Глявін м Ю, Морозкін М В, Петелін М І Інститут прикладної фізики РАН Ул Ульянова, д 46, ГСП-120, м Нижній Новгород, 603950, Росія Тел: +7 (8312) 164628 e-mail: morozkin @ appl sci-nnov ru

Анотація – Проаналізовано енергетичні спектри електронів в колекторної області сучасних технологічних гіротронов на гармоніках гірочастоти і знайдені оптимальні за підсумковим ККД довжина резонатора і струм пучка Для розділення енергетичних фракцій електронного потоку пропонується ввести в колекторних область гіропріборов співвісним соленоїду феромагнітне кільце, що може підвищити ефективність рекуперації при осадженні електронів на Секціонірованние колектор

I                                       Введення

Використання потужного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль викликає все більшу увагу для широкого кола завдань створення матеріалів з новими властивостями [1] Створені в ІПФ РАН гіротронние комплекси [2] мікрохвильової обробки матеріалів не мають світових аналогів за своїми технічними параметрами та функціональними можливостями, але поступаються системам дециметрового діапазону по ефективності Одним з методів підвищення ККД може бути осадження відпрацьованого електронного потоку на колектор з потенціалом меншим, ніж потенціал резонатора [3]

II Метод і результати розрахунків

Глибоке гальмування електронів без їх відображення можливо, якщо мінімальна енергія електронів у відпрацьованому пучку досить велика для цього високочастотне поле в просторі взаємодії повинно володіти сприятливій «адіабатичної» поздовжньої структурою Методи чисельного розрахунку енергетичних спектрів перевірялися експериментальними вимірами з використанням аналізатора, заснованого на дії гальмуючого електричного поля [4] Розрахунки показують, що ефективна одноступенева рекуперація вимагає переходу до більш довгому резонатору, при цьому вихідний ККД збільшується приблизно в 125 рази Додаткові можливості для рекуперації зявляються, якщо енергетичні фракції електронного пучка розділити просторово і кожну з них посадити на ділянку колектора з відповідним потенціалом Для поділу фракцій пропонувалося, зокрема, пропускати електронний пучок в колекторної області гіротрона через неоднорідність магнітного поля, створену соленоидом, включеним протилежно по відношенню до основного магніту [5] але, як показали розрахунки, в цьому випадку неоднорідність поля тягне за собою наявність відбитих електронів Менша і, можна сподіватися, «безотра-жательная» неоднорідність може бути реалізована при використанні феромагнітного кільця, яке в розглянутій тут плоскою моделі замінене циліндричним стрижнем з великою магнітною проникністю

У гіротронах, як правило, розкид провідних центрів електронних орбіт малий у порівнянні з Ларма-Ровський радіусом і, відповідно, можна вважати, що на вході в сепаратор (область невозмущенного магнітного поля, де утворює колектора паралельна силовим лініям) осі всіх електронних траєкторій знаходяться на однаковій відстані від колектора Для ефективного гальмування практично вся енергія електронів поблизу колектора повинна бути зосереджена в продельной складової, т е необхідне виконання умови g = (Ut / U,) ~ (H / Hresf “= (Rres / R)« 1

Рис 1 Загальний вигляд сепаратора і траєкторії електронів

Fig 1 The separator general view and trajectory of electrons

У магнітному полі сепаратора електрони, що мають малу енергію, рухаються адиабатически і, слідуючи силових лініях, висаджуються на колектор, а для швидких електронів розмір неоднорідності малий, і вони пролітають область сепаратора Безпосереднє інтегрування рівнянь руху (використовувався метод Рунге-Кутта) дозволяє побудувати траєкторії руху електронів і розрахувати частку минулих сепаратор частинок залежно від початкових умов

При ненульовий поперечної швидкості проходження електрона через сепаратор залежить від фази циклотронного обертання, оскільки в область колектора електрони, мають однакову швидкість, входять з різними початковими координатами обумовленими їхніми фазою Коефіцієнт проходження Т, рівний відношенню числа пройшли сепаратор електронів до числа електронів на вході в сепаратор, при цьому може змінюватися від Про до 1 Наявність інтервалу енергій, в якому можливо висаджування електронів на колектор, має два негативних слідства По-перше, знижується значення гальмуючого електростатичного потенціалу колектора, яке визначається мінімальною залишковою енергією електронів (відображення електронів від колектора призводить до розвитку різного роду неустойчивостей електронного потоку, що супроводжуються зниженням ефективності енергообміну електронів з ВЧ полем) По-друге, зниження числа пройшли через сепаратор електронів зменшує ефективність подальшої рекуперації

На площині (utr: Uz) – Utr поперечна, поздовжня швидкості – всі електрони зосереджені нижче лінії максимально можливого питч-фактора Проекція точки її перетину з ізолінією Т = 0 на вісь поздовжніх швидкостей дозволяє знайти значення гальмуючого потенціалу наступному ступені колектора U = Uz (m/2e) Усі минулі сепаратор електрони будуть мати енергію більшу, ніж гальмуючий потенціал і можуть бути перехоплені без небезпеки відображення електростатичним полем

