Жоғары жиілікті толқындарды тудыратын гиротрон құрылғысы

Кіріспе

Бұрынғы Монреаль ойын-сауық паркіндегі аттракцион.

Вакуумдық құбыр, жоғары жиілікті радио толқындарын тудырады.

Гиротрон – жоғары қуатты сызықтық сәулелі вакуумдық құбырлар класы. Олар күшті магнит өрісіндегі электрондардың циклотрон резонансы арқылы миллиметрлік толқынды электромагниттік толқындарды жасайды. Шығарылатын жиіліктер шамамен 20-ден 527 ГГц-ге дейін, микротолқыннан терагерц диапазонына дейінгі толқын ұзындығын қамтиды. Типик шығарылатын қуат ондаған киловаттан 1–2 мегаваттқа дейін жетеді. Гиротрондар импульстік немесе үздіксіз режимде жұмыс істеуге бейімделе алады. Гиротронды Нижний Новгород қаласындағы NIRFI институтындағы совет ғалымдары ойлап тапқан.

Принцип

Гиротрон – күшті магнит өрісі арқылы қозғалатын электрондардың циклотрон резонансы арқылы жоғары жиілікті электромагниттік сәулеленуді тудыратын еркін электронды мазердің түрі. Ол миллиметрлік толқын ұзындығында жоғары қуатты өндіре алады, себебі жылдам толқын құрылғысы ретінде оның өлшемдері сәулеленудің толқын ұзындығынан әлдеқайда үлкен болуы мүмкін. Бұл клистрон және магнетрон сияқты дәстүрлі микротолқынды вакуумдық түтіктерден өзгеше, онда толқын ұзындығы бір режимді резонанстық қуыспен, баяу толқындық құрылыммен анықталады. Осылайша, жұмыс жиілігі артқан сайын резонанстық қуыс құрылымдарының мөлшері кішіреюі керек, бұл олардың қуатты басқару мүмкіндігін шектейді. Гиротронда электрондық қарудың (1) бір жағындағы ыстық жіпшелі катодтан сақина тәрізді (қуыс түтікше) электронды сәуле (6) шығарылады, ол жоғары кернеулі тұрақты ток аноды (10) арқылы үдетіліп, содан кейін күшті осьтік магнит өрісінде үлкен түтікшелі резонанстық қуыс құрылымының (2) ішінде өтеді, бұл өріс әдетте түтіктің айналасындағы суперотказғыш магнитпен (8) жасалады. Бұл өріс электрондардың магнит өрісінің сызықтары бойында тығыз спиральдармен қозғалуына себеп болады, олар түтіктің бойымен жылжып бара жатқанда. Магнит өрісінің ең жоғары деңгейіне (2) жеткен жерде электрондар циклотрон резонанс жиілігінде түтіктің осіне параллель электромагниттік толқындарды сәулелендіреді. Миллиметрлік сәуле түтікте тұрған толқындарды құрайды, ол ашық резонатор ретінде әрекет етеді және сәулеге айналады. Сәуле режим түрлендіргіш (9) арқылы түрлендіріліп, айналармен (4) шағылыстырылады, олар оны түтіктің қабырғасындағы терезеден (5) микротолқынды толқын жетектерге (7) бағыттайды. Түтіктің соңындағы коллектор электрод пайдаланылған электронды сәулені сіңіреді (3). Басқа сызықтық сәулелі микротолқынды түтіктердегідей, шығыс электромагниттік толқындардың энергиясы электронды сәуленің кинетикалық энергиясынан келеді, бұл үдетілген анод кернеуіне байланысты (10). Резонанстық қуысқа дейінгі аймақта, магнит өрісінің күші артатын жерде, ол электронды сәулені қысып, бойлық дрейф жылдамдығын көлденең орбиталық жылдамдыққа айналдырады, бұл плазманы ұстау үшін қолданылатын магниттік айнадағы процеске ұқсас. Бұл техника 30-тен 300 ГГц-ге дейінгі жиіліктерді пайдаланады және лазерге қарағанда 1012 есе тиімдірек түрде тасқа энергияны жеткізеді. Лазерлерге буланған тау жыныстарының бұзылуы әсер етеді, бірақ бұл ұзын толқын ұзындығына олардың әсері аз. 1 МВт гиротронмен сағатына 70 метрге дейін бұрғылау жылдамдығына қол жеткізу мүмкін.

The gyrotron is a type of free electron maser that generates high frequency electromagnetic radiation by stimulated cyclotron resonance of electrons moving through a strong magnetic field. It can produce high power at millimeter wavelengths because, as a fast wave device, its dimensions can be much larger than the wavelength of the radiation. This is unlike conventional microwave vacuum tubes such as klystrons and magnetrons, in which the wavelength is determined by a single mode resonant cavity, a slow wave structure. Thus, as operating frequencies increase, the resonant cavity structures must decrease in size, which limits their power handling capability. In the gyrotron, a hot filament in an electron gun (1) at one end of the tube emits an annular shaped (hollow tubular) beam of electrons (6), which is accelerated by a high voltage DC anode (10) and then travels through a large tubular resonant cavity structure (2) in a strong axial magnetic field, usually created by a superconducting magnet around the tube (8). The field causes the electrons to move helically in tight circles around the magnetic field lines as they travel lengthwise through the tube. At the position in the tube where the magnetic field reaches its maximum (2), the electrons radiate electromagnetic waves, parallel to the axis of the tube, at their cyclotron resonance frequency. The millimeter radiation forms standing waves in the tube, which acts as an open ended resonant cavity, and is formed into a beam. The beam is converted by a mode converter (9) and reflected by mirrors (4), which direct it through a window (5) in the side of the tube into a microwave waveguide (7). A collector electrode absorbs the spent electron beam at the end of the tube (3). As in other linear beam microwave tubes, the energy of the output electromagnetic waves comes from the kinetic energy of the electron beam, which is due to the accelerating anode voltage (10). In the region before the resonant cavity where the magnetic field strength is increasing, it compresses the electron beam, converting the longitudinal drift velocity to transverse orbital velocity, in a process similar to that occurring in a magnetic mirror used in plasma confinement. The technique would use frequencies of 30 to 300 GHz and would transfer energy to a rock 1012 more efficiently than using a laser. Lasers would further be disrupted by the vaporized rock, which would affect the longer wavelength much less. Drilling rates of 70 meters/hour appear to be possible with a 1 MW gyrotron.

