В. В. Алікаев Г. Г. Денисов2, В. Є. заспівувачем2, В. І. Курбатов3,

А. Г. Литва * ?, В. Є. Мясников3, Є. М. Тай3 1ИЯС РНЦ “Курчатовський інститут”, 2Інститут прикладної фізики РАН, 3НПП “Гіком”

Для формування, нагріву та стабілізації плазми в установках УТС розроблені мегаттние гіротрони з частотами 70-170 ГГц і тривалістю імпульсу від секунд до хвилин. На мегаватну рівні потужності ККД гіротронов досягає 40% без рекуперації і перевищує 50% з рекуперацією. Вихідна випромінювання з вікна гіротрона має структуру хвильового пучка і добре узгоджується з лініями передачі СВЧ-енергії.

Рис. 1. Загальна схема гіротрона

В рамках проблеми керованого термоядерного синтезу (КТС) для електронноціклотронного (ЕЦ) нагріву плазми, коли плазмовий струмом і придушення плазмових нестійкостей потрібні потужні джерела когерентного випромінювання міліметрового діапазону довжин хвиль з частотами від 70 до 170 ГГц і з рівнем потужності до 1 МВт при тривалості імпульсу від часток секунди до безперервної генерації (НГ). Практично безальтернативним приладом для досягнення цієї мети є гіротрон [1,2]. Вперше гіротрон був застосований для електронно-циклотронного нагрівання плазми в 1971 р [3]. В даний час ЕЦ-методи нагріву і генерації стаціонарних струмів стали невід’ємною частиною плазмового експерименту у великомасштабних термоядерних установках з магнітним утриманням плазми (токамаках і стелараторах). Використання гіротронов з мегаватну рівнем потужності, що працюють в безперервному режимі, планується і в міжнародному проекті ІТЕР, сумарна потужність першої черги ЕЦ- комплексу в якому повинна скласти 50 МВт.

Незважаючи на те що поставка гіротронов для зарубіжних термоядерних установок здійснюється, як правило, на базі міжнародного тендеру, в обстановці сильної конкуренції з такими відомими виробниками гіротронов як фірми CPI (США), Thomson (Франція),

Toshiba (Японія), більшість сучасних токамаков і стелараторів в лабораторіях за кордоном оснащені російськими гіротронамі НВП “Гіком” (близько 30 приладів) [4-6].

Гіротрон відноситься до класу мазерів на циклотронному резонансі, приладів, заснованих на индуцированном магнітотормозного випромінюванні електронів, що обертаються в магнітному полі і є неізохронністю осцилляторами внаслідок релятивистского ефекту.

Гіротрони (рис. 1) складаються з адіабатичній гармати магнетронного типу, відкритого резонатора з дифракційною висновком СВЧ-енергії і вихідного вузла, що включає в себе колектор електронів і зазвичай перетворювач СВЧ-випромінювання в хвильової пучок з лінійною поляризацією. Сильні магнітні поля, необхідні для роботи гіротронов міліметрового діапазону, створюються сверхпроводящими соленоїдами.

Головні проблеми, які необхідно вирішити при розробці гіротронов для УТС,

[4, 7]:

■ формування інтенсивних гвинтових електронних пучків (ЗЕП) з досить великою осциляторних енергією і прийнятним швидкісним розкидом;

■ забезпечення стійкої, високоефективної генерації робочої моди в надрозмірні резонаторах;

■ ефективне перетворення робочої моди в хвильової пучок з оптимізацією його просторового розподілу;

■ розробка надійного колектора електронного пучка;

■ створення вихідного вікна, здатного передати високочастотне випромінювання з гіротрона в робочому режимі.

Використання надрозмірні резонаторів у вигляді відрізків слабонерегулярних волноводов (відношення D / λ »1), в яких відбувається взаємодія НВЧ-полів з гвинтовим електронним пучком, є специфічною особливістю гіротрона, яка сприяла освоєнню високих рівнів потужності. Відзначимо, що зі збільшенням радіуса резонатора спектр власних частот згущується і виникають труднощі з встановленням робочої моди при включенні гіротрона [7]. Істотно, що ця проблема повинна бути вирішена всередині ряду обмежень. Найбільш важке – обмеження на щільність омических втрат в стінках резонатора – відведення теплової енергії обмежений можливостями системи охолодження (як правило, не більше 2-3 кВт / см2).

