Ефекти лінійної конверсії мод у коаксіальних гіротронах та їх вплив на пучкові нестійкості мод і ККД коаксіальних гіротронів :: НВК ВДЕРТ

Ефекти лінійної конверсії мод у коаксіальних гіротронах та їх вплив на пучкові нестійкості мод і ККД коаксіальних гіротронів


На сьогоднішній день потужне міліметрове та субміліметрове випромінювання широко використовується в наукових, технологічних та промислових цілях. Використання випромінювання цих діапазонів є найбільш перспективним у спектроскопії, моніторингу біомолекул, телекомунікаційних технологіях, дослідженні та виробництві новітніх функціональних (мікро- та наноструктурних) матеріалів, удосконаленні засобів нагріву та діагностики плазми в установках керованого термоядерного синтезу (КТС), інфрачервоній астрономії, медицині (онкологія, стоматологія) тощо.

Традиційні електровакуумні джерела (лампи бігучої та зворотної хвилі, оротрони тощо) у цьому діапазоні надзвичайно малопотужні. Лазери та мазери на вільних електронах надзвичайно дорогі та громіздкі через необхідність використання прискорювачів електронів до високих енергій. Водночас гіротрони, які працюють на низькоенергетичних електронних пучках і мають компактні розміри та помірну вагу, здатні забезпечити необхідний рівень потужності випромінювання. Тому саме коаксіальні гіротрони перспективні для використання у вищезазначених та інших застосуваннях.

Одним із найважливіших і першочергових завдань у цій галузі є підвищення ефективності роботи гіротронів. Високий рівень дисипації енергії в резонаторах терагерцових гіротронів перешкоджає їх широкому використанню. У коаксіальних гіротронах для КТС механізми дисипації енергії недостатньо добре вивчені, що не дозволяє використати весь потенціал цієї конфігурації для досягнення рекордної (понад 2 МВт) потужності в режимі довгих імпульсів.

З метою вдосконалення математичного апарату аналізу параметрів ефективності коаксіальних гіротронів розроблено загальну теорію конверсії мод у нерегулярних хвилеводах із втратами

	Показано, що така теорія може бути побудована на основі розкладів за власними функціями самоспряжених задач Діріхле і Неймана для двовимірної області, яка є поперечним перерізом хвилеводу і залежить від поздовжньої координати як від параметра.

	Застосування отриманих скалярних розкладів до поздовжніх компонент електричного і магнітного полів дозволило отримати систему звичайних диференціальних рівнянь для коефіцієнтів розкладу. Вона розв'язувалася в різних наближеннях із використанням характерних параметрів резонаторів гіротронів.

Чисельно досліджено вплив конверсії мод на частоти, добротності, ККД, стартові струми та області генерації коаксіального гіротрона, який працює на моді ТЕ_34,19

	Ефекти конверсії мод призводять до незначного (порядку кількох десятків мегагерц) підвищення резонансної частоти робочої моди. Це підвищення зростає зі збільшенням кута розширення вихідної секції резонатора.

	Ефекти конверсії мод призводять до зменшення добротності робочої моди коаксіального гіротрона при номінальному значенні кута розширення вихідної секції. Зі збільшенням кута розширення зменшення добротності змінюється на збільшення, яке може досягати величини понад 10%.

	З урахуванням конверсії мод вихідна потужність і ККД коаксіального гіротрона змінюються неістотно. Однак цей висновок справедливий у межах суттєвої ідеалізації конструкції гіротрона (не враховувалася гофрація внутрішнього провідника і зв'язок ТЕ та ТМ поляризацій).

	Конверсія мод призводить до невеликого зсуву області генерації робочої моди і незначної зміни стартового струму (збільшення при малих і зменшення при великих прискорювальних напругах, див. рис. 1).

Рисунок 1 - Залежність стартового струму робочої моди 170 ГГц коаксіального гіротрона від прискорювальної напруги з урахуванням ефекту трансформації мод.