ГИРОТРОНЫ ДЛЯ УТС

November 9, 2014 by admin Комментировать »

В. В. Аликаев Г. Г. Денисов2, В. Е. Запевалов2, В. И. Курбатов3,

А.            Г. Литва*?, В. Е. Мясников3, Е. М. Тай3 1ИЯС РНЦ "Курчатовский институт", 2Институт прикладной физики РАН, 3НПП "Гиком"

Для формирования, нагрева и стабилизации плазмы в установках УТС разработаны мегаттные гиротроны с частотами 70—170 ГГц и длительностью импульса от секунд до минут. На мегаваттном уровне мощности КПД гиротронов достигает 40% без рекуперации и превышает 50% с рекуперацией. Выходное излучение из окна гиротрона имеет структуру волнового пучка и хорошо согласуется с линиями передачи СВЧ-энергии.

Рис. 1. Общая схема гиротрона

В рамках проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС) для электронноциклотронного (ЭЦ) нагрева плазмы, управления плазменным током и подавления плазменных неустойчивостей требуются мощные источники когерентного излучения миллиметрового диапазона длин волн с частотами от 70 до 170 ГГц и с уровнем мощности до 1 МВт при длительности импульса от долей секунды до непрерывной генерации (НГ). Практически безальтернативным прибором для достижения этой цели является гиротрон [1,2]. Впервые гиротрон был применен для электронно-циклотронного нагрева плазмы в 1971 г. [3]. В настоящее время ЭЦ-методы нагрева и генерации стационарных токов стали неотъемлемой частью плазменного эксперимента в крупномасштабных термоядерных установках с магнитным удержанием плазмы (токамаках и стеллараторах). Использование гиротронов с мегаваттным уровнем мощности, работающих в непрерывном режиме, планируется и в международном проекте ИТЭР, суммарная мощность первой очереди ЭЦ- комплекса в котором должна составить 50 МВт.

Несмотря на то что поставка гиротронов для зарубежных термоядерных установок осуществляется, как правило, на базе международного тендера, в обстановке сильной конкуренции с такими известными производителями гиротронов как фирмы CPI (США), Thomson (Франция),

Toshiba (Япония), большинство современных токамаков и стеллараторов в лабораториях за рубежом оснащены российскими гиротронами НПП "Гиком" (около 30 приборов) [4-6].

Гиротрон относится к классу мазеров на циклотронном резонансе, приборов, основанных на индуцированном магнитотормозном излучении электронов, вращающихся в магнитном поле и являющихся неизохронными осцилляторами вследствие релятивистского эффекта.

Гиротроны (рис. 1) состоят из адиабатической пушки магнетронного типа, открытого резонатора с дифракционным выводом СВЧ-энергии и выходного узла, включающего в себя коллектор электронов и обычно преобразователь СВЧ-излучения в волновой пучок с линейной поляризацией. Сильные магнитные поля, необходимые для работы гиротронов миллиметрового диапазона, создаются сверхпроводящими соленоидами.

Главные проблемы, которые необходимо решить при разработке гиротронов для УТС,

[4, 7]:

■        формирование интенсивных винтовых электронных пучков (ВЭП) с достаточно большой осцилляторной энергией и приемлемым скоростным разбросом;

■        обеспечение устойчивой, высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах;

■        эффективное преобразование рабочей моды в волновой пучок с оптимизацией его пространственного распределения;

■               разработка надежного коллектора электронного пучка;

■        создание выходного окна, способного передать высокочастотное излучение из гиротрона в рабочем режиме.

Использование сверхразмерных резонаторов в виде отрезков слабонерегулярных волноводов (отношение D/λ » 1), в которых происходит взаимодействие СВЧ-полей с винтовым электронным пучком, является специфической особенностью гиротрона, благоприятствующей освоению высоких уровней мощности. Отметим, что с увеличением радиуса резонатора спектр собственных частот сгущается и возникают трудности с установлением рабочей моды при включении гиротрона [7]. Существенно, что эта проблема должна быть решена внутри ряда ограничений. Наиболее трудное – ограничение на плотность омических потерь в стенках резонатора – отвод тепловой энергии ограничен возможностями системы охлаждения (как правило, не более 2-3 кВт/см2).

Магнетронно-инжекторная пушка (МИП) должна обеспечить формирование устойчивого винтового электронного пучка с долей осцилляторной энергии пучка 60-70% от полной энергии при рабочем токе до 40-50 А, а величина скоростного разброса не должна превышать 30% (на уровне 0,1-0,9 кривой отсечки проходящего тока [8]). Форма электродов пушки сначала находится приближенно на основе адиабатической теории, а потом оптимизируется численными методами. Полученные из экспериментов [8] характеристики пучка сравнивались с результатами численного моделирования и, как правило, наблюдалось хорошее соответствие. Для изготовления и контроля эмиттеров пушки гиротрона разработаны надежная технология и оборудование [9].

