Гиротрон — электровакуумный СВЧ -генератор, представляющий собой разновидность мазера . Источником СВЧ-излучения является электронный пучок, вращающийся в сильном магнитном поле . Излучение генерируется на частоте, равной циклотронной , в резонаторе с критической частотой, близкой к генерируемой. Гиротрон был изобретён в Советском Союзе в НИРФИ в г. Горьком (ныне — Нижний Новгород).

Излучает волны с частотами 20—1300 ГГц. Мощность — от 1 кВт до 1—2 МВт. Релятивистские гиротроны могут генерировать излучение мощностью до 10 МВт.

Разработка

Гиротроны были разработаны под руководством А. В. Гапонова-Грехова , которому вместе с коллегами за это были вручены две Государственные премии СССР :

• премия 1967 года — за теоретическое и экспериментальное исследование индуцированного циклотронного излучения, приведшее к созданию нового класса электронных приборов — мазеров на циклотронном резонансе (МЦР);
• премия 1983 года — за цикл работ «Мощные гиротроны диапазона миллиметровых волн и энергетические гиротронные комплексы для исследований» (1967—1981).

Принцип действия

Гиротрон представляет собой разновидность . Это означает, что в основе его работы лежит эффект вынужденного излучения свободных электронов , помещённых во внешнее магнитное поле и вращающихся с циклотронной частотой , равной частоте излучения.

Объяснение принципа работы гиротрона возможно как с квантовой, так и с классической точки зрения.

С квантовой точки зрения электрон, помещённый в магнитное поле, представляет собой гармонический осциллятор , уровни энергии которого представляют собой хорошо известные уровни Ландау . В нерелятивистском приближении энергетические уровни Ландау эквидистантны, что означает, что вероятности вынужденного излучения и резонансного поглощения излучения электронами равны между собой, и следовательно, генерация излучения невозможна. Существуют разные способы нарушить это равенство, но в гиротронах используется принципиальная неэквидистантность уровней, обусловленная релятивистскими эффектами . При этом сами электроны обычно имеют скорости много меньше скорости света , поэтому эта неэквидистантность мала. Чтобы в таких условиях была возможна генерация, требуется, чтобы линии поглощения и излучения были достаточно узкими. Обычно этого невозможно добиться в силу доплеровского уширения этих линий. Однако в резонаторах, работающих вблизи критической частоты (то есть частоты, ниже которой распространение волн в данном резонаторе невозможно), волновой вектор волны практически перпендикулярен магнитному полю, и эффект Доплера практически отсутствует. Таким образом, удаётся реализовать классическую схему вынужденного излучения в системе с неэквидистантным спектром, аналогичную мазерам и лазерам на атомах.

С классической точки зрения генерация в гиротронах объясняется неустойчивостью пучка вращающихся в магнитном поле электронов при наличии электромагнитной волны на резонансной частоте, приводящей к фазовой группировке электронов и усилению волны. При этом условие между электронами и излучением имеет вид

${\displaystyle \omega -k_{\parallel }v_{\parallel }\approx s\omega _{\text{c}},}$

где ω — частота излучения, ω _c — циклотронная частота, ${\displaystyle k_{\parallel },v_{\parallel }}$ — продольные (относительно направления магнитного поля) волновой вектор излучения и скорость электронов, ${\displaystyle s=\pm 1,\pm 2,\dots }$ . В гиротронах это условие удовлетворяется за счёт работы на частотах, близких к критическим частотам резонатора, для которых ${\displaystyle \omega /k_{\parallel }\gg c}$ ( ${\displaystyle c}$ — скорость света ), таким образом, добавка ${\displaystyle k_{\parallel }v_{\parallel }}$ , обусловленная эффектом Доплера, мала, что повышает КПД устройства. Обычно гиротроны работают на первой гармонике циклотронной частоты ( ${\displaystyle s=1}$ ), но возможно осуществление генерации и на кратных частотах.

Из теории волноводов известно, что критическая мода волновода практически полностью отражается даже от открытого конца. Излучение происходит только за счёт дифракции . Поскольку гиротроны работают на частотах, близких к критическим, это позволяет использовать в их устройстве , что является одним из преимуществ гиротронов. В современных гиротронах используется также специальное преобразование вышедшего излучения в гауссов пучок за счёт использования изогнутых зеркал специальной формы.

Важным для работы гиротрона является и устройство источника электронов — катода . Чтобы электроны эффективно отдавали свою энергию излучения, необходимо, чтобы они имели существенные поперечные скорости. Этого можно достичь, лишь если на поверхности катода существует достаточно большое электрическое поле , поперечное магнитному полю. Поэтому катоды в гиротронах работают вдали от режима насыщения пространственным зарядом.

Применение

Первым применением гиротронов стало наблюдение эффекта самофокусировки СВЧ-волн в плазме .

Одним из главных применений является нагрев плазмы в установках термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы . В частности, в установке ITER предполагается использование 24 гиротронов мощностью 0,6—1 МВт. Восемь из них должны быть созданы на предприятии в Нижнем Новгороде совместно с Институтом прикладной физики РАН , ещё восемь — в Японии, и ещё восемь — в Европе. К исходу 2022 года ГИКОМ поставил к месту создания ITER 4 гиротрона с характеристиками: длина волны — 1 миллиметр (то есть частота — 300 гигагерц ), мощность — 1 мегаватт , коэффициент полезного действия : 50—55 процентов .

Гиротроны также применяются в спектроскопии .

Примечания

Литература

• / В. А. Флягин. — Горький: ИПФ АН СССР, 1980. — 248 с. — 250 экз. от 8 апреля 2017 на Wayback Machine
• / А. В. Гапонов-Грехов . — Горький: ИПФ АН СССР, 1981. — 256 с. от 6 апреля 2017 на Wayback Machine
• / В. А. Флягин. — Горький: ИПФ АН СССР, 1989. — 217 с. — 500 экз. от 28 марта 2017 на Wayback Machine

Ссылки

• Гиротрон — статья из Большого Энциклопедического словаря
• — статья из Физической энциклопедии