Түрлері

Микротолқынды сәуле шығатын түтіктің шығыс терезесі екі орналасуы мүмкін. Көлденең шығыс гиротронында сәуле түтіктің бүйіріндегі терезе арқылы шығады. Бұл үшін қуыстың соңында 45° бұрышпен орналасқан айна қажет, ол микротолқынды сәуленің бағытын өзгертеді, ал электронды сәуле оны қағып өтпейді. Аксиалды шығыс гиротронында сәуле түтіктің соңындағы терезе арқылы шығады, ол цилиндрлі коллектор электродының қарама-қарсы жағында орналасқан, бұл электрод электрондарды жинайды. 1964 жылы жасалған алғашқы гиротрон генератор болып саналды, бірақ содан бері гиротрон күшейткіштері де жасалды. Шектеулі гиротрон электрондық сәулесі клейстрон сияқты классикалық микротолқынды түтіктердегідей микротолқынды сигналды күшейте алады, сондықтан осы түтіктерге ұқсас жұмыс істейтін гиротрондардың бірнеше түрі бар. Олардың артықшылығы – олар әлдеқайда жоғары жиіліктерде жұмыс істей алады. Гиромонотрон (гироосциллятор) – генератор ретінде жұмыс істейтін бір қуысты гиротрон. Гироклистрон – клейстрон түтігіне ұқсас жұмыс істейтін күшейткіш. Ол электрондық сәуле бойымен екі микротолқынды қуыстан тұрады: күшейтілетін сигнал берілетін кіріс қуысы және шығыс сигналы алынатын шығыс қуысы. Гиро-ТВТ (ТВТ) – қозғалмалы толқын түтігіне (ТВТ) ұқсас жұмыс істейтін күшейткіш. Ол сәулеге параллель, ТВТ-ге ұқсас баяу толқын құрылымына ие, кіріс микротолқын сигналы жоғары жағынан беріледі, ал күшейтілген шығыс сигналы төменгі жағынан алынады. Гиро BWO – кері толқындық генераторға (BWO) ұқсас жұмыс істейтін генератор. Ол электрондық сәулеге қарама-қарсы бағытта қозғалатын тербелістерді тудырады, ал электрондық сәуле түтіктің жоғары жағынан шығарылады. Гиро-твистрон – твистронға ұқсас жұмыс істейтін күшейткіш, ол клейстрон мен ТВТ-ны біріктіретін түтік. Клейстрон сияқты, оның жоғары жағында кіріс қуысы бар, содан кейін электронды жинақтау үшін бухерлік қуыстар орналасқан, одан кейін күшейтілген шығыс сигналын қалыптастыратын ТВТ типті баяу толқындық құрылым келеді. ТВТ сияқты, оның жолақтығы кең.

The output window of the tube from which the microwave beam emerges can be in two locations. In the transverse output gyrotron, the beam exits through a window on the side of the tube. This requires a 45° mirror at the end of the cavity to reflect the microwave beam, positioned at one side so the electron beam misses it. In the axial output gyrotron, the beam exits through a window at the end of the tube at the far end of the cylindrical collector electrode which collects the electrons. The original gyrotron developed in 1964 was an oscillator, but since that time gyrotron amplifiers have been developed. The helical gyrotron electron beam can amplify an applied microwave signal similarly to the way a straight electron beam amplifies in classical microwave tubes such as the klystron, so there is a series of gyrotrons that function analogously to these tubes. Their advantage is that they can operate at much higher frequencies. The gyro monotron (gyro oscillator) is a single cavity gyrotron that functions as an oscillator. A gyro klystron is an amplifier that functions analogously to a klystron tube. Has two microwave cavities along the electron beam, an input cavity upstream to which the signal to be amplified is applied and an output cavity downstream from which the output is taken. A gyro TWT is an amplifier that functions analogously to a travelling wave tube (TWT). It has a slow wave structure similar to a TWT paralleling the beam, with the input microwave signal applied to the upstream end and the amplified output signal taken from the downstream end. A gyro BWO is an oscillator that functions analogously to a backward wave oscillator (BWO). It generates oscillations traveling in an opposite direction to the electron beam, which is output at the upstream end of the tube. A gyro twystron is an amplifier that functions analogously to a twystron, a tube that combines a klystron and a TWT. Like a klystron, it has an input cavity at the upstream end followed by buncher cavities to bunch the electrons, which are followed by a TWT type slow wave structure that develops the amplified output signal. Like a TWT, it has a wide bandwidth.

Өндірушілер

Гиротрон Совет Одағында ойлап табылды. Қазіргі кездегі өндірушілерге Communications & Power Industries (АҚШ), Gycom (Ресей), Thales Group (ЕО), Toshiba (Жапония, қазір Canon, Inc., Жапониядан да) және Bridge12 Technologies кіреді. Жүйелерді әзірлеушілердің арасында Gyrotron Technology де бар.