Магнетрона-інжекторна гармата (МІП) повинна забезпечити формування стійкого гвинтового електронного пучка з часткою осциляторних енергії пучка 60-70% від повної енергії при робочому струмі до 40-50 А, а величина швидкісного розкиду не повинна перевищувати 30% (на рівні 0,1-0,9 кривої відсічення проходить струму [8]). Форма електродів гармати спочатку знаходиться наближено на основі адіабатичній теорії, а потім оптимізується чисельними методами. Отримані з експериментів [8] характеристики пучка порівнювалися з результатами чисельного моделювання і, як правило, спостерігалося гарне відповідність. Для виготовлення і контролю емітерів гармати гіротрона розроблені надійна технологія і устаткування [9].

Транспортування гвинтового електронного пучка від катода через резонатор гіротрона до колектора без втрати стійкості є іншою важливою проблемою. При цьому істотну роль відіграють ефекти, зумовлені власним просторовим зарядом пучка і його іонної компенсацією, які виражені набагато сильніше, ніж у випадку прямолінійних електронних пучків [7].

Вбудований квазіоптичний перетворювач (див., Наприклад, рис. 1) трансформує складну, просторово-розвинену робочу моду резонатора до Параксіальний хвильовому пучку з оптимізованою структурою, відокремлює СВЧ-випромінювання від відпрацьованого електронного пучка, зменшує шкідливу дію можливих відображень НВЧ-потужності назад в гіротрон. Перетворювач зазвичай оптимізується за допомогою складних розрахункових методів, щоб мінімізувати дифракційні втрати усередині лампи, забезпечити оптимальний розподіл вихідної потужності по вікну та узгодження хвильового пучка на виході з гіротрона з лінією передачі (можлива ефективність до 90-95%).

Проблема вихідного вікна для гіротронов рівня потужності 0,5-1 МВт в даний час вирішується різними методами, в залежності від тривалості імпульсу. У першому випадку (при тривалості імпульсу до 2-3 с) реалізується нестаціонарний тепловий режим вікна, охолодження під час імпульсу не відіграє значної ролі, вікно сильно розігрівається, а реальне охолодження вікна відбувається між імпульсами. По суті, обмеження накладається на енергію в імпульсі. Така ситуація має місце для вікон з нітриду бору (BN), нітриду кремнію (SiN) і ряду інших матеріалів. У другому випадку в процесі СВЧ- імпульсу відбувається інтенсивне охолодження вікна по поверхні або по периметру, вікно працює, по суті, в стаціонарному режимі. Така ситуація реалізується при помірних рівнях вихідної потужності, наприклад, у дводисковому вікні з прокачуванням охолоджуючої рідини між дисками.

Для безперервного гіротрона з вихідною потужністю 1 МВт або більше в даний час розглядається єдиний варіант можливого типу вікна – на основі штучних алмазних дисків (CFD-технологія), що відрізняються високою теплопровідністю і малими втратами СВЧ-випромінювання. Останнім часом практично всіма основними розробниками гіротронов, як у нас в країні, так і за кордоном, розроблені варіанти конструкції і виконані попередні експерименти з такими вікнами.

Основним недоліком алмазного вікна є його надзвичайно висока вартість. Тому, як вимушена альтернатива – на менших рівнях потужності інтенсивно досліджуються деякі інші перспективні матеріали, наприклад, сапфір (кріогенне вікно), нітрид кремнію, легований Високочистий кремній і т. д.

Колектор електронного пучка гіротрона повинен забезпечити осадження відпрацьованого пучка з прийнятним рівнем щільності потужності. Для гіротронов з тривалістю імпульсу до 1-2 с можуть використовуватися порівняно прості і дешеві колекторні системи з використанням інтегральної теплоємності масивного колектора під час імпульсу і охолодженням колектора між імпульсами порівняно малим потоком води. Для потужних безперервних гіротронов представляються найбільш перспективними версії колекторів з динамічним поздовжнім або поперечним скануванням за допомогою додаткових котушок, генеруючих магнітне поле необхідної форми, і з рекуперацією енергії відпрацьованого електронного пучка (CRD-колектор) [5, 6]. Профіль колектора і розподіл магнітного поля на колекторі оптимізується, щоб забезпечити по можливості однорідну теплове навантаження, а збільшення температури нижче допустимого рівня. Конструкція колекторної системи гіротрона повинна, в межах технічних можливостей, враховувати вплив сторонніх магнітних полів (від сусідніх гіротронов, від плазмової установки і т. д.), оскільки просторове токооседаніе на колекторі гіротрона при роботі ЕЦ-комплексів може піддаватися возмущающему впливу цих магнітних полів.

