Сотрудники Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород) разработали многочастотный двухканальный квазиоптический преобразователь для источников мощного СВЧ-излучения — гиротронов.

Новая система позволит расширить диапазон рабочих частот, а также спектр задач, которые можно выполнять с помощью одного прибора. Работы проводились при поддержке госкорпорации «Росатом». Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Transactions on Electron Devices.

Гиротрон — это электровакуумный прибор, источник мощного микроволнового излучения. Он используется для таких задач, как нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, спекание керамики, диагностика различных сред, проведение химических и биохимических реакций.

В гиротроне ускоренные электроны, вращающиеся в сильном магнитном поле, могут эффективно отдавать свою энергию микроволновому излучению с определенными частотами. Однако чтобы вывести эту энергию изнутри прибора, излучение должно пройти через окно, отделяющее вакуум от внешней среды. Такие окна должны выдерживать большие мощности, и обычно изготавливаются из алмаза или нитрида бора. У окна есть так называемые «полосы пропускания» — определённые частоты, на которых излучение свободно проходит через него. Сочетание доступных частот генерации и частот пропускания окна определяет доступные рабочие частоты гиротрона. Их у мощных гиротронов обычно 1-2. Это значит, что круг научных задач, которые можно выполнять с помощью этих приборов, достаточно ограничен.

Сотрудники ИПФ РАН разработали новый элемент электродинамической системы гиротрона, который теоретически позволит увеличить количество рабочих частот прибора, — многочастотный двухканальный квазиоптический преобразователь. Идея основана на том, что в гиротроне электромагнитное поле с разными частотами может вращаться в разные стороны. Это позволяет направить излучение с разными частотами в несколько окон со своими полосами пропускания. Новый преобразователь состоит из двух частей: первая из них — это излучатель, формирующий направленные пучки микроволнового излучения, а вторая — это две серии зеркал, с помощью которых излучение направляется в одно из двух алмазных окон.

Расчёты проводились для уже созданного в ИПФ РАН гиротрона, работающего на единственной частоте 250 ГГц с мощностью до 330 кВт. Исследование показало, что благодаря новому двухканальному квазиоптическому преобразователю, прибор сможет работать на 5 частотах в диапазоне от 176 до 250 ГГц, при этом сохраняя ту же эффективность, как и при работе на одной частоте.

«Процесс работы открытого волноводного излучателя гиротрона грубо можно рассматривать как непрерывный поток лучей, которые последовательно по спирали переотражаются от стенок волновода, хотя в самом приборе используется не видимый свет, а микроволновое излучение. Разделение на два канала вывода излучения происходит по направлению вращения траекторий лучей вокруг оси волновода. Соотношение размера излучателя и длины волны соответствует «квазиоптике», поэтому вся система носит название «квазиоптическая», — комментирует Антон Гаштури, научный сотрудник отдела электронных приборов ИПФ РАН. — «Наш преобразователь объединяет в себе разработки нескольких научных групп института, наших коллег. В первую очередь, мы основывались на идеях преобразователя, разработанном Г.Г. Денисовым и А.В. Чирковым, который позволяет на одной частоте вводить управляющее излучение в гиротрон через одно окно и выводить генерируемое излучение этого же гиротрона в другое окно. А во-вторых, мы применили метод синтеза профиля волновода, который разработал Д.И. Соболев. Благодаря этому методу можно рассчитать форму волновода — внутренней поверхности излучателя гиротрона — таким образом, чтобы он собирал излучение на разных частотах в аккуратные пучки и позволял выводить их без энергетических потерь».

Сейчас учёные продолжают работать над совершенствованием подхода. В дальнейшем исследователи планируют применить его и для более мощных, мегаваттных гиротронов, одна из областей применения которых — это установки управляемого термоядерного синтеза.