7.2. Гиротрон.

Начнем рассмотрение релятивистских СВЧ устройств со слаборелятивистского прибора - гиротрона. Эти приборы работают, обычно, при умеренных напряжениях менее 80-100 кВ. Тем не менее, принцип работы этих приборов связан с основным релятивистским эффектом - зависимостью массы электронов от скорости. Гиротроны являются одним из наиболее известных представителей семейства мазеров на циклотронном резонансе.

Видимо, Твисс первым (1957 г.) указал на возможность усиления электромагнитных волн на циклотронной частоте ансамблем электронных осцилляторов в магнитном поле. Чуть позже и практически одновременно А.В. Гапонов-Грехов в Нижнем Новгороде (в то время - Горький) и Джордж Шнайдер в США теоретически предсказали возможность индуцированного излучения на циклотронной частоте (1959 г.). Принципиальным на данном этапе было указание А.В. Гапонова-Грехова на необходимость учета релятивистских эффектов при взаимодействии непрямолинейного электронного пучка с электромагнитной волной. Первые экспериментальные подтверждения существования таких излучений были получены в 1959-1960 гг А.В. Гапоновым-Греховым с сотрудниками и Пантелом в США.

Позже работы в США по приборам гиротронного типа были приостановлены, так как американцы не увидели каких-либо существенных перспектив их использования. В Нижнем Новгороде работы в этом направлении продолжались, но были засекречены. Впервые данные Нижегородцев были открыто опубликованы в 1974 г. и произвели эффект разорвавшейся бомбы. Стало ясно, что использование гиротронов перспективно для нагрева высокотемпературной плазмы. После этого не только в США, но и в Европе (Германия), а также в Японии работы по гиротронной тематике начали интенсивно развиваться. В результате к настоящему времени созданы уникальные источники миллиметровых излучений - гиротроны мощностью свыше 1 МВт, работающие в длинноимпульсном или даже квазинепрерывном режимах. Такие приборы используются в настоящее время в качестве основных источников СВЧ излучений для нагрева плазмы крупных токамаков и стеллараторов, а также для реализации некоторых видов новейших технологий.

Перейдем к рассмотрению основной идеи, на которой основана работа гиротронов. Но сначала несколько слов о терминологии.

Приборы гиротронного типа, как и все, рассмотренные нами ранее, основаны на использовании индуцированного излучения. Только в разных типах приборов используются разные типы индуцированного излучения. Например, в клистронах используется переходное индуцированное излучение, а в магнетронах, ЛБВ и ЛОВ - черенковское. Действительно, переходное излучение возникает при движении электронов у неоднородностей материальной среды с характерными размерами меньше или порядка длины волны  и в клистронах в качестве таких неоднородностей выступают зазоры резонаторов. Черенковское излучение возникает, когда электроны движутся у поверхности среды с показателем преломления больше единицы, если скорость электронов V_e больше фазовой скорости V_ф волны в среде и при этом расстояние электронов от поверхности среды не превышает по порядку величины длины волны. В перечисленных черенковских приборах в качестве такой среды выступает замедляющая система.

Недостаток черенковских приборов - необходимость использования замедляющих систем с размерами ячейки   и с электронным потоком на расстоянии   от поверхности замедляющей системы. Это затрудняет создание коротковолновых СВЧ приборов. Таких структур не нужно при индивидуальном излучении электрона. Но это неинтересно, так как не позволяет получать большие мощности. Как мы уже убедились ранее, для получения больших мощностей принципиально важно сформировать сгустки пространственного заряда и сфазировать их таким образом, чтобы они передавали энергию СВЧ полю. Это и приводит к формированию индуцированного излучения.

В гиротронах реализуется индуцированное циклотронное излучение - излучение на циклотронной частоте _ц или на ее гармониках, связанное с вращением электронов в магнитном поле.

Устройство типичного гиротрона схематически показано на рис.7.1а.

Рис.7.1.

