Гиротрон
Гиротрон — это класс мощных вакуумных ламп с линейным лучом , которые генерируют миллиметрового диапазона электромагнитные волны за счет циклотронного резонанса электронов магнитном в сильном поле . Выходные частоты варьируются примерно от 20 до 527 ГГц . [1] [2] охватывающий длины волн от микроволнового до края терагерцового диапазона . Типичная выходная мощность варьируется от десятков киловатт до 1–2 мегаватт . Гиротроны могут быть рассчитаны на импульсный или непрерывный режим работы. Гиротрон изобрели советские учёные [3] в НИРФИ , расположенный в Нижнем Новгороде , Россия .
Принцип [ править ]
Гиротрон — это тип мазера на свободных электронах , который генерирует высокочастотное электромагнитное излучение за счет вынужденного циклотронного резонанса электронов, движущихся через сильное магнитное поле. [4] [5] Он может производить высокую мощность на миллиметровых длинах волн, поскольку его размеры как быстроволнового устройства могут быть намного больше длины волны излучения. В этом отличие от обычных микроволновых электронных ламп , таких как клистроны и магнетроны , в которых длина волны определяется одномодовым резонансным резонатором , замедляющей структурой. Таким образом, по мере увеличения рабочих частот структуры резонансных полостей должны уменьшаться в размерах, что ограничивает их способность выдерживать мощность.
В гиротроне горячая нить ( электронной пушки 1) на одном конце трубки излучает кольцевой (полый трубчатый) пучок электронов (6), который ускоряется высоковольтным постоянного анодом тока (10) и затем проходит через большую трубчатую структуру резонансной полости (2) в сильном аксиальном магнитном поле , обычно создаваемом сверхпроводящим магнитом вокруг трубки (8). Поле заставляет электроны двигаться по спирали по узким кругам вокруг силовых линий магнитного поля по мере их прохождения через трубку. В том месте трубки, где магнитное поле достигает максимума (2), электроны излучают электромагнитные волны, параллельные оси трубки, на своей частоте циклотронного резонанса. Миллиметровое излучение образует стоячие волны в трубке, которая действует как резонансная полость с открытым концом , и преобразуется в луч. Луч преобразуется преобразователем мод (9) и отражается зеркалами (4), которые направляют его через окно (5) в боковой части трубки в СВЧ- волновод (7). Коллекторный электрод поглощает отработанный электронный пучок на конце трубки (3). [4] [6]
Как и в других линейно-лучевых СВЧ-лампах, энергия выходных электромагнитных волн происходит за счет кинетической энергии электронного пучка, обусловленной ускоряющим анодным напряжением (10). В области перед резонансной полостью, где напряженность магнитного поля увеличивается, он сжимает электронный пучок, преобразуя скорость продольного дрейфа в поперечную орбитальную скорость, в процессе, аналогичном тому, который происходит в магнитном зеркале, используемом при удержании плазмы . [5] Орбитальная скорость электронов в 1,5–2 раза превышает их осевую скорость пучка. Из-за стоячих волн в резонансной полости электроны «группируются»; то есть их фаза становится когерентной (синхронизированной), поэтому все они одновременно находятся в одной и той же точке своей орбиты. Поэтому они излучают когерентное излучение .
Скорость электронов в гиротроне слегка релятивистская (порядка скорости света, но не близкая к ней). Это контрастирует с лазером на свободных электронах (и xaser ), который работает на других принципах и чьи электроны очень релятивистские.
Приложения [ править ]
Гиротроны используются во многих промышленных и высокотехнологичных системах отопления. Например, гиротроны используются в исследовательских экспериментах по ядерному синтезу для нагрева плазмы , а также в обрабатывающей промышленности в качестве инструмента быстрого нагрева при обработке стекла, композитов и керамики, а также для отжига (солнечного и полупроводников). Военные приложения включают систему активного отказа .
В 2021 году Quaise Energy объявила об идее использования гиротрона в качестве буровой машины для бурения скважины глубиной 20 километров и использования ее для производства геотермальной энергии . [7] Этот метод будет использовать частоты от 30 до 300 ГГц и передавать энергию камню 10. 12 более эффективно, чем использование лазера . Лазеры в дальнейшем будут разрушаться из-за испаренной породы, что гораздо меньше повлияет на более длинные волны. Скорость бурения 70 метров в час представляется возможной при использовании гиротрона мощностью 1 МВт. [8]
Типы [ править ]
Выходное окно трубки, из которого выходит микроволновый луч, может находиться в двух местах. В гиротроне с поперечным выходом луч выходит через окно сбоку трубки. Для этого требуется зеркало под углом 45° в конце резонатора для отражения микроволнового луча, расположенное с одной стороны так, чтобы электронный луч не пропускал его. В гиротроне с осевым выходом луч выходит через окно на конце трубки на дальнем конце цилиндрического коллекторного электрода, который собирает электроны.
