Исследование параметров излучения мощных гиротронов и разработка СВЧ-трактов для установок УТС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

Малыгин Владимир Иванович

Исследование параметров излучения мощных гиротронов и разработка СВЧ-трактов для установок УТС

01.04.03. — радиофизика

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.ф.-м.н. Денисов Г.Г.

Нижний Новгород — 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................................4

1 ГЛАВА. Тепловизионный метод измерения параметров волновых пучков

гиротронов. ......................................................................................................................11

1.1 Измерение распределения мощности СВЧ излучения гиротрона тепловизионным способом............................................................................11

1.2 Определение параметров волнового пучка гиротрона на основе тепловизионных измерений..........................................................................14

1.3 Использование тепловизионного метода измерений для определения параметров волнового пучка промышленных и экспериментальных гиротронов. .................................................................17

2 ГЛАВА. Измерение модового состава примесного СВЧ излучения аксиально-

симметричного гиротрона, имеющего круглый волновод на выходе. ...............33

2.1 Способ измерения модового состава примесного СВЧ излучения из круглого сверхразмерного волновода по распределению мощности в дальней зоне......................................................................................................33

2.2 Решение модельных задач для определения точности метода и области его применения................................................................................43

2.3 Определение модового состава СВЧ излучения экспериментального коаксиального гиротрона на большом уровне мощности. .................44

3 ГЛАВА. Комбинированные линии передачи для установок УТС.......................51

3.1 Двухзеркальная схема согласования волнового пучка гиротрона с линией передачи...............................................................................................51

3.2 Возбуждение гауссовым волновым пучком круглого сверхразмерного идеально проводящего волновода.............................54

3.3 Возбуждение гауссовым волновым пучком круглого сверхразмерного волновода с импедансной стенкой. Металлодиэлектрические и гофрированные волноводы....................75

3.4 Расчёт и проверка комбинированной линии передачи для установок УТС......................................................................................................................82

Заключение. ................................................ .........................................................................92

Литература...........................................................................................................................94

Исследование параметров излучения мощных гиротронов и разработка СВЧ-трактов для установок У ТС.

Введение

За последние десятилетия отмечалось бурное развитие электроники больших мощностей (ЭБМ), связанное с расширением области применения мощного когерентного излучения миллиметрового диапазона длин волн.

Наиболее ярким примером использования приборов ЭБМ могут служить слаборелятивистские гиротроны [1, 2, 3, 4], которые работают в непрерывном или квазинепрерывном режимах в коротковолновой части сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. В своём диапазоне длин волн они являются наиболее мощными источниками излучения (с выходной мощностью порядка 1 МВт) и широко используются для электронно-циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу (УТС) [5, 6].

Транспортировку мощного СВЧ излучения с малыми потерями в волноводах лучше всего осуществлять волнами НЕ1Ь ТЕоь ТЕц круглого сверхразмерного волновода [7, 8], а в открытых квазиоптических линиях — гауссовым волновым пучком [9]. Схема передающей линии зависит от типа волны излучаемой из гиротрона. Гиротроны, работающие на симметричных модах ТЕоп и имеющие мощность около 200 кВт на частотах до 100 ГГц, использовались на токамаках DIII-D [10], JET [11], на стеллараторе WVII-AS [12] и ряде других установок. Для транспортировки СВЧ мощности на этих установках использовались закрытые волноводные линии. По принципу построения все эти линии похожи. Генерируемая из гиротрона волна ТЕ02 преобразовывалась в волну ТЕоь обладающую самыми малыми потерями в гладком круглом металлическом волноводе, и передавалась до установки, где преобразовывалась в волну ТЕц или НЕ1Ь каждая из которых обладает узкой диаграммой направленности, что необходимо для экспериментов с плазмой.

Современные мощные гиротроны (с выходной мощностью порядка 1МВт) работают на пространственно развитых модах TEmn (m,n»l) [13, 14,

15] и имеют встроенный квазиоптический преобразователь рабочей моды в волновой пучок [16. 17]. СВЧ излучение таких гиротронов представляет собой смесь волнового пучка и паразитного примесного излучения, распространяющегося под большими углами к направлению распространения основного пучка. Примесное излучение на выходе гиротронов составляет от 5% до 15%, в зависимости от типа преобразователя [18]. Для транспортировки таких пучков от гиротрона до установки УТС, во первых, необходимо знание реальных параметров волнового пучка гиротрона, а во вторых^ необходима передающая линия с малыми потерями. Выполнение первого требования осложняется тем, что измерение распределения мощности СВЧ излучения гиротрона необходимо производить на мегаваттных уровнях мощности, что практически невозможно осуществить при помощи стандартных детекторов, работающих на матом уровне мощности (до нескольких ватт). Использование закрытых систем для транспортировки такого излучения затрудняют примеси [19]. Примеси возбуждают в волноводе высшие моды, которые имеют большие потери и при увеличении энергии в СВЧ импульсе приводят к пробоям, что делает практически невозможным использование чисто закрытых систем. Открытые квазиоптические линии могут быть использованы, однако и они обладают рядом недостатков, таких как большие габаритные размеры, которые увеличиваются, если требуется экранировка всей линии, а также ощутимые омические потери на зеркалах [20]. Следует особо отметить, что без знания реальных параметров волнового пучка гиротрона невозможно сделать передающую линию с малыми потерями.