Электронный поток здесь формируется магнетронно-инжекторной пушкой с коническими поверхностями катода и анода. Электронный поток имеет кольцевую в сечении форму. Электроны с кольцевого эмиттера движутся по винтовым траекториям через резонатор и осаждаются на коллекторе. Распределение магнитного поля вдоль оси прибора показано на рис.7.1б. В нарастающем магнитном поле перед входом в резонатор

происходит компрессия электронного пучка. При движении в нарастающем магнитном поле уменьшается продольная (вдоль силовой линии магнитного поля) V_и увеличивается поперечная (V_) скорость электронов. В резонаторе электроны движутся в постоянном магнитном поле. Увеличение магнитного поля между катодом и резонатором характеризуется коэффициентом перемагничивания, который достигает в современных приборах значений 20-25.

В качестве резонатора в гиротроне используется кусок волновода круглого сечения с малыми «перетяжками» у входа и выхода. Перетяжка у выхода мала по сравнению со входной. В связи с этим СВЧ мощность из резонатора проходит к выходному окну прибора. На рисунке изображен гиротрон с простейшим выводом СВЧ мощности – коническим рупором. В мощных гиротронах используются гораздо более сложные системы вывода. В изображенной системе внутренняя поверхность рупора выполняет роль коллектора. Именно на этой поверхности оседают электроны, покинувшие резонатор и движущиеся по силовым линиям уменьшающегося в этой области магнитного поля.

Гиротрон - генератор возбуждается в результате взаимодействия электронного пучка с полями резонатора. В простейших гиротронах ВЧ излучение из резонатора выводится через вакуумное окно. В современных мощных гиротронах вывод энергии гораздо более сложный. Там используются зеркала сложной формы для «поворота» излучения и преобразования сложных мод излучения на выходе в излучение с гауссовым распределением в сечении.

Электронные пучки в гиротроне принято называть поливинтовыми. Каждый электрон в пучке, двигаясь по винтовой траектории, вращается вокруг силовой линии магнитного поля с циклотронной частотой

, (7.11)

где V - полная его скорость. При этом радиус трубки тока, по которой распространяется электрон, определяется поперечной его скоростью и равен

. (7.12)

В резонаторе гиротрона возбуждаются ТЕ моды колебаний, характеризующиеся тем, что в них ВЧ электрическое поле ориентировано приблизительно перпендикулярно оси резонатора и практически не меняется на толщине стенки электронного пучка, а следовательно и на ларморовском кружочке траектории электрона, которую он описывает в направлении, перпендикулярном силовой линии магнитного поля. Гиротроны малой мощности могут работать на видах колебаний резонатора, для которых отсутствуют азимутальные вариации поля.Но мощные гиротроны с резонаторами большого диаметра работают, обычно на модах, для которых существуют азимутальные вариации поля и их количество превышает 10-20.

Моды с различным распределением электрического поля в сечении резонатора отличаются по частоте . Возбуждающиеся в гиротроне ТЕ_mn моды принято характеризовать двумя целочисленными индексами m и n, первый из которых равен числу вариаций поля по азимуту, а второй – числу его вариаций по радиусу.

Рассмотрим взаимодействие электронов винтового электронного пучка (ВЭП), движущихся по одной винтовой траектории, с одной из мод резонатора на фиксированной частоте . В поперечном сечении этой траектории меняющееся по амплитуде и направлению электрическое поле может быть описано суперпозицией двух векторных полей, не меняющихся по амплитуде во времени и имеющих одинаковую амплитуду, но вращающихся с одинаковой частотой  в противоположные стороны.

Электроны могут эффективно взаимодействовать только с попутно вращающейся компонентой электрического ВЧ поля, причем только в условиях, когда частота изменения поля приблизительно равна или кратна циклотронной частоте. При таком взаимодействии происходит формирование электронных сгустков и такая их фазировка, при которой электроны начинают передавать свою энергию ВЧ полю резонатора, усиливая его. Рассмотрим механизм этих процессов.