Первоначальный гиротрон, разработанный в 1964 году, представлял собой генератор, но с тех пор гиротронные усилители были разработаны . Электронный луч спирального гиротрона может усиливать приложенный микроволновый сигнал аналогично тому, как прямой электронный луч усиливается в классических микроволновых лампах, таких как клистрон, поэтому существует серия гиротронов, которые функционируют аналогично этим трубкам. Их преимущество в том, что они могут работать на гораздо более высоких частотах.Гиромонотрон (гирогенератор) — однорезонаторный гиротрон, выполняющий функцию генератора. Гироклистрон — усилитель, работающий аналогично клистрону . Имеет два микроволновых резонатора вдоль электронного луча: входной резонатор перед ним, к которому подается усиливаемый сигнал, и выходной резонатор после него, из которого принимается выходной сигнал. Гиро-ЛБВ — это усилитель, работающий аналогично лампе бегущей волны (ЛБВ). Он имеет замедляющую структуру, подобную ЛБВ, параллельному лучу: входной микроволновый сигнал подается на входной конец, а усиленный выходной сигнал берется на выходной конец. Гиро-ЛОВ – это генератор, который функционирует аналогично генератор обратной волны (ОБВ). Он генерирует колебания, движущиеся в направлении, противоположном электронному лучу, который выводится на входной конец трубки. Гиротвистрон — усилитель, действующий аналогично твистрону — лампе, сочетающей в себе клистрон и ЛБВ. Как и клистрон, он имеет входную полость на входном конце, за которой следуют полости группировки для группировки электронов, за которыми следует замедляющая структура типа ЛБВ, которая генерирует усиленный выходной сигнал. Как и ЛБВ, он имеет широкую полосу пропускания.
Производители [ править ]
Гиротрон был изобретен в Советском Союзе . [9] В число нынешних производителей входят Communications & Power Industries (США), Gycom (Россия), Thales Group (ЕС), Toshiba (Япония, ныне Canon, Inc. ), [10] также из Японии) и Bridge12 Technologies . Разработчики системы включают Gyrotron Technology .
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Ричардс, Марк А.; Уильям А. Холм (2010). «Источники питания и усилители» . Принципы современной радиолокации: основные принципы . Научно-техническое издательство, 2010. с. 360. ИСБН 978-1891121524 .
- ^ Бланк, М.; Борчард, П.; Кауфман, С.; Фелч, К.; Розай, М.; Тометич, Л. (01 июня 2013 г.). «Экспериментальная демонстрация гиротрона 527 ГГц для динамической поляризации ядра». 2013 Тезисы Международной конференции IEEE по науке о плазме (ICOPS) . п. 1. дои : 10.1109/PLASMA.2013.6635226 . ISBN 978-1-4673-5171-3 . S2CID 31007942 .
- ^ Исследования и установки в области высоких магнитных полей (1979). Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. п. 51.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Что такое гиротрон?» . Мост12 Технологии . Проверено 12 ноября 2022 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Бори, Э. (ок. 1990 г.). «Обзор теории гиротрона» (PDF) . Сеть конференций EPJ . KfK 4898. 149 : 04018. Бибкод : 2017EPJWC.14904018N . doi : 10.1051/epjconf/201714904018 . Проверено 9 июля 2014 г.
- ^ «Общая характеристика гиротрона» . Федеральная политехническая школа Лозанны . Проверено 12 ноября 2022 г.
- ^ «Квайз Энергия» . Квайз Энерджи . Проверено 19 апреля 2022 г.
- ^ Блейн, Лоз (25 февраля 2022 г.). «Технология термоядерного синтеза призвана открыть практически безграничные возможности сверхглубокой геотермальной энергии» . Новый Атлас . Проверено 5 августа 2022 г.
- ^ Национальный исследовательский совет (США). Группа по исследованиям и установкам сильных магнитных полей (1979). «Оборонная техника – высокочастотное излучение» . Исследования и установки в области высоких магнитных полей . Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. стр. 50–51. ISBN 9780309304351 . OCLC 13876197 .
- ^ Тумм, Манфред (2020). «Современное состояние мощных гироприборов и мазеров на свободных электронах» . Журнал инфракрасного излучения . 41 (1): 1. Бибкод : 2020JIMTW..41....1T . дои : 10.1007/s10762-019-00631-y . S2CID 209747370 .
Внешние ссылки [ править ]
- Гиротрон
- Купишевский, А. (1979). «Гиротрон: высокочастотный микроволновый усилитель» (PDF) . Отчет о ходе работы сети дальнего космоса . 42 (52): 8–12. Бибкод : 1979dsn..nasa....8K . Код НАСА 310-10-64-10.