Цель диссертационной работы состояла в разработке методов измерения параметров волнового пучка мощных гиротронов, определения модового состава аксиально-симметричных гиротронов и создании линии передачи СВЧ излучения гиротрона мегаваттного уровня мощности с малыми потерями. Научная новизна.

1. Предложен тепловизионный способ измерения распределения интенсивности СВЧ излучения при мегаваттных уровнях мощности.

2. Предложен метод аппроксимации волнового пучка гиротрона гауссовым. На основе тепловизионных измерений распределения мощности волнового пучка в нескольких сечениях по пути распространения в свободном пространстве находится идеальный гауссов пучок, имеющий максимальный коэффициент связи с реальным волновым пучком.

3. Предложен способ определения модового состава примесного СВЧ излучения аксиально-симметричного гиротрона со сверхразмерным круглым волноводом на выходе.

4. Предложена двухзеркальная схема согласования волнового пучка гиротрона с последующей волноводной или зеркальной линией передачи, позволяющая фильтровать примесное излучение и формировать оптимальный гауссов пучок.

5. Предложена комбинированная линия передачи, состоящая из участков зеркальной и волноводной линий, для транспортировки СВЧ излучения от гиротрона до установок УТС.

Практическая значимость.

Методы, разработанные в диссертационной работе, были использованы при определении параметров волновых пучков мощных промышленных гиротронов, используемых на установках УТС. На основе этих данных были рассчитаны параметры зеркал комбинированных линий передачи. При разработке мощных коаксиальных гиротронов была использована методика для определения модового состава примесного СВЧ излучения. Комбинированные линии передачи использовались в качестве передающих линий в СВЧ комплексах по нагреву плазмы на установках УТС.

Использование результатов работы.

Разработанный в результате диссертационной работы метод по определению параметров волнового пучка гиротрона использовался в ИПФ РАН, НПО "Салют", ГНПП "Торий", ЗАО НПП "Гиком". При разработке мощных коаксиальных гиротронов в ИПФ РАН была использована методика для определения модового состава примесного СВЧ излучения. Разработанные комбинированные линии передачи использовались в СВЧ

комплексах по нагреву плазмы на токамаках Т-15, Т-10 (ИАЭ им. И.В Курчатова) и НЬ-1 (Чэнду, Китай). Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. В диссертации 99 страниц, включая 81 страницу основного текста, 62 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 61 наименования. Краткое содержание диссертации по главам.

Глава 1 посвящена тепловизионному методу измерения распределения интенсивности СВЧ излучения мощных гиротронов. Описана методика определения параметров волнового пучка гиротрона на основе измерений двумерного распределения мощности в нескольких сечениях по пути распространения пучка.

В разделе 1.1 описывается тепловизионный способ измерения распределения интенсивности СВЧ излучения при больших уровнях мощности. На примере решения однородного уравнения теплопроводности, показано как расплывается гауссово распределение тепла на полубесконечной пластине во времени в зависимости от радиуса гауссова пучка. Определено время регистрации температурного рельефа на пластине, при котором эффектом расплывания тепла можно пренебречь. Показано, что, при соблюдении определённых условий эксперимента, распределение температуры на пластине при нагреве её СВЧ излучением соответствует распределению мощности этого излучения.

В разделе 1.2 предлагается метод аппроксимации волнового пучка гиротрона гауссовым пучком, с которым существует максимальный коэффициент связи. Метод основан на тепловизионных измерениях распределения мощности СВЧ излучения гиротрона в нескольких сечениях по пути распространения в свободном пространстве.

В разделе 1.3 приведены результаты применения данного метода при измерении параметров волнового пучка экспериментального гиротрона, работающего на моде ТЕ15 4 и имеющего встроенный высокоэффективный (г) г 95%) квазиоптический преобразователь моды круглого волновода в гауссов пучок. Показано, что экспериментальные результаты близки к теоретическим. Это свидетельствует о хорошей точности данного метода.

Анализ результатов измерений волновых пучков промышленных гиротронов, производимых в НПО "Салют", ГНПП "Торий" и ЗАО НПП "Гиком" показывает, что существующая технология изготовления, сборки и термообработки мощных гиротронов недостаточна хороша для получения идентичных пучков гиротронов одной серии, с необходимой для потребителя точностью. Поэтому существует необходимость в измерении волнового пучка каждого гиротрона.

В главе 2 предлагается способ измерения модового состава примесного СВЧ излучения аксиально-симметричного гиротрона, имеющего круглый волновод на выходе.

В разделе 2.1 приведён анализ диаграммы направленности излучения из сверхразмерного круглого волновода. Показано, что максимум мощности высших мод гиротрона ТЕтп излучается под углом Бриллюэна и моды, имеющие одинаковую азимутальную структуру, не излучают в максимум мощности друг друга. Используя эти свойства, можно по диаграмме направленности определять долю мощности примесных мод аксиально-симметричных гиротронов.

