Гиротрон

Мощный гиротрон с частотой 140 ГГц для нагрева плазмы в термоядерном эксперименте Wendelstein 7-X , Германия.

Гиротрон представляет собой класс мощных линейно-лучевые вакуумные трубки , которые генерируют миллиметровыми волны электромагнитных волн с помощью циклотронного резонанса из электронов в сильном магнитном поле . Выходные частоты в диапазоне от примерно 20 до 527 ГГц , ^[1]^[2] охватывающий длины волн от микроволновой печи до края щели терагерцового . Типичные выходные силы в диапазоне от десятков киловатт до 1-2 мегаватт . Гиротроны могут быть сконструированы для импульсной или непрерывной работы. Гиротрон был изобретенСоветские ученые ^[3] в НИРФИ в Нижнем Новгороде , Россия .

Принцип действия

Схема гиротрона

Гиротрон - это мазер на свободных электронах, который генерирует высокочастотное электромагнитное излучение за счет стимулированного циклотронного резонанса электронов, движущихся в сильном магнитном поле. ^[4]^[5] Он может производить высокую мощность на миллиметровых волнах , так как в качестве быстрой волны устройства его размеры могут быть значительно больше , чем длина волны излучения. Это отличается от обычных микроволновых вакуумных трубок, таких как клистроны и магнетроны , в которых длина волны определяется одномодовым резонатором , медленным структура, и, таким образом, по мере увеличения рабочих частот структуры резонансной полости должны уменьшаться в размерах, что ограничивает их возможности управления мощностью.

В гиротроне горячая нить накала в электронной пушке на одном конце трубки излучает кольцевой (полый трубчатый) пучок электронов , который ускоряется высоковольтным анодом и затем проходит через большую трубчатую структуру резонансной полости в сильное осевое магнитное поле , обычно создаваемое сверхпроводящим магнитом вокруг трубки. Поле заставляет электроны двигаться по спирали.в плотных кругах вокруг силовых линий магнитного поля, когда они проходят через трубку в продольном направлении. В том месте в трубке, где магнитное поле достигает своего максимума, электроны излучают электромагнитные волны в поперечном направлении (перпендикулярном оси трубки) на своей частоте циклотронного резонанса. Миллиметровое излучение формирует стоячие волны в трубке, которая действует как открытый резонатор , и формируется в пучок, который излучается через окно на боковой стороне трубки в волновод . Отработанный электронный пучок поглощается коллекторным электродом на конце трубки.

Как и в других микроволновых трубках с линейным лучом, энергия выходных электромагнитных волн зависит от кинетической энергии электронного луча, которая возникает из-за ускоряющего анодного напряжения. В области перед резонансной полостью, где напряженность магнитного поля увеличивается, он сжимает электронный пучок, преобразуя скорость продольного дрейфа в поперечную орбитальную скорость, в процессе, аналогичном тому, который происходит в магнитном зеркале, используемом для удержания плазмы . ^[5] Орбитальная скорость электронов в 1,5–2 раза больше их осевой скорости пучка. Из-за стоячих волн в резонансной полости электроны «сгущаются»; то есть их фаза становится когерентной(синхронизировано), поэтому все они одновременно находятся в одной точке своей орбиты. Следовательно, они излучают когерентное излучение .

Скорость электронов в гиротроне слегка релятивистская (порядка скорости света, но не близка к ней). Это контрастирует с лазером на свободных электронах (и ксазером ), которые работают на разных принципах и чьи электроны очень релятивистские.

Приложения

Гиротроны используются во многих промышленных и высокотехнологичных системах отопления. Например, гиротроны используются в исследовательских экспериментах по ядерному синтезу для нагрева плазмы, а также в обрабатывающей промышленности в качестве инструмента быстрого нагрева при обработке стекла, композитов и керамики, а также для отжига (солнечного и полупроводникового). Военные приложения включают систему активного отказа .

Типы

Выходное окно трубки, из которого выходит СВЧ-луч, может находиться в двух местах. В гиротроне с поперечным выходом пучок выходит через окно сбоку трубки. Для этого требуется зеркало под углом 45 ° на конце резонатора для отражения микроволнового луча, расположенное с одной стороны, так что электронный луч пропускает его. В гиротроне с осевым выходом луч выходит через окно в конце трубки на дальнем конце цилиндрического коллекторного электрода, собирающего электроны.

Первоначальный гиротрон, разработанный в 1964 году, был генератором, но с тех пор были разработаны усилители гиротрона . Электронный пучок спирального гиротрона может усиливать приложенный СВЧ-сигнал аналогично тому, как прямой электронный пучок усиливается в классических СВЧ-лампах, таких как клистрон, поэтому существует ряд гиротронов, которые работают аналогично этим трубкам. Их преимущество в том, что они могут работать на гораздо более высоких частотах. Гиромонотрон (гиро-осциллятор) представляет собой гиротрон с одним резонатором, который функционирует как осциллятор. Гироклистрон - это усилитель, который работает аналогично клистронной лампе. Имеет два микроволновых резонатораВдоль электронного луча входная полость вверх по потоку, к которой прилагается усиливаемый сигнал, и выходная полость ниже по потоку, из которой берется выходной сигнал. Гиро-ЛБВ - это усилитель, который работает аналогично лампе бегущей волны (ЛБВ). Он имеет структуру медленных волн, аналогичную ЛБВ, параллельному лучу, с входным микроволновым сигналом, подаваемым на передний конец, и усиленным выходным сигналом, принимаемым из нижнего конца. Гиро-ЛОВ - это генератор, который работает аналогично генератору обратной волны (ЛОВ). Он генерирует колебания, распространяющиеся в направлении, противоположном электронному лучу, которые выводятся на верхнем конце трубки. Гиро-твистрон - это усилитель, который работает аналогично твистрону., трубка, сочетающая клистрон и ЛБВ. Подобно клистрону, он имеет входную полость на входе, за которой следуют полости группирования для группирования электронов, за которыми следует замедляющая структура типа ЛБВ, которая формирует усиленный выходной сигнал. Как и у ЛБВ, он имеет широкую полосу пропускания.

