Cтраница 3
Работой, на которую он ссылался, были, вероятно, более ранние русские эксперименты с гиротроном. [31]
Известно, что электроны, движущиеся в магнитном поле, образуют среду, характеризующуюся существованием отрицательного поглощения электромагнитных волн определенных частот. На основе этой идеи был создан новый тип мощных СВЧ-генераторов, названных мазерами на циклотронном резонансе, или гиротронами. В работах [203 - 206] было показано, что для существенно релятивистских частиц в принципе возможно получение мазерного эффекта и на высоких гармониках циклотронной частоты. Отрицательное поглощение электронами в магнитном поле обусловлено релятивистскими добавками в законе зависимости энергии от скорости. Общие соотношения, связывающие мощность суммарного эффекта индуцированного излучения и поглощения с мощностью спонтанного излучения квазиклассических систем, были получены в [211 - 212] и позже переоткрыты в теории лазеров на свободных электронах. [32]
Была получена импульсная выходная мощность 1 6 МВт на частоте 16 ГГц и 150 кВт на частоте 54 ГГц. Как отмечается в монографии [11], другие устройства обеспечивали примерно такую же большую мощность на этих частотах, и разработка убитрона как СВЧ-прибора была временно приостановлена в связи с созданием гиротрона. [33]
К достоинствам СВЧ-приборов на виртуальном катоде следует отнести их следующие свойства: простота конструкции, большая выходная мощность, возможность работы без магнитного фокусирующего поля, широкая перестройка частоты генерации, возможность управления прибором внешним сигналом. Также генераторы на виртуальном катоде характеризуются компактностью, поскольку преобразование энергии электронного потока в энергию СВЧ-излучения происходит непосредственно в области его формирования, и не накладывают жестких требований на качество электронного пучка, предъявляемых обычно в таких приборах вакуумной СВЧ-электроники как релятивистские ЛБВ, карсинотроны, гиротроны, клистроны, ЛСЭ. [34]
В данной лекции уделим внимание применению открытых резонаторов в сверхвысокочастотной электронике. Открытые резонаторы применяются в целом ряде приборов вакуумной электроники: оротронах, гиротронах и различных вариантах лазеров на свободных электронах. Гиротронам и лазерам на свободных электронах будут посвящены отдельные лекции в следующем томе. В этой же лекции подробно будет рассмотрен оротрон - прибор типа О с открытым резонатором и отражающей решеткой, генерирующий излучение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. [35]
Полученная нами система укороченных уравнений достаточно сложна даже для численного ее решения. Поэтому обычно рассматриваются некоторые частные случаи, которые имеют важное значение для практической реализации гиротрона и понимания общих закономерностей в таких системах. Данный раздел посвящен рассмотрению аксиально-симметричного гиротрона в слаборелятивистском приближении. [36]
Эти итоги и были подведены в статье А.В. Гапонова-Грехова, М.И. Петелина и В.К. Юлпатова [31], в которой уже фигурировали главные элементы наиболее эффективного МЦР гиротрона. В этом же году группе горьковских радиофизиков И.И. Антакову, М.И. Петелину, В.А. Флягину, В.К. Юлпатову во главе с А.В. Гапоновым-Греховым была присуждена Государственная премия за теоретические и экспериментальные исследования индуцированного циклотронного излучения электронов, приведшие к созданию нового класса приборов - мазеров на циклотронном резонансе. С 1967 г. начинается и история гиротрона, когда была предложена его конструкция [39] и А.В. Гапонов-Грехов ввел сам термин. Любопытно в связи с этим замечание того же Дж. Необходимо подчеркнуть, что изобретение гиротрона результат программы, принятой в 50 - х годах Академией Наук СССР [40], официально одобрившей разработку мощных источников миллиметровых и субмиллиметровых волн. [37]
КПД возможен, когда изменение энергии электрона при взаимодействии с высокочастотным полем несущественно меняет их массу и, следовательно, циклотронную частоту. В противном случае, нарушается условие синхронизма. Это условие справедливо для большинства практически используемых конструкций гиротронов. Поэтому будем в дальнейшем рассматривать именно слаборелятивистское приближение для анализа выведенных нами укороченных уравнений. [38]
