Фізичні механізми обмеження потужності коаксіальних гиротронів :: НВК ВДЕРТ

Фізичні механізми обмеження потужності коаксіальних гиротронів


Потужні безперервні гиротрони з резонатором, виконаним у вигляді слабо-неоднорідного коаксіального хвилеводу з гофрованим внутрішнім провідником, використовуються в установках керованого термоядерного синтезу. Також вони застосовуються для вирішення складних і наукоємних завдань спектроскопії, діагностики плазми та обробки матеріалів.

Дослідження затухання СВЧ-енергії в коаксіальному резонаторі з довільною формою гофра на внутрішньому провіднику

	На сьогодні найбільш перспективним вважається використання коаксіальних гиротронів у ЯМР-аналізі спектрів біологічних молекул і в діагностиці плазми на основі ефекту колективного томпсонівського розсіювання. Основною технологічною перешкодою на шляху створення високоефективних коаксіальних гиротронів для цих застосувань є затухання СВЧ енергії у внутрішньому провіднику. Омічні втрати в коаксіальному резонаторі можуть досягати до 80% енергії електронного пучка. Оскільки один із найбільш ефективних методів зменшення затухання СВЧ енергії на поверхні провідника ґрунтується на виборі спеціальної форми гофрів, було проведено дослідження впливу форми гофрів на затухання і поперечні хвильові числа конкуруючих мод.

	Розглянуто випадки прямокутної та клиноподібної форми гофрів з різним радіусом заокруглення ребер (див. рис. 1).

Рисунок 1 – Поперечний переріз коаксіального резонатора з гофрованим внутрішнім провідником: (a) - клиноподібні канавки (сторони спрямовані по радіусу) з гострими ребрами; (b) - прямокутні канавки із заокругленими ребрами

	Середня щільність омічних втрат у внутрішньому гофрованому провіднику для прямокутних і радіальних канавок із заокругленими ребрами збігається з точністю близько 5% зі значеннями, отриманими методом сингулярного інтегрального рівняння. Поперечні числа робочої моди практично не залежать ні від радіусу заокруглення ребер, ні від форми канавок при радіусах заокруглення в інтервалі від 0,001 мм до 0.08 мм. Таким чином, робоча частота і добротність робочої моди не залежать від радіусу заокруглення. Він впливає лише на локальне поле поблизу ребер (див. рис. 2).

Рисунок 2 – Розподіл поля \|Hz\| всередині і поблизу канавок прямокутної форми: (а) r₀ = 0.01 мм, (b) r₀ = 0.025 мм, (с) r₀ = 0.1 мм

	Для середнього поперечного перерізу резонатора ТЕ_34,19 коаксіального гиротрона розглянуто геометрію гофрів, у якій ширина канавок збільшується вглиб (див. рис. 3). Показано, що така форма гофрів призводить до зменшення затухання у внутрішньому провіднику, що залежить від ступеня розширення (див. рис. 4). При цьому рівень омічних втрат на нагрівання внутрішнього провідника може становити близько 40%.

Рисунок 3 – Форма канавки, ширина якої розширюється вглиб

Рисунок 4 – Розподіл поля \|Hz\| всередині і поблизу канавки, що розширюється вглиб при різних кутах γ: (а) γ = 1.35 рад, (b) γ = 1.46 рад, (c) γ = 90° (прямокутна канавка), (d) радіальна канавка.

	Поперечні хвильові числа для конкуруючих мод гиротрона у випадку коаксіального резонатора з розширюваними вглиб канавками на внутрішньому провіднику не суттєво змінюються порівняно з випадком прямокутних канавок. Це свідчить про те, що селективні властивості коаксіального резонатора з гофрованим внутрішнім провідником не залежать від форми гофрів, що дає змогу оптимізувати її для зменшення омічних втрат без впливу на конкуренцію між робочою і паразитними модами коаксіального гиротрона.

Дослідження впливу плазми на електромагнітні властивості резонаторів коаксіальних гиротронів

Фонова плазма виникає в резонаторах потужних гиротронів внаслідок ударної іонізації фонового газу пучком електронів. Підтвердженням цього є спостережувана в експериментах нейтралізація об'ємного заряду пучка. Фонова плазма здатна змінити електромагнітні властивості резонатора. Модифікація власних частот і розподілу власних полів резонатора може вплинути на взаємодію пучка електронів з робочою хвилею гиротрона і в результаті змінити ККД генерації. Тому при розробці та оптимізації роботи сучасних гиротронів виникає необхідність урахування присутності плазми в резонаторі.

	Побудовано альтернативну теорію для дослідження впливу плазми на електромагнітні властивості резонатора гиротрона, яка справедлива за довільної густини плазми.

	Показано, що отримані рівняння повністю збігаються з традиційними рівняннями гиротрона в холодному наближенні і можуть бути успішно застосовані при побудові лінійної та нелінійної теорії не лише для гиротрона з плазмою, а також для урахування поширення хвиль просторового заряду у вакуумному резонаторі гиротрона.

	Отримано дисперсійне рівняння, яке описує вплив плазми на резонансні частоти коаксіального гиротрона з гладким внутрішнім провідником.

	Показано, що плазма призводить до зниження робочої частоти коаксіального гиротрона (див. рис. 5).

Рисунок 5 – Залежність нормованої критичної частоти від густини плазми

	Отримано і досліджено аналітичний вираз для погонної енергії коаксіального гиротрона з магнітоактивною плазмою.

	Досліджено вплив плазми на теплові навантаження на стінки резонатора і показано, що вони зменшуються зі зростанням густини плазми в резонаторі. Відповідно, при цьому зменшується ймовірність пробою.