Эффекты линейной конверсии мод в коаксиальных гиротронах и их влияние на пучковые неустойчивости мод и КПД коаксиальных гиротронов :: НПК ВИЭРТ

Эффекты линейной конверсии мод в коаксиальных гиротронах и их влияние на пучковые неустойчивости мод и КПД коаксиальных гиротронов


В настоящее время мощное миллиметровое и субмиллиметровое излучения широко используется в научных, технологических и промышленных целях. Использование излучения данных диапазонов наиболее перспективно в спектроскопии, мониторинге биомолекул, телекоммуникационных технологиях, исследовании и производстве новейших функциональных (микро- и наноструктурных) материалов, усовершенствовании средств нагрева и диагностики плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза (УТС), инфракрасной астрономии, медицине (онкология, стоматология) и др.

Традиционные электровакуумные источники (лампы бегущей и обратной волны, оротроны и т.д.) в этом диапазоне чрезвычайно маломощны. Лазеры и мазеры на свободных электронах чрезвычайно дорогостоящи и громоздки из-за необходимости использования ускорителей электронов до высоких энергий. В то же время гиротроны, которые работают на низкоэнергетических электронных пучках и имеют компактные размеры и умеренный вес, способны обеспечить необходимый уровень мощности излучения. Поэтому именно коаксиальные гиротроны перспективны для использования в вышеприведенных и других применениях.

Одной из наиболее важных и первоочередных задач в данной области является увеличение эффективности работы гиротронов. Высокий уровень диссипации энергии в резонаторах терагерцовых гиротронов препятствует их широкому их использованию. В коаксиальных гиротронах для УТС механизмы диссипации энергии недостаточно хорошо изучены, что не позволяет использовать весь потенциал данной конфигурации для достижения рекордной (более 2 МВт) мощности в режиме длинных импульсов.

В целях совершенствования математического аппарата анализа параметров эффективности коаксиальных гиротронов развита общая теория конверсии мод в нерегулярных волноводах с потерями

	Показано, что такая теория может быть построена на основе разложений по собственным функциям самосопряженных задач Дирихле и Неймана для двумерной области, которая является поперечным сечением волновода и зависит от продольной координаты, как от параметра.

	Применение полученных скалярныых разложений к продольным компонентам электрического и магнитного полей позволило получить систему обыкновенных дифференциальных уравнений для коэффициентов разложения. Она решалась в различных приближениях с использованием характерных параметров резонаторов гиротронов.

Численно исследовано влияние конверсии мод на частоты, добротности, КПД, стартовые токи и области генерации коаксиального гиротрона, который работает на моде ТЕ_34,19

	Эффекты конверсии мод приводят к незначительному (порядка нескольких десятков мегагерц) повышению резонансной частоты рабочей моды. Это повышение увеличивается с ростом угла расширения исходной секции резонатора.

	Эффекты конверсии мод приводят к уменьшению добротности рабочей моды коаксиального гиротрона при номинальном значении угла расширения исходной секции. С ростом угла расширения уменьшение добротности сменяется на увеличение, которое может достигать величины более 10%.

	При учете конверсии мод исходная мощность и КПД коаксиального гиротрона меняются несущественно. Однако данный вывод справедлив в рамках существенной идеализации конструкции гиротрона (не учитывалась гофрировка внутреннего проводника и связь ТЕ и ТМ поляризаций).

	Конверсия мод приводит к небольшому сдвигу области генерации рабочей моды и небольшому изменению стартового тока (увеличению при малых и уменьшению при больших ускоряющих напряжениях, см. рис. 1).

Рисунок 1 - Зависимость стартового тока рабочей моды 170 ГГц коаксиального гиротрона от ускоряющего напряжения с учетом эффекта трансформации мод.