Число N собственных колебаний произвольного резонатора в некотором диапазоне длин волн Л определяется известным соотношением N - V / X3, где V - объем резонатора. Из условий (1.10), (1.11) понятно, что резонаторы гиротронов обладают плотным спектром. Если в полосу циклотронного резонанса попадают две или большее число мод, то возникающее их нелинейное взаимодействие, как правило, существенно ухудшает и эффективность гиротрона, и монохроматичность, и когерентность излучения. Отсюда следует необходимость селекции мод. [39]
Несомненно, что сейчас число публикаций еще более возросло. Активные исследования ведутся в России, США, Франции, КНР, Великобритании, Австралии, ФРГ, Швеции и других странах. В мире продолжается гиротронный бум, который начался более тридцати лет назад с публикацией на Западе кратких обзоров результатов, достигнутых в СССР по мощным генераторам миллиметровых длин волн - гиротронам - одной из разновидностей МЦР. [40]
На этих эффектах основано действие МЦР, среди к-рых с точки зрения получения больших мощностей в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн наиб, перспективны при слабо - и умеренно-релятивистских анергиях электронов гиротроны ( как генераторы, так и усилители), при ультЬарелятивистских - МЦАР. [41]
Аналогичные результаты получены на крупнейшем стеллараторе HELIOTRON-E ( R 220 см, а 20 см) в Киотском университете. На этой машине помимо опытов по введению пучка быстрых атомов в мишенную плазму были осуществлены также опыты по созданию и нагреву плазмы без тока омического нагрева с помощью одного только электронно-циклотронного нагрева на частоте 28 ГГц ( В 10 кГс) с мощностью 200 кВт и длительностью импульса гиротрона 40 мс. [42]
Казалось, что частотные области проводимости активной среды, соответствующие разным скоростным группам электронов, могут сместиться по частоте так, что область с отрицательной проводимостью перекроется областью с положительной проводимостью, и индуцированного излучения просто не будет [ 46, с. Но допле-ровского смещения нет при любой продольной скорости, если ограничиться излучением электромагнитных волн в направлении, перпендикулярном поступательному движению электронов 1), т.е., если использовать резонансную электродинамическую структуру ( например, длинный цилиндрический резонатор), в которой возбуждается мода с частотой, близкой к критической соответствующего волновода [ 31, с. В большинстве гиротронов поэтому применяются открытые цилиндрические резонаторы ( отрезки слабонерегулярных волноводов), поперечное сечение которых при рабочей длине волны близко к критическому, так что г. ф с, а, следовательно, и v v, и различие по скоростям дрейфа ведущих центров ( см. формулу (1.8)) оказывается несущественным. Открытые резонаторы были выбраны в первую очередь из-за того, что увеличивая поперечное сечение пространства взаимодействия, можно увеличить мощность гиротрона. [43]
Нагрев на электронном циклотронном резонансе довольно подробно исследован теоретически и экспериментально. Этот метод менее других возмущает плазму. Для использования этого метода в будущих крупномасштабных экспериментах необходима разработка мощных гиротронов с длиной волны - 2 мм. [44]
Те ( г), а он зависит от баланса между нагревом и потерями тепла за счет теплопроводности, и в разных установках профили могли бы быть разными. Однако на самом деле профили Те ( г) в разных токама-ках очень похожи друг на друга. Коппи [1], первым обративший внимание на это явление, назвал его согласованность профиля. Оно было исследовано более подробно в недавней серии экспериментов на Т-10 при различных значениях тока и плотности плазмы с возможностью как центрального, так и периферийного вклада мощности от гиротронов. Эксперименты показали, что при омическом нагреве плазмы по мере повышения отношения n / Jp, где п - средняя плотность плазмы, Jp - ток, распределения температуры Те ( г) и плотности тока J ( r) по радиусу стремятся к некоторому предельному профилю. Этот профиль плазма старается сохранить и при дополнительном нагреве: изменение профиля вклада мощности не изменяет предельного профиля, вместо этого происходит такая перестройка коэффициента теплопроводности, что исходный профиль сохраняется. Рисунок иллюстрирует этот факт. [45]