Мультимегаваттный миллиметровый гиротрон

Диапазон миллиметровых волн всегда представлял собой особый интерес для физических исследований. Длина этих волн уже настолько мала, что их распространение происходит во многом аналогично световым волнам, что позволяет строить на миллиметровых волнах, например, эффективные радиолокационные системы с высоким разрешением. С другой стороны, в этом диапазоне лежат характерные частоты поглощения излучения различными веществами, поэтому эти волны крайне интересны для спектроскопии. Перспективные схемы ускорителей заряженных частиц также часто планируют использовать именно излучение миллиметрового диапазона для реализации высоких темпов разгона элементарных частиц.

Эффективными источниками интенсивного излучения в коротковолновой части миллиметрового диапазона являются гирорезонансные приборы, в частности, гиротроны. Их действие основано на создании условий когерентного излучения электронов, вращающихся во внешнем магнитном поле. Современные гиротроны для установок управляемого термоядерного синтеза обеспечивают выходную мощность до 2 МВт в непрерывном режиме излучения на частоте 140 ГГц. Дальнейшее увеличение мощности гиротронов представляется возможным только за счёт повышения энергетических параметров электронного потока, в основном, за счёт увеличения энергии электронов в приборе до сотен тысяч электрон-вольт, что означает переход в область релятивистских энергий частиц. Длительное время считалось, что в этой области КПД гиротронов значительно уменьшается. Однако детальное численное моделирование процессов электронно-волнового взаимодействия в резонаторах гиротронов показало, что независимо от энергии электронов возможна реализация условий, при которых даже в сильно-релятивистских гиротронах становятся достижимыми значения КПД на уровне 35–45%. Экспериментально это было подтверждено в ИПФ РАН созданием релятивистских гиротронов на длине волны 3 и 1 см с рекордными значениями выходной мощности – около 10 МВт. Полученный опыт сделал возможным разработку гиротрона с аналогичными характеристиками в 3-мм диапазоне длин волн.

3-мм релятивистский гиротрон был реализован на базе импульсно-периодического электронного ускорителя «Сатурн-Ф». В ускорителе формировался винтовой электронный пучок с энергией частиц 250 кэВ и током 90–100 А при длительности импульса 1 мкс. Пучок распространялся в магнитном поле с максимальной индукцией до 5 Т, которое создавалось сверхпроводящим низкотемпературным соленоидом.

В качестве рабочей моды гиротрона была выбрана вращающаяся поперечно-электрическая волна ТЕ_12,5 круглого волновода. Мода столь высокого порядка для релятивистского гиротрона использована впервые. Численное моделирование гиротрона показало возможность получения выходной мощности на уровне нескольких мегаватт при электронной эффективности около 35%. В разработанном гиротроне, в отличие от реализованных ранее длинноволновых приборов, использован встроенный квазиоптический преобразователь излучения рабочей моды в гауссов волновой пучок с эффективностью трансформации более 95%.

В ходе экспериментов при магнитном поле, установленном вблизи циклотронного резонанса для рабочей моды, гиротрон продемонстрировал стабильную генерацию на частоте, близкой к ожидаемой. Работа гиротрона была оптимизирована по набору управляющих параметров, основными из которых были величина индукции магнитного поля в резонаторе, вращательная скорость электронов и радиус пучка в рабочем пространстве. Максимальная выходная импульсная мощность, наблюдавшаяся в эксперименте, составила 5,6 МВт на частоте 94,4 ГГц при КПД около 20%.

Э. Б. Абубакиров, ведущий научный сотрудник ИПФ РАН