Гиротрон

Опубликовано 30.06.2011 Ведущий Антон Панкратов

В настоящий момент одним из направлений развития электроники, в котором вакуумная техника продолжает доминировать над полупроводниковой, является генерация и усиление сигнала миллиметрового диапазона значительной мощности. Основным прибором, используемым в этих генераторах является электронная лампа-гиротрон. Это электровакуумный СВЧ прибор, с электронным пучком, вращающимся с циклотронной частотой в сильном магнитном поле. Представляет собой разновидность мазера на свободных электронах. Он используется для формирования мощного электронного потока с винтовыми траекториями частиц в сильном магнитном поле и использованием сверх размерных цилиндрических резонаторов с очень высокими рабочими модами. Наиболее мощные гиротроны оснащены искусственными алмазными выходными окнами, высокоэффективными квазиоптическими преобразователями рабочей моды в параксиальный волновой пучок и системами рекуперации остаточной энергии электронного пучка. Вследствие исключительно высокой теплопроводности и очень малых диэлектрических потерь алмазные окна гиротронов способны пропускать СВЧ-излучение с мощностью более 1 МВт. Использование в гиротронах коллекторов с рекуперацией не просто повышает КПД, но и принципиально упрощает реализацию источников питания и системы охлаждения коллекторов. Работы, направленные на дальнейшее повышение мощности и эффективности гиротронов, продолжаются, и в экспериментах уже продемонстрированы принципиальные возможности получения с помощью гиротронов еще большей непрерывной мощности (1,5–2 МВт) и более высокого (60–70 %) КПД. Для исследований импульсного теплового воздействия СВЧ-излучения на металлические структуры разработан релятивистский гиротрон с мощностью 10 МВт в импульсах длительностью 1–2 мкс при КПД 50 %.Другим важным направлением в развитии гиротронов для УТС является исследование и разработка мега ваттных приборов с возможностью ступенчатой перестройки частоты. Использование таких гиротронов в плазменных установках УТС могло бы существенно повысить эффективность систем электронно-циклотронных волн, а также упростить антенные системы установок. Большинство современных установок типа «токамак» и «стелларатор» ведущих термоядерных лабораторий мира оснащены российскими гиротронами. Их применение позволило получить ряд принципиальных научных результатов, среди которых, в частности, подавление неустойчивостей в плазме (токамак ASDEX-Up, Германия) и поддержание разряда в течение часа (стелларатор LHD, Япония).