Рис. 2. Гіротрон, що працює на частоті 110 ГГц (НПП Тиком “)

Дослідно-промислові гіротрони випускаються в даний час низкою підприємств і в Росії, і за кордоном, з використанням накопиченого досвіду і технологічних можливостей. Розглянемо деякі типові приклади.

Промисловий гіротрон, що працює на частоті 110 ГГц (див. Рис. 2), був розроблений і виготовлений НВП “Гіком” [6] для електронного циклотронного резонансного нагріву {ECRH) плазми в токамаке D-III фірми джерала Атомікс (Сан-Дієго, США). Була досягнута стійка робота гіротронов на робочій моді ΤΕι9 5 з вихідною потужністю 0,93 МВт в імпульсі тривалістю 2 с (ККД 43%). Система узгодження електромагнітної хвилі на виході гіротрона і пучка в лінії передачі демонструє ефективність близько 90%.

Аналогічний гіротрон був розроблений фірмою CPI (раніше “Варіан”, США, Пало-Альто) на робочій моді ТІ22,6 [10]. Він став головним в серії з п’яти гіротронов, і кожен наступний з них мав деякі поліпшення. В останніх варіантах використано вікно з CFD-алмаза діаметром 60 мм і колектор внутрішнім діаметром 24 дюйми. Малюнок 3 демонструє типові зразки гіротронов CPI для Біля ТЗ (на задньому плані) та для технологічних додатків (у руках).

Промислові гіротрони діапазону 140 ГГц з вихідною потужністю близько 1 МВт в 1,5-секундному імпульсі і вихідною потужністю 650 кВт в 2,5 с, 270 кВт в 5 с, 150 кВт в 10 з імпульсах були розроблені НПП “Гіком” [4] для ЕЦР-нагріву плазми в токамаке ASDEX- Up (IPP-Garching, ФРН). ККД гіротрона в робочих режимах перевищував 40%. Перетворювач гіротрона сконструйований так, щоб забезпечити оптимізоване (по пропускній спроможності) розподіл СВЧ- поля по вихідному вікна і узгодження хвильового пучка на виході до лінії передачі з ефективністю більше 90%. Гіротрони спроектовані з урахуванням можливості роботи в паразитному магнітному полі розсіювання з повною горизонтальної складової до 6 * 10 ‘4 Т.

Рис. 3. Гіротрони CPI

Рис. 4. Промисловий CPD-гіротрон, що працює на частоті 140 ГГц (НПП Тиком “).

Промисловий CPD-гіротрон, що працює на частоті 140 ГГц (НПП “Гіком” [5], див. Рис. 4) з робочою модою ТЕ22,6? використовувався з одноступінчастим CPD- колектором з вихідною потужністю близько 630 кВт в імпульсі 1 с. Проект гіротрона включає ізольований анодно-резонаторний блок. Вихідна потужність 0,87 МВт в імпульсі 0,1 с отримана при параметрах пучка 72 кВ / 38 А. ККД без CPD – 32%, а з одноступінчастим CPD-колектором – близько 50%.

Аналогічний по конструкції, промисловий CPD-гіротрон (84 ГГц, НПП “Гіком”) на робочій моді ТІ 12аз був розроблений і поставлений (дві лампи) для використання в установці LHD (NIFS, Японія). Вихідна потужність 0,8 МВт в імпульсі 3 з отримана при параметрах пучка 79 кВ (56 кВ + 23 кВ) / 28 А, ККД з одноступінчастим CPD-колектором – більше 50% [5].

