В настоящее время коаксиальные гиротроны являются одними из наиболее перспективных источников микроволнового излучения, которые могут быть использованы в современных и будущих установках управляемого термоядерного синтеза (УТС). Исследование свойств и факторов, влияющих на мощность и КПД гиротрона, является актуальной задачей.

 На основе общей теории продольно неоднородных волноводов с импедансными стенками были исследованы основные механизмы ограничения мощности в коаксиальных гиротронах.

 Впервые получена система нелинейных укороченных уравнений гиротрона с самосогласованным и математически корректным учетом линейной конверсии мод и омических потерь в коаксиальном резонаторе.

 Показано, что линейная конверсия рабочей моды коаксиального гиротрона (TE_34,19) в радиальные сателлиты TE_34,18 и TE_34,20, а также омические потери в стенках коаксиального резонатора приводят к заметному снижению добротности рабочей моды. При этом частота и распределение полей в резонаторе меняются несущественно.

 Линейная конверсия мод и омические потери в стенках резонатора заметно влияют на сценарий конкуренции мод при запуске гиротрона, а также на выходную мощность и КПД в стационарном режиме генерации. Степень этого влияния существенно зависит от параметров электронного пучка и, в первую очередь, от питч-фактора и ускоряющего напряжения.

 При малых питч-факторах α ≤ 1 и умеренных значениях ускоряющего напряжения V ≤ 75 кВ) конверсия и омическое затухание мод приводят к понижению исходной мощности и КПД генерации более чем на 20%. При определенных значениях внешнего магнитного поля это ведет к преждевременному срыву генерации, что качественно совпадает с результатами экспериментов.

 При больших значениях напряжения V ≥ 80 кВ и больших питч-факторах α ≥ 1.2 эффекты конверсии и омического затухания мод могут привести к увеличению исходной мощности и КПД, а также к расширению области резонансного взаимодействия моды с пучком. Следует заметить, что эффекты увеличения мощности основной моды под влиянием конкурирующих мод наблюдались в гиротронах и раньше (так называемая кооперация мод).

 Полученные результаты могут быть весьма полезными для концептуального дизайна нового поколения коаксиальных гиротронов для будущего проекта УТС — ДЕМО.