В разделе 2.2 проведено тестирование данного способа на основе модельных задач. Определены точность и область применения данного метода. Результаты тестов показали высокую точность (несколько процентов) определения соотношения мощности основной моды выходного излучения (рабочей моды гиротрона) и суммарной мощности примесных мод. Именно эта характеристика является наиболее важной для контроля правильности изготовления и настройки систем преобразования и транспортировки генерируемых СВЧ колебаний. Точность определения соотношения указанных мощностей возрастает при уменьшении количества примесей (числа примесных мод и их относительной мощности).

В разделе 2.3 приводятся результаты эксперимента по определению модового состава примесного СВЧ излучения коаксиального гиротрона с выходной мощностью 400кВт на длине волны >^=2.86мм. Показано, что результаты метода близки к расчётам. Применение способа позволило выявить основные причины появления примесного излучения в аксиально-симметричном гиротроне.

В главе 3 описано и продемонстрировано применение комбинированной линии передачи, которая представляет собой сочетание участков зеркальной и волноводной линий передач, для транспортировки СВЧ излучения от гиротрона до установок УТС.

В разделе 3.1 предложена двухзеркальная схема согласования волнового пучка гиротрона с передающей линией. Эта схема позволяет фильтровать и поглощать паразитное примесное излучение, а также формировать оптимальный гауссов пучок для дальнейшей передающей линии. Зеркала рассчитываются на основе тепловизионных измерений параметров волнового пучка гиротрона, по методу, описанному в первой главе. Такая схема позволяет минимизировать потери при транспортировке гауссовой компоненты волнового пучка гиротрона.

В разделе 3.2 определены оптимальные параметры гауссова пучка и вычислены допустимые отклонения от этих параметров, при которых потери при его прохождении по круглому идеально проводящему сверхразмерному волноводу минимальны. Показано, что наиболее критичными параметрами, влияющими на эффективность прохождения гауссова пучка по волноводу, являются радиус пучка на входе в волновод и угол между осью волновода и направлением распространения пучка по сравнению со смещением пучка в волноводе, эллиптичностью и радиусом кривизны фазового фронта.

В разделе 3.3 определены оптимальные параметры гауссова пучка и вычислены допустимые отклонения от этих параметров, при которых потери при его прохождении по круглому сверхразмерному волноводу с импедансной стенкой минимальны. Исследовались металлодиэлектрические и гофрированные волноводы. Показано, что наиболее критичными параметрами, влияющими на эффективность прохождения гауссова пучка по волноводу, являются радиус пучка на входе в волновод и угол между осью волновода и направлением распространения пучка.

В разделе 3.4 описаны комбинированные линии токамака Т-15. Приведены экспериментальные результаты проверки прототипа этих линий. Измеренные потери в линии практически совпали с расчётами. Следовательно, требования, предъявляемые к параметрам пучка на входе в линию и точности юстировки всей линии, реально выполнимы. Проверена

работоспособность гофрированного волновода в комбинированной линии Т-10. Описана комбинированная линия, установленная и введённая в эксплуатацию на токамаке НЬ-1 (Чэнду, Китай). Продемонстрирована работоспособность и надёжность комбинированной линии передачи.

Основные материалы диссертации содержатся в статьях [18, 29, 47 -54] и докладывались на 16^ международной конференции инфракрасных и миллиметровых волн (Лозанна, Швейцария, 1991) [14], 10й конференции по мощным радио волнам в плазме (Бостон, США, 1993) [55], международном рабочем совещании по электронно-циклотронному резонансному нагреву (Густизинг, Германия, 1992) [56], 18й международной конференции инфракрасных и миллиметровых волн (Колчестер, Великобритания, 1993) [57], 15й конференции по физике плазмы и исследованию управляемой термоядерной реакции (Севилья, Испания, 1994) [58], 20й международной конференции инфракрасных и миллиметровых волн (Флорида, США, 1995) [59], 21й международной конференции инфракрасных и миллиметровых волн (Берлин, Германия, 1996) [60, 61], 10м международном рабочем совещании по электронно-циклотронному излучению и электронно-циклотронному нагреву (Амеланд, Голландия, 1997) [33].

1 ГЛАВА. Тепловизионный метод измерения параметров волновых

пучков гиротронов.

При разработке и создании мощных длинно импульсных гиротронов миллиметрового диапазона, предназначенных для нагрева плазмы в термоядерных установках, существует необходимость экспериментального определения параметров СВЧ излучения, формируемого электродинамической системой гиротрона. Потребность в объективной информации о структуре генерируемых колебаний связана с задачей минимизации потерь СВЧ энергии при её передачи от резонатора гиротрона к потребителю. Экспериментальное определение параметров СВЧ излучения осложняется тем обстоятельством, что соответствующие измерения должны проводиться в режимах, близких к рабочему режиму гиротрона. При мегаваттных уровнях мощности современных гиротронов прямые измерения структуры выходного излучения с