электронный КПД. Отсутствие замедляющей системы и возможность использования открытых резонаторов делают гиротроны мощными генераторами и усилителями диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Для реализации гиротронов КВ-части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов требуются интенсивные магнитные поля H0 ~ 100 кЭ, которые обеспечиваются криомагнитными системами или импульсными соленоидами.