При проходженні сепаратора частина поздовжньої енергії електронів перекачується у обертальну складову і перед гальмуванням потрібно додатково розмагнітити електронний пучок в плавно спадающем магнітному полі

Пропонована система не іскпючает можливості відображення частини електронного потоку від неоднорідності магнітного поля Однак при розрахунках для великого числа електронів з різними енергіями і фазами випадків відображення зафіксовано не було Це дозволять припустити, що число відбитих від сепаратора електронів мало, і вони не зроблять значного впливу на роботу приладу

III                                  Висновок

Описаний магнітний сепаратор може бути використаний для збільшення ефективності рекуперації в гіротронах на гармоніках гірочастоти і гіроусілітелях, де мінімальна енергія електронів на виході з простору взаємодії настільки мала, що найпростіша одноступенева рекуперація стає малоефективною

Пропоновані підходи до вирішення завдання підвищення ефективності гироприборов базуються на проведених раніше дослідженнях, розрахунках і лабораторних тестах Подальший розвиток апробованих методів та їх застосування до конкретних, використовуваним в складі квазіпромишленних Гіро-тронних комплексів пристроям, дозволить якісно поліпшити їх енергетичні показники і розширити сфери застосування спеціалізованого обладнання для вирішення завдань сучасного матеріалознавства

Робота виконана за часткової підтримки РФФД, грант 04-02-17114

IV                           Список літератури

[1]  Novel Materials Processing by Advanced Electromagnetic Energy Sources, MAPEESO4, Elsevier Ltd, London, UK, ed S Miyake, (458 pages), 2005

[2]  Yu Bykov, A Eremeev, et al 24-84 GHz Gyrotron Systems for Technological Microwave Applications, IEEE Transactions on Plasma Science, vol32, no1, pp67-72, 2004

[3] Гольденберг A Л, Мануйлов В Η, Бородачова Т Б Про рекуперації в гіротроне У книзі «Гіротрон», Горький, 1989, с161-180

[4] Венедиктов Н П, Глявін М Ю та ін Дослідження енергетичного спектру електронного пучка після взаємодії з вч полем в гіротроне ЖТФ, т70, Вип12, с 63-66, 2000

[5] / Kulagin, V Manuilov, М Peteiin, Ν Za / fsev / Separation of energetic fractions of electron beam by cusped magnetic field Proceedings of the International Workshop Strong Microwaves in Plasmas, N Novgorod, ed A Litvak, 1997, v2, pp723-729

MAGNETIC SEPARATOR OF ELECTRONS FOR GYRODEVICES WITH MULTISTAGE DEPRESSED COLLECTOR

Glyavin M Yu, Morozkin M V, Peteiin M I

Institute of Applied Physics RAS 46, Uliyanov Str, Nizhniy Novgorod, 603950, Russia Ph: (8312) 164628, E-mail: morozkin@applsci-nnovru

Abstract – The energy spectrums ofeiectrons at the collector region are calculated and analysis of optimal to output efficiency cavity length is presented for gyrotron with energy recovery system The separation of the electron beam energy fractions in the collector region is organized by the installation ofthe ferromagnetic ring coaxial to the main solenoid This may increase the efficiency of the energy recovery for gyrodevices with the multistage depressed collector

I                                         Introduction

The gyrodevice-based systems developed at lAP RAS are comparable well with the lower frequency microwave sources in terms of power, stability, reliability of their operation, but have lower efficiency One of the most effective ways of output efficiency increasing is electron beam energy recovery in the collector region

II                   Calculation Method and Results

The numerical methods have been used for electron energy spectrum calculations The methods correctness was tested by comparison with experimental measurements by decelerating electric field analyzers The cavity length increasing is required for increasing of CPD recovery efficiency The new type simple design separator of electron beam energy fractions is presented for multistage depressed collectors The electrons separation is organized by the installation ofthe ferromagnetic ring coaxial to the main solenoid The necessary condition for effective energy recovery is g = (Ut/U,)~(H/Hresf^=(RreJR) « 1

At the separator region, the low energy electrons settle on the collector surface follow the field line, but high energy electrons pass over collector due to small size of heterogeneity For non-zero transverse velocity the electron going through separator also depends on oscillatory phase The propagation coefficient T can be change from 0 up to 1 in a certain interval of energy This fact has two negative consequences: decreasing of the minimal electron energy (which is equal to collector decelerating potential) and reduction number of electrons passing through the separator (which is equal to recovery efficiency reduction) The value of decelerating potential of the next recovery stage ofthe collector can be find from the point of intersection the line of maximal pitch-factor g and T=0 line using energy balance equation U=Uz-(m/2e)^^

Some part of the electrons longitudinal energy converts to oscillatory energy at the separator region, so additional demagnetization in slow fall field is required

Generally speaking, electrons reflections from separator region can take place, but at numerical experiments such trajectory does not indicate Hence, the number of reflected electrons will be negligibly small and won’t influence operation in a real system

III                                       Conclusion

The presented separator can be used for efficiency increasing at harmonic gyrotrons and gyro-amplifiers where minimal electron energy is too low and CPD system is not effective The effective systems of energy recovery will promote expansion of gyrodevice-based systems to novel technology and industrial applications

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р