Принцип действия и назначение гиротронов
Гиротрон — это электровакуумный сверхвысокочастотный генератор, который представляет собой разновидность мазера на циклотронном резонансе.
Действие гиротрона основано на эффекте вынужденного излучения свободных электронов, которые помещены во внешнее магнитное поле и вращаются с циклотронной частотой, равной частоте излучения. С квантовой точки зрения, электрон, который помещен в магнитное поле, является гармоническим осциллятором, у которого уровни энергии являются уровнями Ландау. Данные уровни эквидистанты (при нерелятивистском приближении), то есть вероятности резонансного поглощения излучения электронами и его вынужденного излучения равны друг другу, поэтому генерация излучения невозможна. Существует несколько способ для разрушения такого равенства, однако, в гиротронах используется неэквидистантность уровней, которая обусловлена релятивистскими эффектами. В большинстве случаев скорость электронов не превышает скорость света, поэтому неэквидистантность мала. Для того, чтобы существовала возможность генерации необходимо, чтобы линии излучения и поглощения были узкими. Такого эффекта возможно добиться в резонаторах, которые функционируют вблизи критической частоты, волновой вектор волны в этом случае перпендикулярен магнитному полю, поэтому почти отсутствует эффект Доплера. Таким образом реализуется схема вынужденного излучения в системе с неэквидистантным спектром, такая же, как в мазерах и лазерах на атомах.
Энергетический уровень — это собственные значения энергии квантовых систем.
С классической точки зрения процесс генерации в гиротронах можно объяснить неустойивостью пучка, который вращается в магнитном поле электронов при наличии электромагнитной волны на резонансной частоте, что приводит к фазовой группировке электронов и усилению волны. В данном случае условие для фазового синхронизма выражается следующим образом:
$w-k||v|| = swс$
где: w – частота излучения; wc – циклотронная частота; к|| - продольный волновой вектор излучения; v - скорость электронов; s = 1,2
В гиротронах вышеназванное условие выполняется благодаря работе на частотах, которые близки к критическим частотам резонатора.
Важной составляющей гиротрона является источник электронов — катод. Для того, чтобы электроны могли эффективно отдавать собственную энергию излучения, а также обладали существенными поперечными скоростями необходимо, чтобы у электронов имелись поперечные плоскости, что достигается только в том случае, если на поверхности катода есть большое электрическое поле, которое должно быть поперечно магнитному полю. Именно поэтому катод, входящий в состав гиротрона, работает на расстоянии от режима насыщения пространственным зарядом.
Начальное применение гиротронов заключалось в наблюдении эффекта самофокусировки сверхвысокочастотных волн в плазме. В настоящее время основное применение гиротронов — нагрев плазмы в установках термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. Еще одно применение гиротронов заключается в их использовании в качестве инструмента быстрого нагрева при обработке керамики и стекла.
Основные характеристики гиротронов
К основным характеристикам и параметрам современных гиротронов можно отнести:
- Частоту, на которой генерируется излучение.
- Мощность излучения.
- Коэффициент полезного действия.
В настоящее время современные и мощные гиротроны, используемые в термоядерных установках, способны генерировать излучение в диапазоне частот от 30 до 170 гигагерц и мощностью до 1 мегаватта, при этом коэффициент полезного действия 30-40%, в импульсах длительность составляет сотни секунд. Релятивистские гиротроны способны генерировать излучение, мощность которого может достигать 10 мегаватт. Изобретение и внедрение сделали возможным освоение всего диапазона миллиметровых волн на высоких уровнях с коэффициентом полезного действия 30-40%. Данное достижение перспективно для целого ряда энергетических приложений, например, для нагрева плазмы в термоядерных установках. Ниже на рисунке представлена схема, которая демонстрирует процесс формирования высококачественного квазиоптического волнового пучка из сложной моды.
Рисунок 1. Процесс формирования высококачественного квазиоптического волнового пучка из сложной моды. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
На рисунке ниже представлена схема гиротрона — автоматического генератора.
Рисунок 2. Схема гиротрона — автоматического генератора . Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
С точки зрения многомодовой теории выполняются численные расчеты резонансных частот и дифракционных добротностей паразитной и рабочей мод в коаксиальном резонаторе гиротрона.
Рисунок 3. График. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
На рисунке выше показано, что дифракционные добротности конкурирующих мод значительно зависят от внутреннего и внешнего продольных профилей радиусов резонатора.