Транспортировка винтового электронного пучка от катода через резонатор гиротрона до коллектора без потери устойчивости является другой важной проблемой. При этом существенную роль играют эффекты, обусловленные собственным пространственным зарядом пучка и его ионной компенсацией, которые выражены гораздо сильнее, чем в случае прямолинейных электронных пучков [7].

Встроенный квазиоптический преобразователь (см., например, рис. 1) трансформирует сложную, пространственно-развитую рабочую моду резонатора к параксиальному волновому пучку с оптимизированной структурой, отделяет СВЧ-излучение от отработанного электронного пучка, уменьшает вредное действие возможных отражений СВЧ-мощности обратно в гиротрон. Преобразователь обычно оптимизируется с помощью сложных расчетных методов, чтобы минимизировать дифракционные потери внутри лампы, обеспечить оптимальное распределение выходной мощности по окну и согласование волнового пучка на выходе из гиротрона с линией передачи (возможна эффективность до 90-95%).

Проблема выходного окна для гиротронов уровня мощности 0,5-1 МВт в настоящее время решается разными методами, в зависимости от длительности импульса. В первом случае (при длительности импульса до 2-3 с) реализуется нестационарный тепловой режим окна, охлаждение во время импульса не играет значительной роли, окно сильно разогревается, а реальное охлаждение окна происходит между импульсами. По существу, ограничение налагается на энергию в импульсе. Такая ситуация имеет место для окон из нитрида бора (BN), нитрида кремния (SiN) и ряда других материалов. Во втором случае в процессе СВЧ- импульса происходит интенсивное охлаждение окна по поверхности или по периметру, окно работает, по существу, в стационарном режиме. Такая ситуация реализуется при умеренных уровнях выходной мощности, например, в двухдисковом окне с прокачкой охлаждающей жидкости между дисками.

Для непрерывного гиротрона с выходной мощностью 1 МВт или более в настоящее время рассматривается единственный вариант возможного типа окна – на основе искусственных алмазных дисков (CFD-технология), отличающихся высокой теплопроводностью и малыми потерями СВЧ-излучения. В последнее время практически всеми основными разработчиками гиротронов, как у нас в стране, так и за рубежом, разработаны варианты конструкции и выполнены предварительные эксперименты с такими окнами.

Основным недостатком алмазного окна является его чрезвычайно высокая стоимость. Поэтому, как вынужденная альтернатива – на меньших уровнях мощности интенсивно исследуются некоторые другие перспективные материалы, например, сапфир (криогенное окно), нитрид кремния, легированный высокочистый кремний и т. д.

Коллектор электронного пучка гиротрона должен обеспечить осаждение отработанного пучка с приемлемым уровнем плотности мощности. Для гиротронов с длительностью импульса до 1-2 с могут использоваться сравнительно простые и дешевые коллекторные системы с использованием интегральной теплоемкости массивного коллектора во время импульса и охлаждением коллектора между импульсами сравнительно малым потоком воды. Для мощных непрерывных гиротронов представляются наиболее перспективными версии коллекторов с динамическим продольным или поперечным сканированием посредством дополнительных катушек, генерирующих магнитное поле требуемой формы, и с рекуперацией энергии отработанного электронного пучка (CRD-коллектор) [5, 6]. Профиль коллектора и распределение магнитного поля на коллекторе оптимизируется, чтобы обеспечить по возможности однородную тепловую нагрузку, а увеличение температуры ниже допустимого уровня. Конструкция коллекторной системы гиротрона должна, в пределах технических возможностей, учитывать воздействие сторонних магнитных полей (от соседних гиротронов, от плазменной установки и т. д.), поскольку пространственное токооседание на коллекторе гиротрона при работе ЭЦ-комплексов может подвергаться возмущающему воздействию этих магнитных полей.

Рис. 2. Гиротрон, работающий на частоте 110 ГГц (НПП Тиком")

Опытно-промышленные гиротроны выпускаются в настоящее время рядом предприятий и в России, и за рубежом, с использованием накопленного опыта и технологических возможностей. Рассмотрим некоторые типичные примеры.