Электроны, эмитированные с катода, равномерно распределены по каждой трубке тока (не путать с кольцевым сечением всего пучка). Рассмотрим движение этих электронов с учетом их взаимодействия с попутно вращающейся компонентой электрического ВЧ поля в резонаторе.

На рис.7.2а показано сечение единичной трубки тока. На ней обозначено 8 “пробных” электронов. Указаны стрелками направление вращения электронов и направление в данный момент силовых линий электрического поля. Обратим внимание на то, что угловая скорость вращения электронов в магнитном поле (величина _ц) уменьшается с ростом полной скорости электронов (см. соотношение (7.11)), а радиус их траектории увеличивается при увеличении как поперечной, так и полной скорости (см. соотношение (7.12)). С учетом этого проанализируем, что будет происходить в сечении каждой трубки с током

Рис.7.2.

под действием электрического поля резонатора. Электроны 1 и 5, движущиеся в направлении, перпендикулярном электрическому полю, не будут менять своей линейной скорости и скорости углового движения. Электроны же 2, 3, 4, движущиеся вдоль электрического поля, тормозятся полем, т.е. поперечная их скорость V уменьшается, а значит эти

электроны начинают двигаться с большей угловой скоростью. Эти электроны в своем движении догоняют электрон 5, скорость которого не изменилась. При этом радиус их траектории уменьшается. Электроны 6, 7, 8, движущиеся навстречу полю Е, увеличивают поперечную скорость и в связи с этим начинают двигаться по большему радиусу, но с меньшей угловой скоростью. Поэтому они тоже приближаются к электрону 5.

Таким образом, под действием электрического ВЧ поля происходит формирование сгустка электронов в районе электрона 5. Плотность сгустка увеличивается при его движении вдоль резонатора. Однако, при  =_ц не происходит усиления поля, так как одинаковые количества электронов отдают энергию полю и отбирают ее у него. Чтобы добиться усиления поля, необходимо реализовать условие, когда _ц <, т.е. электроны вращаются медленнее, чем поле. При оптимальном выборе соотношения _ц и  для электронов 2, 3, 4 с уменьшающейся поперечной скоростью (отдающих энергию полю) _ц увеличивается, но разность  -_ц должна оставаться больше нуля. В таком случае они в процессе группировки остаются в области тормозящих фаз. Для ускоренных электронов 6, 7, 8 с увеличенной поперечной скоростью циклотронная частота _ц уменьшается и разность  -_ц увеличивается. В результате они перемещаются в сторону тормозящих фаз ВЧ поля. При таком выборе соотношения _ц и  начинается передача энергии от электронов ВЧ полям резонатора, так как сгусток формируется в области тормозящих фаз поля.

Так как электроны в гиротронах передают СВЧ полю свою кинетическую энергию, исходно выбранное соотношение между частотой поля и циклотронной частотой меняется в резонаторе. Поэтому, чтобы реализовать максимально эффективную передачу энергии от электронов ВЧ полю, длина резонатора должна быть оптимизирована.

Мы рассмотрели основной механизм группировки электронов в гиротроне и фазировки электронных сгустков в тормозящих фазах СВЧ поля. Из проведенного рассмотрения следует, что СВЧ полям резонатора передается часть энергии электронов, связанная с поперечным их движением относительно силовых линий магнитного поля. Отсюда ясно, что для получения большей выходной мощности желательно так организовать движение электронов, чтобы максимально велико было отношение поперечной составляющей их скоростиV_к продольнойV_. Отношение этих скоростейV_ /V_ называется питч-фактором. В современных гиротронах этот коэффициент, обычно, имеет величину1,2-1,4.