Производители

Гиротрон был изобретен в Советском Союзе . ^{[6] В число} нынешних производителей входят Communications & Power Industries (США), Gycom (Россия), Thales Group (ЕС), Toshiba (Япония, теперь Canon, Inc. , ^[7] также из Японии) и Bridge12 Technologies . Разработчики системы включают Gyrotron Technology .

Смотрите также

Электронный циклотронный резонанс
Сила термоядерного синтеза
Терагерцовое излучение

использованная литература

^ Ричардс, Марк А .; Уильям А. Холм (2010). «Источники питания и усилители» . Принципы современного радара: основные принципы . SciTech Pub., 2010. с. 360. ISBN 978-1891121524.
^ Бланк, М .; Borchard, P .; Cauffman, S .; Felch, K .; Rosay, M .; Тометич, Л. (01.06.2013). Экспериментальная демонстрация гиротрона 527 ГГц для динамической ядерной поляризации . 2013 Тезисы Международной конференции IEEE по науке о плазме (ICOPS) . п. 1. дои : 10,1109 / PLASMA.2013.6635226 . ISBN 978-1-4673-5171-3. S2CID 31007942 .
^ Исследования и установки в сильном магнитном поле (1979). Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. п. 51.
^ "Что такое гиротрон?" . Узнайте о спектроскопии ЯМР-ДНП . Мост 12 технологий . Проверено 9 июля 2014 года .
^ a b Бори, Э. (ок. 1990 г.). "Обзор теории гиротронов" (PDF) . Сеть конференций EPJ . KfK 4898. 149 : 04018. Bibcode : 2017EPJWC.14904018N . DOI : 10.1051 / epjconf / 201714904018 . Проверено 9 июля 2014 года .
^ Национальный исследовательский совет (США). Группа по исследованиям и установкам с сильным магнитным полем (1979). «Защитные технологии - высокочастотное излучение» . Исследования и установки в сильном магнитном поле . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. С. 50–51. OCLC 13876197 .
^ Thumm, Manfred (2020). "Современное состояние мощных гироскопических устройств и мазеров на свободных электронах" . Журнал инфракрасного . 41 (1): 1. Bibcode : 2020JIMTW..41 .... 1T . DOI : 10.1007 / s10762-019-00631-у . S2CID 209747370 .

внешние ссылки

Гиротрон
Купишевский, А. (1979). «Гиротрон: усилитель СВЧ высокой частоты» (PDF) . Отчет о проделанной работе в сети Deep Space Network . 42 (52): 8–12. Bibcode : 1979dsn..nasa .... 8K . Код НАСА 310-10-64-10.

[Richards2010-1] Ричардс, Марк А .; Уильям А. Холм (2010). «Источники питания и усилители» . Принципы современного радара: основные принципы . SciTech Pub., 2010. с. 360. ISBN 978-1891121524.

[2] Бланк, М .; Borchard, P .; Cauffman, S .; Felch, K .; Rosay, M .; Тометич, Л. (01.06.2013). Экспериментальная демонстрация гиротрона 527 ГГц для динамической ядерной поляризации . 2013 Тезисы Международной конференции IEEE по науке о плазме (ICOPS) . п. 1. дои : 10,1109 / PLASMA.2013.6635226 . ISBN 978-1-4673-5171-3. S2CID 31007942 .

[3] Исследования и установки в сильном магнитном поле (1979). Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. п. 51.

[bridge12-4] "Что такое гиротрон?" . Узнайте о спектроскопии ЯМР-ДНП . Мост 12 технологий . Проверено 9 июля 2014 года .

[Borie-5] Бори, Э. (ок. 1990 г.). "Обзор теории гиротронов" (PDF) . Сеть конференций EPJ . KfK 4898. 149 : 04018. Bibcode : 2017EPJWC.14904018N . DOI : 10.1051 / epjconf / 201714904018 . Проверено 9 июля 2014 года .

[6] Национальный исследовательский совет (США). Группа по исследованиям и установкам с сильным магнитным полем (1979). «Защитные технологии - высокочастотное излучение» . Исследования и установки в сильном магнитном поле . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. С. 50–51. OCLC 13876197 .

[7] Thumm, Manfred (2020). "Современное состояние мощных гироскопических устройств и мазеров на свободных электронах" . Журнал инфракрасного . 41 (1): 1. Bibcode : 2020JIMTW..41 .... 1T . DOI : 10.1007 / s10762-019-00631-у . S2CID 209747370 .

[1]