Институт ядерных исследований
В России мощные импульсные гиротроны для применения в устройствах ECRH производятся компанией НПП "Гиком" консорциумом, в который входят Институт ядерных исследований им. Курчатова (г. Москва), Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), партнеры электровакуумной промышленности в России.
В Японии мощные гиротроны создаются совместными усилиями фирмы Тошиба и Института по исследованию атомной энергии (JAERI).
В США разработку большей части коммерческих гиротронов осуществляет фирма CPI (Communcaton Power Industry), ранее фирма Varan Assocates.
Ограничения по уровню выходной мощности, длительности импульса связаны в большинстве гиротронов с проблемами окна вывода мощности. Во всех приведенных в таблице гиротронах применен внутренний преобразователь типов колебаний. формирующий в области окна гауссов волновой пучок с уменьшенными плотностями мощности. Вне гиротрона применяются зеркала для формирования потока энергии с модой ТЕМ. В российских гиротронах 50 для создания окон вывода мощности применены одинарные пластины из нитрида бора с принудительным охлаждением по периметру. отличающиеся значительной инерционностью. Увеличение длительности импульса. вплоть до реализации непрерывного режима. требует применения диэлектрических пластин. обладающих значительно большей теплопроводностью. В связи с этим при разработке гиротрона непрерывного действия с мощностью 1МВт на частоте 110 ГГц 52 рассматривается применение CVD алмаза. выполненного химическим паровым осаждением (chemcal vapor deposton). Этот материал имеет теплопроводность 1800 Вт/мК. т.е. является более теплопроводным в 7 раз. чем самая теплопроводящая керамика окись бериллия.
Основные характеристики гиротронов, разработанных в России, США, Японии специально для применения в промышленности.
При разработке гиротронов для промышленности преследовалась цель уменьшения их размеров и веса. Приборы работают на второй гармонике частоты циклотронного резонанса, что уменьшает требуемую величину магнитной индукции B0 и позволило в японском гиротроне применить магнитную систему на постоянных магнитах. Ведутся исследования по созданию гиротронов на третьей и четвертой гармониках. однако. КПД таких приборов оказывается существенно ниже. В российском и американском гиротронах применяются магнитные системы с принудительным жидкостным охлаждением масляном и водяном соответственно. Все гиротроны используют цилиндрические резонаторы на рабочем типе колебаний ТЕ021, магнетронноинжекционные диодные электронные пушки с катодами в режиме температурного ограничения. Применяемые в этих приборах ЭОС позволяют.
Значительный интерес к гиротронным усилителям, таким как гироклистроны, гироЛБВ, гиротвистроны, определяется их высокими энергетическими характеристиками в импульсном и непрерывном режимах работы, широкой полосой усиливаемых частот, высоким коэффициентом усиления. Такие приборы являются мощными источниками когерентного электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне волн с высоким уровнем средней мощности, с возможностью формирования сложных СВЧ сигналов, отличающихся широким спектром, законами модуляции, такими как амплитудночастотная, кодовоимпульсная, фазоманипулированная, возможностью переключения стабильных частот в широком диапазоне и т.п. В возможности формирования сложных высокоэнергетичных СВЧ сигналов и состоит основная отличительная характеристика гироусилителей, важная для построения систем дальней радиолокации малых объектов с низким уровнем рассеяния электромагнитных волн. Применение гидроусилителей в современных радиолокационных передающих устройствах позволяет значительно увеличить дальность действия, разрешающую способность, помехозащищенность радиолокационных станций. Становятся реальными новые направления в радиолокации, такие как исследование метеообразований на значительных высотах, локация мелких объектов в космосе, определение траекторий астероидов и организация планетарной защиты, проведение исследований в радиоастрономии.
Другая важная область применения гидроусилителей связана с созданием линейных ускорителей. Основным требованием к этим гироусилителям является максимальная импульсная мощность в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах волн. Требования к диапазонным характеристикам оказываются несущественными и поэтому в ускорителях находят применение гироклистроны, гиротвистроны и не находят применение гироЛБВ. Требования к уровню средней мощности и к ширине полосы усиления значительно ниже, чем для усилителей в системах радиолокации. В то же время требования к уровню импульсной мощности для применения в современных ускорителях с энергией единицы ТэВ значительно превышают достижимые значения традиционных клистронов.
Принципы действия и принципиальные схемы построения гироусилителей полностью аналогичны применяемым в усилителях с линейным электронным пучком. В гироклистронах применяются стоячие волны в двух или большем числе резонаторов, как в классических клистронах; в гироЛБВ применяется режим бегущей волны в высокочастотной системе, так же, как в ЛБВ; в гиротвистроне, как и в твистроне, группировка электронов производится в поле стоячей волны, а отбор энергии происходит в поле бегущей волны.
Построение гироусилителей требует решения задач оптимизации режимов работы и конструкций электродинамических, электроннооптических систем с целью достижения максимальных энергетических и диапазонных характеристик.
Для увеличения КПД и уровня мощности выходного сигнала применяются в основном те же методы, что и для гиротронов размещение спирального электронного пучка в области максимального поперечного электрического поля рабочего типа волы, оптимизация профиля резонатора или волноводной секции, оптимизация продольного изменения магнитного поля.
В связи с требованием большого коэффициента усиления возникает дополнительная задача обеспечения высокой стабильности выбранных режимов работы гироусилителей. Нарушение стабильной работы связано с возникновением паразитного самовозбуждения всего усилителя или отдельных его узлов. Так же, как и в усилителях с прямолинейным электронным пучком, требование стабильности является важнейшим в гироусилителях, ограничивающим достижимые высокочастотные характеристики.
В гироЛБВ основными причинами, приводящими к нарушению стабильной работы, являются: а) возникновение паразитных обратных связей в волноводных секциях усилителя, вызванных недостаточным согласованием высокочастотных цепей; б) возбуждение обратной волны в волноводных секциях гироЛБВ; в) гиротронное взаимодействие спирального электронного пучка с нерабочими типами колебаний в высокочастотной системе и на гармониках циклотронной частоты 53.
В гироклистронах нестабильности могут возникать в областях прохождения спирального электронного пучка в электронной пушке, в трубках дрейфа между резонаторами, непосредственно в резонаторах на паразитных частотах, в согласующем переходе после выходного резонатора и т.п.
Похожие статьи:
