тронного пучка. Существенным недостатком этих генераторов является высокая зависимость частоты от скорости электронов, приводящая к высокому уровню частотного шума выходного сигнала.

В соответствии с [17] поперечные КПД этих приборов η ≤0,2, т.е. меньше, чем в гиротронных приборах других классов.

1.2.2Результаты экспериментальных исследований и разработок гирогенераторов

Активная разработка и промышленное освоение мощных гиротронных генераторов миллиметрового диапазона волн в конце прошлого столетия и в настоящее время в России, США, Японии, в Европе стимулируются многими актуальными проблемами, решение которых требует построения высокоэнергетичных источников электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне волн.

К таким проблемам следует отнести в первую очередь создание источников энергии на основе термоядерного синтеза, для которых задача управляемого нагрева плазмы в магнитном поле имеет принципиальное значение. Для этой цели необходимы мощные источники с уровнями мощности до 1 МВт в течение секунд, действующие на частоте циклотронного резонанса расплавленной плазмы, находящейся в магнитном поле термоядерного реактора. Эти частоты в настоящее время лежат в интервале 100– 170 ГГц [47]. Нагрев на основе электронного циклотронно-

го резонанса (Electron cyclotron resonance heating – ECRH)

используется как метод вспомогательного нагрева в большинстве устройств термоядерного синтеза, в том числе в "токамаках" [54]. Имеются два основных преимуществ циклотронного нагрева плазмы по сравнению с другими методами. Это, во-первых, возможность нагрева в локализованных областях, определяемых распределением маг-

1.2 Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 65

нитного поля в плазме, во-вторых, возможность удаления источника излучения от реактора на значительное расстояние (десятки–сотни метров) и применение направленных вводов энергии в реактор, имеющих малые размеры поперечного сечения. Высокие урони средней мощности и КПД, реализуемые в гиротронных генераторах определили их наибольшую применимость в реакторах термоядерного синтеза.

К другим важным направлениям использования гиротронных генераторов, следует отнести их применение в различных технологических процессах в промышленности: синтез керамических материалов высокой чистоты, плотности и повышенной прочности, локальный нагрев сочленений конструктивных элементов из различных материалов для их соединений, нагрев конструктивных элементов в процессе их покрытия пленками различных материалов.

Для применения в технологических процессах применяются в большинстве случаев гиротроны в диапазоне 30–80 ГГц с уровнями непрерывной мощности 10–30 кВт. Частично, для применения в промышленности используются гиротроны, применявшиеся в установках термоядерного синтеза и переведенные в режим непрерывного действия. Кроме того, специально разрабатываются гиротроны для промышленных целей. Как правило, эти приборы работают в длинноволновой части миллиметрового диапазона (30–40 ГГц) на второй гармонике циклотронной частоты с целью уменьшения требуемой величины индукции магнитного поля. Применяются цилиндрические резонаторы на волне типа ТЕ021. Для возможности управления уровнем генерируемой мощности применяется диодная магнетронно-инжекционная пушка в режиме ограничения температуры катода. Такая конструкция позволяет регулировать уровень выходной мощности путем изменения напряжения анода.

Значительный интерес для создания новых технологических процессов, исследований в области научного приборостроения, в частности, для увеличения чувствительности аппаратуры на основе магнито-ядерного резонанса протонов, диагностики плазмы, приобретают источники мощного непрерывного излучения в диапазоне сотен ГГц и единиц ТГц. В2005– 2007 годах появились первые сообщения о разработке таких источников в Японии, в фирме FIR FU (Исследовательский центр по исследованиям в далекой инфракрасной области, университет Fukui). Созданы серии гиротронов, так называемые Gyrotron FU CW series, с различными рабочими диапазонами частот и уровнями мощности [55, 56]. На частоте 300 ГГц достигнута наибольшая непрерывная мощность около 1,8 кВт. Достигнутые уровни непрерывной выходной мощности на час-

тоте f≈394 ГГц равны Pвых=100 Вт при работе на основной частоте циклотронного резонанса и Pвых=20 Вт при работе на вто-

рой гармонике. В импульсном режиме при работе на второй гармонике достигнута частота автоколебаний 0,89 ТГц. Близятся к завершению разработки гиротронов на частоту f=1ТГц с уровнем непрерывной мощности Рвых=100 Вт. Этот прибор содержит сверхпроводящую, охлаждаемую гелием магнитную систему с индукцией 20 Т, триодную магнетронноинжекционную пушку, сапфировое окно вывода мощности; конструкциягиротронавыполненаразборной.

1.2.2.1Гиротроны для реакторов термоядерного синтеза

ВРоссии мощные импульсные гиротроны для применения в устройствах ECRH производятся компанией НПП "Гиком" – консорциумом, в который входят Институт ядерных исследований им. Курчатова (г. Москва), Институт прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), партнеры электровакуумной промышленности в России.

1.2Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 67

ВЯпонии мощные гиротроны создаются совместными усилиями фирмы Тошиба и Института по исследованию атомной энергии (JAERI).

ВСША разработку большей части коммерческих гиротронов осуществляет фирма CPI (Communication Power Industry), – ранее фирма Varian Associates.

Результаты разработок фирм Росси, США, Японии приведены в таблице 3.

Втаблице 3 приняты обозначения: МИП ОА – магне- тронно-инжекционная пушка с одним анодом, МИП ДА – магнетронно-инжекционная пушка с двумя анодами.

Вгиротронах, приведенных в таблице 3, применяется магнитное "размазывание" электронов по поверхности коллектора, для обеспечения равномерной тепловой на-

грузки). Ограничения по уровню выходной мощности, длительности импульса связаны в большинстве гиротронов с проблемами окна вывода мощности. Во всех приведенных в таблице гиротронах применен внутренний преобразователь типов колебаний, формирующий в области окна гауссов волновой пучок с уменьшенными плотностями мощности. Вне гиротрона применяются зеркала для формирования потока энергии с модой ТЕМ. В российских гиротронах [58] для создания окон вывода мощности применены одинарные пластины из нитрида бора с принудительным охлаждением по периметру, отличающиеся значительной инерционностью. Увеличение длительности импульса, вплоть до реализации непрерывного режима, требует применения диэлектрических пластин, обладающих значительно большей теплопроводностью.

) Это решение предложено и впервые применено в [57].

68

1.2Энергетическиеидиапазонныехарактеристикигироприборов 69

Всвязи с этим при разработке гиротрона непрерывного действия с мощностью 1 МВт на частоте 110 ГГц [59, 60] рассматривается применение CVD алмаза, выполненного химическим паровым осаждением (chemical vapor deposition). Этот материал имеет теплопроводность 1800 Вт/мК, т.е. является более теплопроводным в 7 раз, чем самая теплопроводящая керамика– окисьбериллия.

1.2.2.2 Гиротроныдляприменениявпромышленности

Основные характеристики гиротронов, разработанных в России, США, Японии специально для применения в промышленности, приведены в таблице 4 [47].

При разработке гиротронов для промышленности преследовалась цель уменьшения их размеров и веса. Приборы работают на второй гармонике частоты циклотронного резонанса, что уменьшает требуемую величину магнитной индукции B0 и позволило в японском гиротроне применить магнитную систему на постоянных магнитах. Ведутся исследования по созданию гиротронов на третьей и четвертой гармониках, однако, КПД таких приборов оказывается суще-