Для гіротрона, призначеного для міжнародного токамака ІТЕР (частота 170 ГГц, потужність 1 МВт) в НПП “Гіком” була обрана робоча мода ΤΕ25, ιο · Перша версія дослідно-промислового гіротрона без CPD- колектора була розроблена (конструкція аналогічна 110-гігагерцевий гіротрону на рис. 2) і випробувана. Магнітна система лампи включала надпровідний кріомагніт, катодний котушку для точного налаштування параметрів електронного пучка і спеціальну колекторну котушку. Головною метою експерименту було підтвердження стабільної роботи гіротрона на рівні вихідний потужності 1 МВт при тривалості імпульсу 0,1 с, а також дослідження режимів максимальної вихідної потужності гіротрона при тривалості імпульсу до 5 с. Частота генерації гіротрона, зареєстрована в експерименті, була близько 170,17 ГГц, а відхід частоти протягом тривалості імпульсу не перевищував 75 ​​МГц (f / f0 = 1,5*10"4). На рис. 5 представлені залежності вихідної потужності і ККД від струму пучка. Найбільша вихідна потужність (1 МВт) досягнута при тривалості імпульсу 1,0 с і обмежена перевантаженням колектора. Максимальний ККД був 34,8% (Рш = 870 кВт, U0 = 76 кВ, 1Ь = 34 А), що знаходиться в хорошому злагоді з даними чисельного моделювання та результатами випробувань короткоімпульсного прототипу [11]. Енергія СВЧ-імпульсу була обмежена величиною близько 2,5 МДж (500 кВт / 5 с, 270 кВт / 10 с і т. Д.), Яка визначається граничною температурою вікна 1200 ° с.На наступній стадії робіт був створений перший макет безперервного гіротрона, що працює на частоті 170 ГГц, з рекуперацією (див. рис. 6). Маса лампи 260 кг, довжина близько 2,7 м. Конструкція гіротрона передбачала використання вікна з СVD-алмаза. Перший етап випробувань гіротрона проводився з використанням вікна з нітриду бору (BN) діаметром 100 мм.

Рис. 5. Залежності вихідної потужності і ККД від струму пучка гіротрона з робочою частотою 170 ГГц (НПП “Гіком”).

Була досягнута вихідна потужність випромінювання гіротрона близько 0,7 МВт при тривалості імпульсу до 1 с, обмеженою пропускною здатністю вікна. В режимах з рекуперацією вдалося істотно підвищити ККД гіротрона (більш ніж до 45%), проте необхідну для ІТЕР значення (50%) поки не було ще досягнуто. Відзначимо, що в короткоімпульсних прототипі того ж самого ТІ25, ю гіротрона з одноступінчастим CPD-kojiлектором досягнуте значення ККД перевищує 60%. На другому етапі випробувань ΒΝ-вікно було замінено вікном з CVD- алмазу, наданими в тимчасове користування Дослідницьким центром Карлсруе (Німеччина). Попередні випробування показали хорошу повторюваність основних характеристик гіротрона після заміни вікна. Випробування макета при тривалості імпульсу до 20 з дозволять виявити необхідні зміни в конструкції гіротрона для переходу до роботи в безперервному режимі.

Рис. 6. Гіротрон з робочою частотою 170 ГГц і з рекуперацією і алмазним вікном (НПП “Гіком”).

Аналогічні гіротрони мегаватного рівня потужності були розроблені Японським інститутом атомних досліджень (JAER1) та фірмою Toshiba (Японія) [12] на робочій моді ТІ22>6 (АЛЕ ГГц для Токамака JT-60) і TE3ij8 (170 ГГц для ІТЕР). В останніх варіантах використано вікно з СГО-алмаза діаметром 100 мм і колектор з рекуперацією та динамічної размазкой. На мегават рівні потужності тривалість імпульсу досягала 9 с при ККД більше 45%. Маса лампи 800 кг, довжина близько 3 м.

