Основні механізми обмеження потужності та ККД коаксіальних гіротронів
В даний час коаксіальні гіротрони є одними з найбільш перспективних джерел мікрохвильового випромінювання, які можуть бути використані в сучасних та майбутніх установках керованого термоядерного синтезу (КТС). Дослідження властивостей та факторів, що впливають на потужність та ККД гіротрона, є актуальним завданням.

Рисунок 1 – Резонатори поздовжньо неоднорідних хвилеводів

На основі загальної теорії поздовжньо неоднорідних хвилеводів з імпедансними стінками були досліджені основні механізми обмеження потужності в коаксіальних гіротронах.

Вперше отримана система нелінійних скорочених рівнянь гіротрона з самопогодженим та математично коректним врахуванням лінійної конверсії мод та омічних втрат у коаксіальному резонаторі.

Показано, що лінійна конверсія робочої моди коаксіального гіротрона (TE
34,19) у радіальні сателіти TE
34,18 та TE
34,20, а також омічні втрати в стінках коаксіального резонатора призводять до помітного зниження добротності робочої моди. При цьому частота та розподіл полів у резонаторі змінюються несуттєво.

Лінійна конверсія мод та омічні втрати в стінках резонатора помітно впливають на сценарій конкуренції мод при запуску гіротрона, а також на вихідну потужність та ККД у стаціонарному режимі генерації. Ступінь цього впливу істотно залежить від параметрів електронного пучка і, перш за все, від пітч-фактора та прискорювальної напруги.

При малих пітч-факторах α ≤ 1 та помірних значеннях прискорювальної напруги V ≤ 75 кВ) конверсія та омічне затухання мод призводять до зниження вихідної потужності та ККД генерації більш ніж на 20%. При певних значеннях зовнішнього магнітного поля це веде до передчасного зриву генерації, що якісно збігається з результатами експериментів.

При великих значеннях напруги V ≥ 80 кВ та великих пітч-факторах α ≥ 1.2 ефекти конверсії та омічного затухання мод можуть призвести до збільшення вихідної потужності та ККД, а також до розширення області резонансної взаємодії моди з пучком. Слід зауважити, що ефекти збільшення потужності основної моди під впливом конкуруючих мод спостерігалися в гіротронах і раніше (так звана кооперація мод).

Отримані результати можуть бути дуже корисними для концептуального дизайну нового покоління коаксіальних гіротронів для майбутнього проекту КТС — ДЕМО.