«Накачка» поперечных скоростей происходит на участке нарастания магнитного поля перед входом в резонатор (на участке перемагничивания) и величина питч-фактора определяется коэффициентом перемагничивания. Работе при больших значениях питч-фактора препятствует ряд обстоятельств. Одним из наиболее важных является то обстоятельство, что электроны в пучке имеют довольно большой разброс по скоростям. В связи с этим с ростом питч-фактора в конце концов появляются такие электроны, для которых продольная скорость обращается в нуль на участке нарастающего магнитного поля перед резонатором. Отражение таких электронов к катоду ведет к развитию ряда паразитных явлений, которые мешают работе гиротрона.О влиянии отражений мы поговорим позже, рассматривая формирование винтовых электронных пучков. Сейчас же подчеркнем, что эти паразитные явления препятствуют работе гиротрона при питч-факторах больше 1,2-1,4.

Разброс по поперечной составляющей скорости может быть вреден и по другой причине. В присутствии такого разброса возможно возбуждение гиротрона на разных модах колебаний, отличающихся распределением поля в резонаторе и частотой.В случае, если при заданном магнитном поле в резонаторе возможно возбуждение разных мод на близких частотах, работа гиротрона будет нестабильной. Чтобы избежать такой нестабильности,резонатор гиротрона выполненный в форме круглого волновода с малыми неоднородностями у входа и выхода, возбуждают на моде, близкой к критической. В этом случаереализуется взаимодействие только с электронами, имеющими узкий спектр поперечных скоростей и осуществляется одномодовая генерация, даже при большом исходно разбросе электронов по скоростям.

Как нетрудно понять из проведенного рассмотрения условий группировки и фазировки электронов в ВЭП, оптимальные условия для возбуждения гиротрона на данной моде создаются подбором оптимальных значений ускоряющего электроны напряжения U₀, величины магнитного поля B₀ в резонаторе (задает циклотронную частоту) и коэффициента перемагничивания В₀/В_к (В_к – поле у катода), определяющего поперечную скорость электронов у входа в резонатор. При постоянных напряжении и коэффициенте перемагничивания изменение величины B₀ ведет к переходу с одной моды генерации на другую.

Как и любые другие вакуумные СВЧ генераторы, гиротроны возбуждаются только в таких условиях, когда ток ВЭП превышает пусковое значение. Значения пускового тока различны для разных мод колебаний.

Как показывают расчеты и эксперимент, потери в современных гиротронах в значительной степени связаны с энергией, уносимой электронным потоком на коллектор. Без рекуперации КПД таких приборов в миллиметровом диапазоне длин волн бывает порядка 20-40%. При введении рекуперации КПД достигает значений порядка 50-70%.

Как уже упоминалось выше, эти приборы обеспечивают в миллиметровом диапазоне длин волн огромные мощности и являются самыми эффективными из существующих мощными приборами в этом диапазоне. В настоящее время достижимые мощности уже ограничиваются, в основном, возможностями вывода мощности из прибора и стойкостью к мощным излучениям резонатора и СВЧ трактов. В современных гиротронах мегаваттного уровня мощностей вынуждены использовать алмазные выходные окна, поскольку даже малые потери мощности в окнах другого типа приводят к их разрушению. Ограничивающим фактором является и необходимость рассеяния большой мощности на коллекторе.

Один из важнейших недостатков приборов гиротронного типа - необходимость использования в них больших магнитных полей (например, порядка 3 Тл на длине волны 3,3 мм). При работе гиротронов в квазинепрерывном режиме такие поля удается создавать только с помощью сверхпроводящих соленоидов, что существенно удорожает их эксплуатацию.

Принципиально гиротроны могут работать не только на циклотронной частоте, но и на ее гармониках  =n_ц (n=1,2,3...). При работе на гармониках удается в n раз снизить магнитное поле, однако, при этом падает эффективность приборов.

В последнее время делаются попытки создания низковольтных гиротронов для технологических приложений, работающих на гармониках циклотронной частоты. Такие гиротроны могут работать «с теплыми» магнитами и практически не создают рентгеновского излучения.

Мы рассмотрели только один тип гиротронных приборов - гиротрон-генератор. На самом деле к настоящему времени уже реализованы гиро-ЛБВ, гиро-ЛОВ и гиро-клистроны.