І нарешті, як один з останніх результатів, відзначимо гіротрон мегаватного рівня потужності з робочою частотою 140 ГГц на робочій моді ТІ28 8? розроблений Дослідницьким центром Карлсруе (.FZK, Німеччина), Центром досліджень фізики плазми (Швейцарія) та фірмою Thales Electronic Devices (раніше Thomson ТТЕ, Франція) для стелларатор W7-X (Німеччина) [13, 14]. У гіротроне також використано вікно з CED-алмаза діаметром 106 мм (апертура 88 мм, товщина 1,8 мм) і масивний колектор (діаметром 450 мм і довжиною 1300 мм) з рекуперацією і динамічним поздовжнім скануванням. В результаті маса лампи склала 940 кг, довжина понад 3 м. При потужності 500 кВт була реалізована тривалість імпульсу 150 с (обмеження по джерелу харчування) і при потужності близько 1 МВт – порядку 10 с (обмеження по навантаженню). ККД в режимі з рекуперацією склав 49% .Рівень потужності 1 МВт в довгому імпульсі впевнено освоєний основними розробниками гіротронов, проте зусилля, спрямовані на збільшення вихідної потужності (коаксіальні і релятивістські гіротрони), ККД, тривалості імпульсу (до НГ) і стабільність роботи гіротрона, очевидно, будуть продовжені. Зростає інтерес до розробок гіротронов з можливістю контролю параметрів вихідного випромінювання, наприклад, швидкої модуляції потужності вихідного випромінювання або ступінчастою перебудови частоти. Додатки, пов’язані з активною діагностикою плазми, висувають нові вимоги до стабільності і чистоті спектра вихідного випромінювання гіротронов.

Автори вдячні М. І. Петелина за конструктивні дискусії та поради в процесі написання статті.

Робота виконана за підтримки гранту РФФД №00-05-96683.

Література

1.       Авторське свідоцтво № 2239-31 з пріоритетом від 24.03.67 р Офіційний бюлетень КДІО СМ СРСР. 1976. №9Ц. С. 200.

2.       Авторське свідоцтво № 226044 з пріоритетом від 16.06.67 р Офіційний бюлетень КДІО СМ СРСР. 1972. № 8. С. 234.

3.       Алікаев В. В. та ін. Електронно-циклотронний нагрів на установці токамак ТМ-3 // Листи в ЖЕТФ. 1972. Т. 15, вип. 1. С. 41-44.

4.       Litvak A. G., et al. Gyrotrons for Fusion. Status and Prospects // Proceedings of 18th IAEA Fusion Energy Conference. Sorrento, Italy. October, 2000.

5.       Kurbatov V. B., et al 70-140 GHz gyrotrons on their way to CW operation // Proc. of the Int. workshop on Strong Microwaves in Plasma. 1999. P. 641-650.

6.       М’ясників В. E. та ін. Розвиток надпотужних Длінноімпульсний і безперервних гіротронов в діапазоні 1 ΙΟΙ 70 ГГц // Радіотехніка. 2000. № 2. С. 67.

7.       Zapevalov V. Е. Advances and Problems of High Power Gyrotrons // Proc Int. Conf. "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies". 1999. St. Petersburg, Russia. St. Petersburg S T U. P. 150-153.

8.       Kuftin A. N., et al. Advanced numerical and experimental investigation for gyrotrons helical electron beams // Int. J. Electronics. 1999. V. 20, № 3. P. 361-382.

9.       Andronov A. N., et al. Formation and diagnostic of helical gyrotron electron beams // Conf. Proc. 20 Int. Conf. on IR & MM waves. Orlando, USA. 1995. P. 141.

10.    Chu T. S., et al. Recent Progress in Producing Megawatt Gyrotrons for ECH Applications // Conf. Digest of the 25th Int. Conference on IR&MM Waves. 2000. Beijing, China. P. TU-A2.

11.    Zapevalov V. E., et al. Development of 170 GHz / 1 MW Russian Gyrotron for ITER // Fusion Engineering and Design. Dec. 2000, Volume/ issue: 53/1-4. P. 377-385.

12.    Sakamoto K., et al. Development of 100 GHz band Gyrotrons and its Application for JT-60U and ITER // Conf. Digest of the 25th Int. Conference on IR&MM Waves. 2000. Beijing, China. P. TU-A1.

13.    Thumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers Update 1999 // Institut fuer Hochlestungsimpuls- und Mikrowelentechnik. Projekt Kemfusion Association EUROATOM-FZK. Februar 2000.

Dammertz G., et al. 1 MW, 140 GHz Gyrotron for Wendelstein 7-X. ITG-Fachbericht 165, Displays and Vacuum Electronic // Contributions to the ITG-Conference, May 2-3, 2001, Garmish-Partenkirchen. P. 143-147.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.