Промышленный гиротрон, работающий на частоте 110 ГГц (см. рис. 2), был разработан и изготовлен НПП "Гиком" [6] для электронного циклотронного резонансного нагрева {ECRH) плазмы в токамаке D-III фирмы Джерал Атомикс (Сан-Диего, США). Была достигнута устойчивая работа гиротронов на рабочей моде ΤΕι9 5 с выходной мощностью 0,93 МВт в импульсе длительностью 2 с (КПД 43%). Система согласования электромагнитной волны на выходе гиротрона и пучка в линии передачи демонстрирует эффективность около 90%.

Аналогичный гиротрон был разработан фирмой CPI (ранее "Вариан", США, Пало-Альто) на рабочей моде ТЕ22,6 [10]. Он стал головным в серии из пяти гиротронов, и каждый следующий из них имел некоторые улучшения. В последних вариантах использовано окно из CFD-алмаза диаметром 60 мм и коллектор внутренним диаметром 24 дюйма. Рисунок 3 демонстрирует типичные образцы гиротронов CPI для У ТС (на заднем плане) и для технологических приложений (в руках).

Промышленные гиротроны диапазона 140 ГГц с выходной мощностью около 1 МВт в 1,5-секундном импульсе и выходной мощностью 650 кВт в 2,5 с, 270 кВт в 5 с, 150 кВт в 10 с импульсах были разработаны НПП "Гиком" [4] для ЭЦР-нагрева плазмы в токамаке ASDEX- Up (IPP-Garching, ФРГ). КПД гиротрона в рабочих режимах превышал 40%. Преобразователь гиротрона сконструирован так, чтобы обеспечить оптимизированное (по пропускной способности) распределение СВЧ- поля по выходному окну и согласование волнового пучка на выходе к линии передачи с эффективностью более 90%. Гиротроны спроектированы с учетом возможности работы в паразитном магнитном поле рассеяния с полной горизонтальной составляющей до 6*10′4 Т.

Рис. 3. Гиротроны CPI

Рис. 4. Промышленный CPD-гиротрон, работающий на частоте 140 ГГц (НПП Тиком").

Промышленный CPD-гиротрон, работающий на частоте 140 ГГц (НПП "Гиком" [5], см. рис. 4) с рабочей модой ТЕ22,6? использовался с одноступенчатым CPD- коллектором с выходной мощностью около 630 кВт в импульсе 1 с. Проект гиротрона включает изолированный анодно-резонаторный блок. Выходная мощность 0,87 МВт в импульсе 0,1 с получена при параметрах пучка 72 кВ / 38 А. КПД без CPD – 32%, а с одноступенчатым CPD-коллектором – около 50%.

Аналогичный по конструкции, промышленный CPD-гиротрон (84 ГГц, НПП "Гиком") на рабочей моде ТЕ 12аз был разработан и поставлен (две лампы) для использования в установке LHD (NIFS, Япония). Выходная мощность 0,8 МВт в импульсе 3 с получена при параметрах пучка 79 кВ (56 кВ + 23 кВ) / 28 А, КПД с одноступенчатым CPD-коллектором – более 50% [5].

Для гиротрона, предназначенного для международного токамака ИТЭР (частота 170 ГГц, мощность 1 МВт) в НПП "Гиком" была выбрана рабочая мода ΤΕ25,ιο· Первая версия опытно-промышленного гиротрона без CPD- коллектора была разработана (конструкция аналогична 110-гигагерцевому гиротрону на рис. 2) и испытана. Магнитная система лампы включала сверхпроводящий криомагнит, катодную катушку для точной настройки параметров электронного пучка и специальную коллекторную катушку. Главной целью эксперимента было подтверждение стабильной работы гиротрона на уровне выходной мощности 1 МВт при длительности импульса 0,1 с, а также исследование режимов максимальной выходной мощности гиротрона при длительности импульса до 5 с. Частота генерации гиротрона, зарегистрированная в эксперименте, была около 170,17 ГГц, а уход частоты в течение длительности импульса не превышал 75 МГц (f/f0 = 1,5*10"4). На рис. 5 представлены зависимости выходной мощности и КПД от тока пучка. Наибольшая выходная мощность (1 МВт) достигнута при длительности импульса 1,0 с и ограничена перегрузкой коллектора. Максимальный КПД был 34,8% (Рш = 870 кВт, U0 = 76 кВ, 1ь = 34 А), что находится в хорошем согласии с данными численного моделирования и результатами испытаний короткоимпульсного прототипа [11]. Энергия СВЧ-импульса была ограничена величиной около 2,5 МДж (500 кВт /5 с, 270 кВт / 10 с и т. д.), определяемой предельной температурой окна 1200°С.На следующей стадии работ был создан первый макет непрерывного гиротрона, работающего на частоте 170 ГГц, с рекуперацией (см. рис. 6). Масса лампы 260 кг, длина около 2,7 м. Конструкция гиротрона предусматривала использование окна из СVD-алмаза. Первый этап испытаний гиротрона проводился с использованием окна из нитрида бора (BN) диаметром 100 мм.

