Гиротрон - Gyrotron

Чтобы узнать о бывшей аттракционе в парке развлечений Монреаля, см. La Ronde (парк развлечений).
Мощный гиротрон 140 ГГц для нагрева плазмы в Вендельштейн 7-X термоядерный эксперимент, Германия.

А гиротрон класс мощных линейно-лучевых вакуумные трубки который порождает миллиметровая волна электромагнитные волны циклотронный резонанс из электроны в сильном магнитное поле. Выход частоты от 20 до 527 ГГц,[1][2] покрытие длин волн от микроволновая печь к краю терагерцовый промежуток. Типичный выход полномочия варьируются от десятков киловатты до 1–2 мегаватты. Гиротроны могут быть предназначены для импульсной или непрерывной работы. Гиротрон был изобретен советские ученые[3] в НИРФИ, основанный в Нижний Новгород, Россия.

Принцип действия

Схема гиротрона

Гиротрон - это разновидность свободных электронов. мазер который генерирует высокочастотное электромагнитное излучение за счет стимулированного циклотронного резонанса электронов, движущихся в сильном магнитном поле.[4][5] Он может производить большую мощность на миллиметровых длинах волн, потому что как быстрая волна Устройство его габариты могут быть намного больше длины волны излучения. Это не похоже на обычную микроволновую печь. вакуумные трубки Такие как клистроны и магнетроны, в котором длина волны определяется одномодовым резонансная полость, а медленная волна структура, и, таким образом, по мере увеличения рабочих частот структуры резонансной полости должны уменьшаться в размерах, что ограничивает их возможности управления мощностью.

В гиротроне горячий нить в электронная пушка на одном конце трубы излучает кольцевой (полый трубчатый) пучок электроны, который ускоряется высоковольтным анод а затем проходит через большую трубчатую структуру резонансной полости в сильном осевом магнитное поле, обычно создается сверхпроводящий магнит вокруг трубки. Поле заставляет электроны двигаться спирально в плотных кругах вокруг силовых линий магнитного поля, когда они проходят через трубку в длину. В месте в трубке, где магнитное поле достигает своего максимума, электроны излучают электромагнитные волны в поперечном направлении (перпендикулярном оси трубки) на их частоте циклотронного резонанса. Миллиметровое излучение образует стоячие волны в трубке, которая действует как открытый конец резонансная полость, и формируется в пучок, который излучается через окно сбоку трубки в волновод. Отработанный электронный пучок поглощается коллекторным электродом на конце трубки.

Как и в других микроволновых лампах с линейным лучом, энергия выходных электромагнитных волн поступает от кинетическая энергия электронного пучка, обусловленного ускоряющим анодным напряжением. В области перед резонатором, где напряженность магнитного поля увеличивается, он сжимает электронный пучок, преобразуя скорость продольного дрейфа в поперечную орбитальную скорость в процессе, аналогичном тому, что происходит в магнитное зеркало используется в удержание плазмы.[5] Орбитальная скорость электронов в 1,5–2 раза больше их осевой скорости пучка. Из-за стоячих волн в резонансной полости электроны «сгущаются»; то есть их фаза становится последовательный (синхронизировано), так что все они одновременно находятся в одной точке своей орбиты. Поэтому они излучают когерентное излучение.

Скорость электронов в гиротроне слегка релятивистская (порядка, но не близка к скорости света). Это контрастирует с лазер на свободных электронах (и xaser ), которые работают на разных принципах и чьи электроны очень релятивистские.

Приложения

Гиротроны используются во многих промышленных и высокотехнологичных системах отопления. Например, гиротроны используются в термоядерная реакция исследовательские эксперименты по нагреванию плазма а также в обрабатывающей промышленности в качестве инструмента быстрого нагрева при обработке стекла, композитов и керамики, а также для отжига (солнечного и полупроводникового). Военные приложения включают Система активного отказа.

