2.4 Коллектор отработанных электронов

2.4Коллектор отработанных электронов

Вбольшинстве конструкций коллекторов гироприборов отработанные электроны движутся по магнитным силовым линиям в адиабатически уменьшающемся магнитном поле, попадая в конечном итоге на поверхность коллектора. Диаметр коллектора выбирается достаточным для рассеяния мощности потока отработанных электронов. Задача рассеяния мощности на поверхности коллектора гироприборов, применяющих трубчатые электронные пучки, значительно сложнее, чем при использовании сплошных пучков в традиционных ЭВП, поскольку эффективная поверхность, на которую попадают частицы, представляет собой сравнительно узкий поясок. В связи с этим в приборах с мощностью электронного потока сотни киловатт применяют "магнитное размазывание" электронов по всей поверхности коллектора. Такие системы "размазывания" с вращающимся поперечным магнитным полем были применены впервыеещев50-хгодахпрошлогостолетия[57].

Известно решение по созданию коллекторной оптики при отказе от адиабатического уменьшения индукции – введением полной экранировки коллектора от магнитного поля [95]. В таких системах винтовой трубчатый электронный пучок пересекает радиальный магнитный поток и закручивается вокруг оси прибора. Под воздействием значительной центробежной силы электронный пучок расширяется в радиальном направлении, сохраняя форму близкую к диску. В результате оказывается возможным удалить отработанные электроны через узкую щель и принять их на коллектор с развитой поверхностью. В таких системах вывод СВЧ мощности и коллектор полностью разделены, что позволяет уменьшить длину гиротрона.

Рис. 23

Схема гиротрона с частотой излучения 170 ГГц, разработанного в ИПФ РАН совместно с НПП «Гиком» для ИТЭР. На рисунке показаны также структуры рабочей моды резонатора и выходного пучка

В мощных гиротронах с мегаваттной мощностью также находят применение конструкции коллектора, позволяющие разделить потоки электронов и электромагнитной энергии. Так, в гиротроне мегаваттного уровня на частоте 170 ГГц, разработанном в ИПФ РАН совместно с НПП «Гиком» [90] для ИТЕР разделение потоков электронов и СВЧ энергии производится при помощи квазиопти-

ческого преобразователя, который трансформирует рабочую моду в параксиальный волновой пучок, направляя его к выходному окну перпендикулярно оси гиротрона. В этих конструкциях оказывается возможным решать проблемы окна и коллектора независимо. Основная проблема коллектора мегаваттного прибора связана с необходимостью рассеяния огромной мощности (1–1,5 МВт) на его поверхности. Рассеяние такой мощности требует водяного охлаждения с потоком воды 20–30 л/с. Для решения этой проблемы в рассматриваемой конструкции поверхность коллектора существенно увеличивается. При этом коллектор отработанных электронов оказывается самой большой частью гиротрона (смотри рис. 23).

Принципиальным решением, позволяющим значительно увеличить технический КПД гироприборов, является применение рекуперации отработанных электронов на коллекторе. В гиротронах с уровнями мощности сотни кВт– единицы МВт рекуперация активно применяется, что позволяет увеличить технический КПД этих приборов свыше 50% (смотри таблицу 3). Типичный КПД мегаваттного прибора без рекуперации составляет 30–35%, а с рекуперацией 50%. Применение рекуперации существенно снижает мощность рассеиваемую на коллекторе. Так, при повышении КПД с 33% до 50% в мегаваттном приборе мощность рассеиваемая на коллекторе снижается с 2 МВт до 1 МВт. Использовании рекуперации в гиротронах позволяет работать при больших энергиях и меньших токах электронного пучка, что упрощает электронно-оптическую систему, блоки электрического питания и систему защиты, а также снижает уровень рентгеновского излучения с коллектора.

