Коаксиальные гиротроны являются перспективными источниками микроволнового излучения в установках управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время активно ведутся теоретические исследования по разработке гиротронов нового поколения.

Актуальной задачей являлось исследование влияния шероховатости поверхности резонатора коаксиального гиротрона на рассеяние и поглощение СВЧ излучения на основе интегральных уравнений макроскопической электродинамики.

Мощность, необходимая для дополнительного нагрева плазмы в установках УТС с магнитным удержанием системами электронно-циклотронного нагрева, должен составлять более чем 2 МВт по длительности импульса порядка 10 мин. Однако, несмотря на значительные усилия, последние экспериментальные достижения для коаксиальных гиротронив остановились на длительности импульса гораздо меньшей, чем необходимо для УТС (∼ 10 ^–3 с). Одна из самых существенных причин является нагрев стенок резонатора до температуры в несколько сотен градусов в течение ∼ 10–3 с, что приводит к окислению и деформации поверхности. В результате проводимость поверхностного слоя падает, а его поверхность становится шероховатой. Это может привести к существенному увеличению поглощения и рассеяния СВЧ энергии стенками коаксиального резонатора, что в свою очередь и приводит к преждевременному срыву генерации.

 Применение интегральных уравнений макроскопической электродинамики к задаче рассеяния шероховатой диэлектрической поверхностью.

 Задача рассеяния электромагнитных и акустических волн шероховатой поверхностью является классической. К настоящему времени разработано более двадцати подходов к решению этой проблемы, и активные исследования в этом направлении продолжаются. Это связано с тем, что даже при современном уровне развития компьютерной техники точное решение общей трехмерной задачи рассеяния шероховатой поверхностью связано с почти непреодолимыми вычислительными трудностями.

 Большинство приближенных моделей основаны на условиях малости высоты шероховатостей и малости углов наклона образующей их профиля. Если первое условие выполняется во многих практически важных случаях, то вторая – нарушается. В частности, это касается и резонаторов СВЧ приборов.

 Для анализа процессов рассеяния и поглощения шероховатой диэлектрической поверхностью целесообразно использовать метод М.А. Хижняка, основанные на интегральных уравнениях. Он не содержит интегралов по поверхности шероховатого тела. Это позволяет построить эффективную приближенную итерационную схему решения при гораздо более слабых предположениях.

 Практическая реализация итерационной схемы в случае малых неровностей

 На каждом шагу итераций задача сведена к системе уравнений Винера-Хопфа, связанные только свободными членами и допускают аналитический рассмотрение.

 Аналитически получен и качественно проанализирован поправочный член, который приводит к появлению рассеянного излучения за счет шероховатостей.

 Уравнения применимы и в отсутствии падающей волны. Тогда они описывают известные поверхностные волны полупространства с отрицательным значением диэлектрической проницаемости.

 Качественный анализ полученных результатов

 Распространение поверхностных волн на шероховатой поверхности может быть исследовано без ограничений на профиль шероховатостей, тогда как существующие в настоящее время результаты были получены только для гладко-профильных поверхностей.

 Определено, что рассеяние на шероховатой диэлектрической поверхности существенно зависит от характерного масштаба неровностей вдоль поверхности. При масштабах порядка длины волны и больше энергия падающего излучения преимущественно рассеивается в окружающее пространство. При меньших λ масштабах энергия преимущественно трансформируется в поля поверхностного типа, что может приводить к существенному поглощения поверхностью. Указанные эффекты растут с ростом импеданса Z поверхности.

 Применение теории расчетам эффективности гиротрона

 Выполнен расчет выполненный методами разработанной теории для типичного сценария запуска гиротрона для моды ТЕ (рис. 1).

 Как видно из кривой 3 Рис. 1, шероховатость поверхности резонатора приводит к преждевременному срыву генерации.

 Полученные результаты позволят сделать более реалистичными оценки мощности рассеянного излучения и омических потерь в коаксиальном резонаторе гиротрона, а также их влияния на работу гиротрона.