Физические механизмы ограничения мощности коаксиальных гиротронов :: НПК ВИЭРТ

Физические механизмы ограничения мощности коаксиальных гиротронов


Мощные непрерывные гиротроны с резонатором, выполненном в виде слабо-неоднородного коаксиального волновода с гофрированным внутренним проводником, используются в установках управляемого термоядерного синтеза. Также они применяются для решения сложных и наукоемких задач спектроскопии, диагностики плазмы и обработки материалов.

Исследование затухания СВЧ-энергии в коаксиальном резонаторе с произвольной формой гофра на внутреннем проводнике

	В настоящее время наиболее перспективным считается использование коаксиальных гиротронов в ЯМР-анализе спектров биологических молекул и в диагностике плазмы на основе эффекта коллективного томпсоновского рассеяния. Основной технологической преградой на пути создания высокоэффективных коаксиальных гиротронов для данных приложений является затухание СВЧ энергии во внутреннем проводнике. Омические потери в коаксиальном резонаторе могут достигать до 80% энергии электронного пучка. Поскольку один из наиболее эффективных методов уменьшения затухания СВЧ энергии на поверхности проводника основывается на выборе специальной формы гофров, было проведено исследование влияния формы гофров на затухание и поперечные волновые числа конкурирующих мод.

	Рассмотрены случаи прямоугольной и клиновидной формы гофров с разным радиусом скругления ребер (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Поперечное сечение коаксиального резонатора с гофрированным внутренним проводником: (a) - клиновидные канавки (стороны направлены по радиусу) с острыми ребрами; (b) - прямоугольные канавки со скругленными ребрами

	Усредненная плотность омических потерь во внутреннем гофрированном проводнике для прямоугольных и радиальных канавок со скругленными ребрами совпадает с точностью около 5% со значениями, которые получены методом сингулярного интегрального уравнения. Поперечные числа рабочей моды практически не зависят ни от радиуса скругления ребер, ни от формы канавок при радиусах скругления в интервале от 0,001 мм до 0.08 мм. Таким образом, рабочая частота и добротность рабочей моды не зависят от радиуса скругления. Он влияет только на локальное поле вблизи ребер (см. рис. 2).

Рисунок 2 – Распределение поля \|Hz\| внутри и вблизи канавок прямоугольной формы: (а) r₀ = 0.01 мм, (b) r₀ = 0.025 мм, (с) r₀ = 0.1 мм

	Для срединного поперечного сечения резонатора ТЕ_34,19 коаксиального гиротрона рассмотрена геометрия гофров, в которой ширина канавок увеличивается вглубь (см. рис. 3). Показано, что такая форма гофров приводит к уменьшению затухания во внутреннем проводнике, зависящему от степени расширения (см. рис. 4). При этом уровень омических потерь на нагревание внутреннего проводника может составить около 40%.

Рисунок 3 – Форма канавки, ширина которой расширяется вглубь

Рисунок 4 – Распределение поля \|Hz\| внутри и вблизи канавки расширяющейся вглубь при разных углах γ: (а) γ = 1.35 рад, (b) γ = 1.46 рад, (c) γ = 90° (прямоугольная канавка), (d) радиальная канавка.

	Поперечные волновые числа для конкурирующих мод гиротрона в случае коаксиального резонатора с расширяемыми вглубь канавками на внутреннем проводнике несущественно меняются по сравнению со случаем прямоугольных канавок. Это свидетельствует о том, что селективные свойства коаксиального резонатора с гофрированным внутренним проводником не зависят от формы гофров, что делает возможной ее оптимизацию для уменьшения омических потерь без влияния на конкуренцию между рабочей и паразитными модами коаксиального гиротрона.

Исследование влияния плазмы на электромагнитные свойства резонаторов коаксиальных гиротронов

Фоновая плазма возникает в резонаторах мощных гиротронов вследствие ударной ионизации фонового газа пучком электронов. Подтверждением этого служит наблюдаемая в экспериментах нейтрализация объемного заряда пучка. Фоновая плазма способна изменить электромагнитные свойства резонатора. Модификация собственных частот и распределения собственных полей резонатора может повлиять на взаимодействие пучка электронов с рабочей волной гиротрона и в результате изменить КПД генерации. Поэтому при разработке и оптимизации работы современных гиротронов возникает необходимость учета присутствия плазмы в резонаторе.

	Построена альтернативная теория для исследования влияния плазмы на электромагнитные свойства резонатора гиротрона, которая справедлива при произвольной плотности плазмы.

	Показано, что полученные уравнения полностью совпадают с традиционными уравнениями гиротрона в холодном приближении и могут быть успешно применены при построении линейной и нелинейной теории не только для гиротрона с плазмой, а также для учета распространения волн пространственного заряда в вакуумном резонаторе гиротрона.

	Получено дисперсионное уравнение, которое описывает влияние плазмы на резонансные частоты коаксиального гиротрона с гладким внутренним проводником.

	Показано, что плазма приводит к снижению рабочей частоты коаксиального гиротрона (см. рис. 5).

Рисунок 5 – Зависимость нормированной критической частоты от плотности плазмы

	Получено и исследовано аналитическое выражение для погонной энергии коаксиального гиротрона с магнитоактивной плазмой.

	Исследовано влияние плазмы на тепловые нагрузки на стенки резонатора и показано, что они уменьшаются с ростом плотности плазмы в резонаторе. Следовательно, при этом уменьшается вероятность пробоя.