Типы

Выходное окно трубки, из которого выходит СВЧ-луч, может находиться в двух местах. В гиротроне с поперечным выходом луч выходит через окно сбоку трубки. Для этого требуется зеркало под углом 45 ° на конце резонатора для отражения микроволнового луча, расположенное с одной стороны, так что электронный луч пропускает его. В гиротроне с осевым выходом луч выходит через окно в конце трубки на дальнем конце цилиндрического коллекторного электрода, собирающего электроны.

Первоначальный гиротрон, разработанный в 1964 году, был осциллятором, но с тех пор гиротрон усилители были разработаны. Электронный пучок спирального гиротрона может усиливать приложенный СВЧ-сигнал аналогично тому, как прямой электронный пучок усиливается в классических СВЧ-лампах, таких как клистрон, поэтому существует ряд гиротронов, которые работают аналогично этим трубкам. Их преимущество в том, что они могут работать на гораздо более высоких частотах. Гиромонотрон (гирогенератор) - это гиротрон с одним резонатором, который функционирует как генератор. Гироклистрон - это усилитель, который работает аналогично клистрон трубка. Имеет два СВЧ-резонаторы вдоль пучка электронов входная полость вверх по потоку, в которую подается усиливаемый сигнал, и выходная полость после нее, из которой берется выходной сигнал. Гиро-ЛБВ - это усилитель, который функционирует аналогично лампа бегущей волны (ЛБВ). Он имеет структуру медленных волн, аналогичную ЛБВ, параллельному лучу, с входным микроволновым сигналом, подаваемым на передний конец, и усиленным выходным сигналом, принимаемым из нижнего конца. Гиро-ЛОВ - это генератор, работающий аналогично генератор обратной волны (BWO). Он генерирует колебания, распространяющиеся в направлении, противоположном электронному лучу, которые выводятся на входном конце трубки. Гиро-твистрон - это усилитель, который работает аналогично Twystron, трубка, объединяющая клистрон и ЛБВ. Подобно клистрону, он имеет входную полость на входе, за которой следуют полости группирования для группирования электронов, за которыми следует замедляющая структура типа ЛБВ, которая формирует усиленный выходной сигнал. Как и ЛБВ, он имеет широкую полосу пропускания.

Производители

Гиротрон был изобретен в Советский союз.[6] Настоящие производители включают Связь и электроэнергетика (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Гиком (Россия), Thales Group (ЕВРОПА), Toshiba (Япония, сейчас Canon, Inc.,[7] также из Японии), и Bridge12 Technologies. Разработчики системы включают Гиротронная технология.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Richards, Mark A .; Уильям А. Холм (2010). «Источники питания и усилители». Принципы современного радара: основные принципы. SciTech Pub., 2010. с. 360. ISBN  978-1891121524.
  2. ^ Бланк, М .; Borchard, P .; Cauffman, S .; Felch, K .; Rosay, M .; Тометич, Л. (01.06.2013). Экспериментальная демонстрация гиротрона 527 ГГц для динамической ядерной поляризации. 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.
  3. ^ Исследования и установки в сильном магнитном поле (1979). Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. п. 51.
  4. ^ "Что такое гиротрон?". Узнайте о спектроскопии ЯМР-ДНП. Мост 12 технологий. Получено 9 июля, 2014.
  5. ^ а б Бори, Э. (ок. 1990 г.). «Обзор теории гиротронов» (PDF). Сеть конференций EPJ. KfK 4898. 149: 04018. Bibcode:2017EPJWC.14904018N. Дои:10.1051 / epjconf / 201714904018. Получено 9 июля, 2014.
  6. ^ Национальный исследовательский совет (США). Панель по исследованиям и установкам сильного магнитного поля (1979). «Оборонные технологии - высокочастотное излучение». Исследования и установки в сильном магнитном поле. Вашингтон, округ Колумбия: Национальная академия наук. С. 50–51. OCLC  13876197.
  7. ^ Thumm, Манфред (2020). "Современное состояние мощных гироскопических устройств и мазеров на свободных электронах". Журнал инфракрасного. 41 (1): 1. Bibcode:2020JIMTW..41 .... 1Т. Дои:10.1007 / s10762-019-00631-у. S2CID  209747370.

внешняя ссылка