106 Глава 2

2.5 Окно вывода мощности

Окно вывода мощности должно удовлетворять двум основным требованиям: быть вакуумплотным при всех условиях эксплуатации гироприбора, обеспечивать прохождение высоких уровней СВЧ мощности при минимальных потерях и минимальных рассогласованиях в рабочем диапазоне частот. Проблема обеспечения нормального температурного режима окна вывода мощности является одной из важнейших при построении мощных гиротронов непрерывного действия в миллиметровом диапазоне волн. Высокочастотные потери в согласованном диэлектрическом

окне с диэлектрической проницаемостью ε и толщиной dок растут с увеличением рабочей частоты согласно:

мощности сотни кВт имеют окна вывода мощности, выполненные при использовании одного или двух дисков из нитрида бора или из сапфира. Для обеспечения минимальных рассогласований толщина дисков выбирается равной δ≈(1…4)λ/(ε1/2), где ε – диэлектрическая проницаемость примененного материала, λ – рабочая длина волны. В этом случае отражения от двух поверхностей диска взаимно компенсируются. Материал диска должен иметь малые потери в рабочем диапазоне частот и быть одновременно достаточно прочным, чтобы работать в широком интервале температур под действием атмосферного воздействия. В двухдисковых окнах используется сапфир. В связи с малой теплопроводностью применяется охлаждение поверхностей дисков при помощи жидкости, протекающей между ними. Охлаждающая жидкость должна иметь малые потери в рабочем диапазоне частот. В качестве охлаждающей жид-

кости обычно применяются жидкий азот, флюорокарбон. Существенным фактором при эксплуатации окон вывода мощности этого типа является опасность закипания жидкости при ее перегреве из–за потерь и при колебаниях скорости протекания ее между дисками. Оценки максимальной передаваемой мощности для таких двухдисковых окон в диапазоне 140 ГГц дают величину 300 кВт. В однодисковых окнах обычно используется нитрид бора. Эти окна по сравнению с сапфировыми менее чувствительны к термическим напряжениям и могут работать при более высоких температурах. Так, диск из нитрида бора с диаметром 100 мм способен поглотить без перегрева более 50 кДж.

Для уменьшения потерь в окне можно применить охлаждение диэлектрика до температур, при которых диэлектрические потери существенно уменьшаются, а теплопроводность материала возрастает. Известно успешное применение в гиротроне большой мощности конструкции окна с одним диском из сапфира, охлаждаемого до гелиевых температур [96]. Применение сапфирового окна в этой работе основано на сильной температурной зависимости параметров сапфира – уменьшении tgδ и повышении теплопроводности при глубоком охлаждении.

В импульсных гиротронах, предназначенных для работы в термоядерных реакторах, применяется режим с длительностью импульсов доли и единицы секунд с большими паузами между импульсами (смотри 1.2.2.1). В таких приборах может быть применено инерционное охлаждение окна вывода мощности, с охлаждением диска по его периметру. Конкретные разработки мощных гироприборов подтвердили эффективность применения конструкции с одним диском из нитрида бора в указанных длиноимпульсных режимах [97].

Наиболее обещающим материалом для окна вывода мощности мощных гиротронов с уровнями мощности превы-

шающем 1 МВт в непрерывном режиме в области частот f=110–170 ГГц является алмазная пластина, изготовленная химическим паровым осаждением (CVD – chemical vapor deposition) [98, 99]. Представляет интерес приводимое в таблице 5 [62] сопоставление основных параметров алмаза CVD и окиси бериллия, отличающейся высокой теплопроводностью и в связи с этим находящей широкое применение в ЭВП, например, в ЛБВ в качестве держателей спиральных замедляющихсистем.

Можно видеть, что теплопроводность CVD-алмаза в 7 раз больше, чем у BeO, при этом жесткость алмаза, определяемая его модулем упругости, выше почти в 4 раза. Потери микроволн имеют место как внутри алмазного диска, так и на его поверхности. Поверхностные потери значительны и зависят от обработки и очистки поверхности. При недостаточно подготовленной поверхности алмазного диска поверхностные потери могут существенно превышать объемные потери. В настоящее время разрабатываются эффективные методы снижения поверхностных потерь. Измерения, проведенные при построении гиротрона непрерывного действия с уровнем выходной мощности 2 МВт на частоте 145 ГГц, показали, что величина тангенса угла потерь применяемого в окне вывода мощности