1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 45

1.2.1.2Методы улучшения энергетических характеристик гиромонотронов

Приведенные в 1.2.1.1 результаты расчетов эффективности взаимодействия спиральных электронных пучков

сволнами ТЕmq показывают, что при заданной длине L резонатора имеется оптимальное значение тока Iопт, при котором КПД максимален. При этом токе скорость нарастания мощности с увеличением тока близка к наибольшей, но выходная мощность далека от наибольшей достижимой.

При увеличении тока сверх Iопт КПД гиротрона снижается, а мощность до определенного значения тока растет, а затем, после насыщения, также начинает падать. Основной причиной этих эффектов является перегруппировка электронов в пучке под действием слишком большого высокочастотного поля резонатора. Для достижения максимальных энергетических характеристик необходима оптимизация профиля резонатора и осевого распределения магнит-

ного поля [18, 42–44].

Анализ показывает, что можно обеспечить эффективную группировку электронов, если она происходит при малых уровнях поля, но на более протяженных участках резонатора. При этом основная энергия высокочастотного поля должна быть сосредоточена на малом участке вблизи выходного конца резонатора – в области отбора энергии. Реализация оптимального распределения высокочастотного поля требует построения резонатора со специальным профилем, определяющим зависимость его радиуса от осевой координаты R(z). Приближено такое оптимальное распределение высокочастотного поля может быть реализовано в резонаторе, состоящем из двух цилиндрических отрезков с разными диаметрами и длинами – смотри рис. 10б, вместо обычных резонаторов – рис. 10а [43]. Участок резонатора малой длины L2 и

сбольшим диаметром D2 характеризуется меньшим уровнем

46	Глава 1

поля в области электронного пучка, что увеличивает КПД при больших токах, т.е. обеспечивает достижение одновременно высокой эффективности и высокого уровня выходной мощности.

Рис. 10

а) Осевые распределения электрического поля волны TEm, q в открытом резонаторе, часть которого является регулярным цилиндрическим волноводом.

б) Осевые распределения электрического поля волны TEm,q в резонаторе, состоящем из двух цилиндрических отрезков с разными диаметрами и длинами.

Экспериментальные исследования подтвердили возможность значительного улучшения энергетических характеристик гиротронов при оптимизации профиля резонатора. На рис. 11 представлены зависимости КПД и выходной мощности от тока пучка, определенные в результате измерений на двух гиротронах сантиметрового диапазона волн: с резонатором обычного профиля(рис. 10а) исдвухсекционным резонатором (рис. 10б). В гиротроне с регулярным резонатором (кривые а) при максимальной мощности Pout max=75 кВт величина КПД составила η=22%; в гиротроне с резонатором ступенчатого профиля (кри-

выеб) Pout max=110 кВт– η=38%.

Дляповышенияэффективностигирорезонансныхприборов успешноиспользуютсяфазовыеметоды, основанныенаприменении специального распределения магнитного поля в области

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 47

взаимодействия[44]. Этиметодыблизкикширокоприменяемым вприборахО-типа, такимкакфазовыенерегулярностивЗС. Теоретический анализ оптимального закона распределения осевого магнитного поля проведен в [44, 45] для гиротрона на гармониках частоты гирорезонанса n=1, 2, 3. Расчеты проведены в приближении заданного поля при следующих упрощающих предположениях: частота высокочастотного поля ω близка к невозмущенной циклотронной частоте nΩ; используется слаборелятивистское приближение; предполагается оптимальная локализация трубчатого электронного пучка в электрическом поле цилиндрического резонатора; принято гауссово продольное распределение электрического поля. Анализируется случай малых изменений магнитной индукции вдоль оси прибора B(z)=B0F(z), F(z)=1+Δϕ(z), <<1. При этом в уравнении движения не учитываются поперечные составляющие магнитного поля.

Рис. 11

Экспериментально определенные зависимости выходной мощности (сплошные кривые) и КПД (пунктир) от тока пучка для гиротронов с регулярными цилиндрическими резонаторами (кривые а) и с двухсекционными резонаторами (кривые б).

В результате численного решения уравнения движения и уравнения, определяющего КПД взаимодействия спирального электронного потока с высокочастотным полем при n=1 определяется зависимость F(z), обеспечивающая наиболее эффективную группировку и максимальный отбор энергии от пучка [45].

На рис. 12 приведены оптимальная зависимость текущего поперечного КПД η (z) в гиротроне с гауссовым распределением высокочастотного поля и с оптимальным

48 Глава 1

закономраспределения магнитного поля – кривая 1. Для сопоставления результатов взаимодействия при других законах распределения высокочастотного и магнитостатического полей приведены также зависимости η (μz) (μz=π[v2 / v||с]×(z / λ) ) для случаев равномерного магнитно-

го поля вдоль оси – F(z)=1 и гауссового распределения высокочастотного поля – кривая 2, равномерного распределения магнитного и высокочастотного полей – кривая 3. Из приведенных графиков следует, что максимальный поперечный КПД гиротрона с оптимальной коррекцией распределения магнитного поля достигает 70%. Применение однородного магнитного поля при прочих равных условиях приводит к снижению η max более чем на 30%. При однородном распределении магнитного и высокочастотного полей происходит снижение эффективности, и η max не превышает 40%. Коррекция распределения магнитного поля при гауссовом распределении электрического ВЧ поля позволяет повысить поперечный КПД гиротрона при n=1, 2, 3 более чем в 1,3 раза.

Рис. 12

Зависимости орбитального КПД от параметра длины η (μz) для случаев оптимального распределения магнитного поля вдоль оси и гауссового распределения электрического поля – кривая 1, равномерного распределения магнитного поля (F(z)=1) и гауссового распределения электрического поля (кривая 2), равномерного распределения магнитного и электрическогополей(кривая3).

Оптимальный закон F(z) характеризуется расположением максимума магнитной индукции в области (2 L/3) и пре-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 49

вышение поля в максимуме относительно среднего значения не превышает 3%. Проведенное в [45] экспериментальное исследованиегиротрона, в конструкции которого предусмотрена возможность изменения осевого распределения магнитного поля, подтвердилоосновныевыводытеоретическихоценок.

Принципы действия приборов гиротронного типа, позволяющие существенно расширить область эффективного взаимодействия электронов и высокочастотного поля, значительно увеличить мощность электронного пучка, устранить мелкоструктурные замедляющие системы, характерные для традиционныхЭВП, позволилиужевначале70-хгодоввмил- лиметровом диапазоне получить импульсные мощности порядка100 кВт.

Появилась реальная возможность применения гиротронных генераторов в реакторах с управляемой реакцией термоядерного синтеза. Это направление в настоящее время является основным, стимулирующим создание мощных гиротронных генераторов в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн. Так, в известном проекте Международного Термоядерного Экспериментального Реактора (МТЭР, в англоязычной литературе – ITER) предполагается применение гиротронов в диапазоне частот 140–200 ГГц, с мощностью отдельного прибора свыше 1 МВт при длительности импульса 2–1000 с (т.е. фактически прибора непрерывного действия). КПД таких приборов должен превышать 50% [46].

Гиротронные генераторы для применения в МТЭР разрабатываются в России, в США, Японии, в Европе. Общим в этих разработках является существенное увеличение поперечных размеров резонаторов и мощности электронного пучка. Увеличение размеров резонатора достигается применением, в качестве рабочих, высших типов колебаний ТЕmq со значительными азимутальными и радиальными индексами m=25–30, q=5–10. Благодаря применению типов