Гиротрон: Российская разработка мощных микроволновых ламп.

Введение

Гиротрон – это класс мощных линейных вакуумных приборов, генерирующих миллиметровые электромагнитные волны посредством циклотронного резонанса электронов в сильном магнитном поле. Диапазон выходных частот составляет от 20 до 527 ГГц, охватывая длины волн от микроволнового до границы терагерцового диапазона. Типичная выходная мощность варьируется от десятков киловатт до 1–2 мегаватт. Гиротроны могут быть разработаны для импульсного или непрерывного режима работы. Гиротрон был изобретен советскими учеными в НИРФИ, расположенном в Нижнем Новгороде, Россия.

Принцип

Гиротрон – это тип мазера на свободных электронах, который генерирует высокочастотное электромагнитное излучение посредством стимулированного циклотронного резонанса электронов, движущихся в сильном магнитном поле. Он способен создавать высокую мощность на миллиметровых длинах волн, поскольку, являясь устройством для быстрых волн, его размеры могут значительно превышать длину волны излучения. Это отличает его от традиционных микроволновых вакуумных приборов, таких как клистроны и магнетроны, в которых длина волны определяется резонансной полостью одного режима, или структурой замедления волны. Таким образом, с ростом рабочих частот размеры резонансных полостей должны уменьшаться, что ограничивает их способность к обработке мощности. В гиротроне горячая нить в электронном орудии (1) на одном конце трубки излучает кольцевой (полый трубчатый) пучок электронов (6), который ускоряется высоким напряжением постоянного тока, подаваемым на анод (10), и затем проходит через большую трубчатую резонансную полость (2) в сильном аксиальном магнитном поле, обычно создаваемом сверхпроводящим магнитом вокруг трубки (8). Магнитное поле заставляет электроны двигаться по спирали, описывая узкие окружности вокруг линий магнитного поля, по мере их продвижения вдоль трубки. В точке трубки, где магнитное поле достигает максимума (2), электроны излучают электромагнитные волны, параллельные оси трубки, на своей циклотронной резонансной частоте. Миллиметровое излучение формирует стоячие волны в трубке, которая функционирует как резонатор с открытым концом, и формируется в пучок. Пучок преобразуется модулятором мод (9) и отражается зеркалами (4), которые направляют его через окно (5) в боковой стенке трубки в микроволновый волновод (7). Коллекторный электрод поглощает отработанный электронный пучок в конце трубки (3). Как и в других микроволновых приборах с линейным пучком, энергия выходных электромагнитных волн берется из кинетической энергии электронного пучка, обусловленной ускоряющим анодным напряжением (10). В области перед резонансной полостью, где напряженность магнитного поля возрастает, происходит сжатие электронного пучка, при котором продольная скорость дрейфа преобразуется в поперечную орбитальную скорость, в процессе, аналогичном тому, что происходит в магнитном зеркале, используемом для удержания плазмы. Данная технология предполагает использование частот от 30 до 300 ГГц и позволит передавать энергию породе в 1012 раз эффективнее, чем с помощью лазера. Лазеры, в свою очередь, будут сильнее подвержены воздействию испарившейся породы, что окажет меньшее влияние на волны большей длины. Скорость бурения 70 метров в час представляется возможной при использовании гиротрона мощностью 1 МВт.

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.

Типы

Выходное окно трубки, из которой выходит микроволновое излучение, может располагаться в двух местах. В гиротроне с поперечным выводом излучение выходит через окно в боковой части трубки. Это требует наличия 45-градусного зеркала в конце резонатора для отражения микроволнового излучения, расположенного с одной стороны таким образом, чтобы электронный луч его миновал. В гиротроне с осевым выводом излучение выходит через окно в конце трубки, на дальнем конце цилиндрического коллекторного электрода, который собирает электроны. Изначальный гиротрон, разработанный в 1964 году, был генератором, но с тех пор были разработаны гиротроны-усилители. Спиральный электронный луч гиротрона может усиливать приложенный микроволновый сигнал аналогично тому, как прямой электронный луч усиливается в классических микроволновых приборах, таких как клистрон, поэтому существует ряд гиротронов, функционирующих аналогично этим приборам. Их преимущество заключается в возможности работы на гораздо более высоких частотах. Гиромонотрон (гироосциллятор) – это гиротрон с одним резонатором, функционирующий как генератор. Гироклистрон – это усилитель, функционирующий аналогично клистронной лампе. Он имеет две микроволновые резонаторы вдоль траектории электронного луча: входной резонатор, расположенный выше по потоку, куда подается сигнал для усиления, и выходной резонатор, расположенный ниже по потоку, с которого снимается выходной сигнал. Гиро-ТВТ – это усилитель, функционирующий аналогично лампе с бегущей волной (ТВТ). Он имеет структуру замедленного распространения волны, аналогичную ТВТ, расположенную параллельно лучу, с входным микроволновым сигналом, подаваемым на верхний конец, и усиленным выходным сигналом, снимаемым с нижнего конца. Гиро-БВО – это генератор, функционирующий аналогично обратноволновому осциллятору (БВО). Он генерирует колебания, распространяющиеся в направлении, противоположном направлению движения электронного луча, который выводится на верхнем конце трубки. Гиро-твистрон – это усилитель, функционирующий аналогично твистрону, прибору, сочетающему в себе клистрон и ТВТ. Как и клистрон, он имеет входной резонатор на верхнем конце, за которым следуют резонаторы группировки для формирования пучка электронов, за которыми следует структура замедленного распространения волны типа ТВТ, формирующая усиленный выходной сигнал. Как и ТВТ, он обладает широкой полосой пропускания.

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.

Производители

Гиротроны были изобретены в Советском Союзе. Современные производители включают Communications & Power Industries (США), Gycom (Россия), Thales Group (ЕС), Toshiba (Япония, ныне Canon, Inc., также Япония) и Bridge12 Technologies. Разработчики систем – Gyrotron Technology.