Рис. 5. Зависимости выходной мощности и КПД от тока пучка гиротрона с рабочей частотой 170 ГГц (НПП “Гиком").

Была достигнута выходная мощность излучения гиротрона около 0,7 МВт при длительности импульса до 1 с, ограниченной пропускной способностью окна. В режимах с рекуперацией удалось существенно повысить КПД гиротрона (более чем до 45%), однако требуемое для ИТЭРа значение (50%) пока не было еще достигнуто. Отметим, что в короткоимпульсном прототипе того же самого ТЕ25,ю гиротрона с одноступенчатым CPD-kojiлектором достигнутое значение КПД превышает 60%. На втором этапе испытаний ΒΝ-окно было заменено окном из CVD- алмаза, предоставленным во временное пользование Исследовательским центром Карлсруэ (Германия). Предварительные испытания показали хорошую повторяемость основных характеристик гиротрона после замены окна. Испытания макета при длительности импульса до 20 с позволят выявить необходимые изменения в конструкции гиротрона для перехода к работе в непрерывном режиме.

Рис. 6. Гиротрон с рабочей частотой 170 ГГц и с рекуперацией и алмазным окном (НПП “Гиком").

Аналогичные гиротроны мегаваттного уровня мощности были разработаны Японским институтом атомных исследований (JAER1) и фирмой Toshiba (Япония) [12] на рабочей моде ТЕ22>6 (НО ГГц для Токамака JT-60) и TE3ij8 (170 ГГц для ИТЭР). В последних вариантах использовано окно из СГО-алмаза диаметром 100 мм и коллектор с рекуперацией и динамической размазкой. На мегаваттом уровне мощности длительность импульса достигала 9 с при КПД более 45%. Масса лампы 800 кг, длина около 3 м.

И наконец, как один из последних результатов, отметим гиротрон мегаваттного уровня мощности с рабочей частотой 140 ГГц на рабочей моде ТЕ28 8? разработанный Исследовательским центром Карлсруэ (.FZK, Германия), Центром исследований физики плазмы (Швейцария) и фирмой Thales Electronic Devices (ранее Thomson ТТЕ, Франция) для стелларатора W7-X (Германия) [13, 14]. В гиротроне также использовано окно из CED-алмаза диаметром 106 мм (апертура 88 мм, толщина 1,8 мм) и массивный коллектор (диаметром 450 мм и длиной 1300 мм) с рекуперацией и динамическим продольным сканированием. В итоге масса лампы составила 940 кг, длина более 3 м. При мощности 500 кВт была реализована длительность импульса 150 с (ограничение по источнику питания) и при мощности около 1 МВт – порядка 10 с (ограничение по нагрузке). КПД в режиме с рекуперацией составил 49%.Уровень мощности 1 МВт в длинном импульсе уверенно освоен основными разработчиками гиротронов, однако усилия, направленные на увеличение выходной мощности (коаксиальные и релятивистские гиротроны), КПД, длительности импульса (до НГ) и стабильность работы гиротрона, очевидно, будут продолжены. Возрастает интерес к разработкам гиротронов с возможностью контроля параметров выходного излучения, например, быстрой модуляции мощности выходного излучения или ступенчатой перестройки частоты. Приложения, связанные с активной диагностикой плазмы, выдвигают новые требования к стабильности и чистоте спектра выходного излучения гиротронов.

Авторы признательны М. И. Петелину за конструктивные дискуссии и советы в процессе написания статьи.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №00-05-96683.

Литература

1.       Авторское свидетельство № 2239-31 с приоритетом от 24.03.67 г. Официальный бюллетень КДИО СМ СССР. 1976. №9Ц. С. 200.

2.       Авторское свидетельство № 226044 с приоритетом от 16.06.67 г. Официальный бюллетень КДИО СМ СССР. 1972. № 8. С. 234.

3.       Аликаев В. В. и др. Электронно-циклотронный нагрев на установке токамак ТМ-3 // Письма в ЖЭТФ. 1972. Т. 15, вып. 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.       Мясников В. E. и др. Развитие сверхмощных длинноимпульсных и непрерывных гиротронов в диапазоне 1 ΙΟΙ 70 ГГц // Радиотехника. 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.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты