Стабилизация частоты излучения гиротрона отраженной волной

Ведущиеся в ИПФ работы по мощной СВЧ-электронике известны во всем мире. Одним из наиболее признанных достижений нижегородских физиков является изобретение и доведение до высокого технического уровня гирорезонансных приборов. Сегодня сверхмощные сверхвысокочастотные генераторы, изготавливаемые на Научно-производственном предприятии «ГИКОМ» в кооперации с учеными ИПФ РАН, известны и используются во многих научных центрах мира. Нижегородские физики участвуют в крупнейших мировых проектах, включая сооружение термоядерного реактора ITER во Франции. Этот проект требует применения непрерывных гиротронов с частотой 170 ГГц, мощностью 1 МВт и КПД 50%.

Работы по дальнейшему повышению мощности и эффективности приборов продолжаются. Экспериментально продемонстрированы принципиальные возможности получения с помощью гиротронов еще большей мощности (1,5–2 МВт) и более высокого (60–70%) КПД. Продолжаются исследования, направленные на создание гиротронов для управляемого термоядерного синтеза (УТС) и, в частности, ведутся работы по созданию мегаваттных приборов с возможностью ступенчатой настройки частоты. Использование таких гиротронов в плазменных установках УТС существенно повышает эффективность электронно-циклотронных систем, а также упрощает антенные системы установок.

В ходе выполнения исследований было установлено, что в гиротронах, как наиболее мощных источниках электромагнитного излучения диапазона миллиметровых волн, к изменению частоты приводит изменение питающего высокого напряжения. На нестабильность частоты также оказывают влияние: изменение тока электронного пучка, изменение энергии частиц из-за временной зависимости, компенсация пространственного заряда и расширение резонатора гиротрона из-за нагрева. Дрейф частоты гиротронов с рабочими частотами 100…300 ГГц может достигать сотен мегагерц, что крайне затрудняет использование гиротронов для диагностики плазмы и, особенно, для спектроскопии. Решить поставленную задачу ученым ИПФ РАН позволил метод использования отраженного сигнала, для чего были изготовлены специальные окна гиротрона. Расчеты оптимального по величине и задержке отраженного сигнала существенно уменьшающего изменения частоты подтверждены в экспериментах с гиротронами 10 кВт/28 ГГц и 1 МВт/170 ГГц. В проведенном эксперименте с гиротроном с рабочей частотой 170 ГГц использование оптимизированного отражения позволило обеспечить стабильность рабочей частоты в пределах 2 МГц (см. рисунок).

Предлагаемый подход позволит создать высокостабильные гиротроны для спектроскопии и диагностики плазмы.

А. А. Богдашов, М. Ю. Глявин, Г. Г. Денисов, А. Н. Куфтин, Ю. В. Новожилова, А. В. Чирков, А. П. Фокин.

Зависимость частоты гиротрона от ускоряющего напряжения в отсутствии отражения (красная линия) и при использовании оптимального отражения (синяя линия)
Гиротрон с рабочей частотой 170 ГГц, мощностью 1 МВт для международного термоядерного реактора ITER