Гиротроны непрерывного действия

Рис. 1. Непрерывный гиротрон с волноводным выводом энергии

Первые российские гиротроны непрерывного действия для технологического применения были разработаны и изготовлены в ИПФАНе в 70-х годах прошлого века. Передовые разработки были выполнены также в отделении вакуумной электроники НПП «Салют». С момента образования в 1992 г. ЗАО НПП «Гиком» продолжило традиции изготовления гиротронов, а также разработало и внедрило в производство несколько серий приборов и соответствующих комплексов в частотном диапазоне от 24 до 300 ГГц.

	Рис. 2. Непрерывный гиротрон с встроенным квазиоптическим преобразователем и коллектором с рекуперацией

За 20 лет НПП «Гиком» изготовило и поставило в Россию и за рубеж более 30 гиротронных систем непрерывного действия.
Классические непрерывные гиротроны работают на второй гармонике гирочастоты в соленоидах с масляным охлаждением. Как показано на рис.1, вывод энергии у них организован в направлении продольной оси прибора в виде рабочей волноводной моды. Типичная рабочая частота лежит в пределах 24 – 30 ГГц, напряжение не превышает 25 кВ, ток катода 2,5 А. Выходная мощность таких систем обычно не превышает 25 кВт. К их достоинствам следует отнести простоту, мобильность, малое время запуска. Недостатком являются ограничение по рабочей частоте и мощности, а также большие затраты мощности на создание магнитного поля в теплом соленоиде.
Прогресс в увеличении рабочей частоты, выходной мощности и эффективности гиротронов был достигнут в 90-х годах прошлого века благодаря переходу к работе на первой гармонике гирочастоты в сверхпроводящих соленоидах. В последние годы ЗАО НПП «Гиком» разработало серию технологических гиротронов с эффективными квазиоптическими преобразователями рабочей волноводной моды в Гауссов волновой пучок и рекуперацией остаточной энергии электронного пучка (см. рис.2). Конструктивно такие гиротроны отличаются от современных гиротронов для УТС меньшими размерами катода и коллектора электронов, а также материалом окна вывода энергии. Максимальная мощность определяется пропускной способностью вывода энергии из нитрида бора и составляет 40 – 50 кВт в зависимости от рабочей частоты. Базовый источник питания имеет выходное напряжение не более 30 кВ при токе не более 4 А. В гиротронах используется водяное охлаждение с расходом порядка 4 л/с при давлении 3 атм. Общий КПД системы составляет 45 – 50 %.
Обычно технологические гиротроны поставляются заказчикам в составе гиротронных комплексов, содержащих все необходимое оборудование: (крио)магнит, системы внешних согласующих зеркал, линии передачи СВЧ излучения, согласованная калориметрическая нагрузка, высоковольтные и прочие источники питания, система водяного охлаждения, системы защиты и управления. На рис. 3 – 4 показаны гиротронные комплексы в сборе на основе гиротронов различных типов. Блоки питания показаны на рис. 5.

Рис. 3. Гиротронный комплекс на основе гиротрона с волноводным выводом энергии	Рис. 4. Гиротронный комплекс на основе гиротрона с встроенным квазиоптическим преобразователем	Рис. 5. Блок источников питания

Перечень непрерывных гиротронов, поставленных компанией ГИКОМ на установки заказчиков

Название и место расположения установки	Рабочие параметры гиротронов	Год поставки	Кол-во гиротронов
CCU NSU, Россия	24 ГГц, 5 кВт, CW	2009	1
ИПФ РАН, Россия	263 ГГц, 1 кВт, CW	2015	1
	170 ГГц, 20 кВт, CW	2021	1
IFP, Италия	28 ГГц, 15 кВт, CW	2008	1
IN2P3, Франция	28 ГГц, 10 кВт, CW/имп.	2003	1
FZK, Германия	30 ГГц, 10 кВт, CW	1994	1
	30 ГГц, 15 кВт, CW	2000	1
GSI mbH, Германия	28 ГГц, 10 кВт, CW	2007	1
Universität Frankfurt am Main, Германия	258 ГГц, 0,1 кВт, CW	2008	1
KIT, Германия	30 ГГц, 15 кВт, CW	2010	1
FIR, Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2001	1
	24 ГГц, 2.5 кВт, CW	2006	1
	28 ГГц, 15 кВт, CW	2006	1
Osaka Univ., Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2003	1
	24 ГГц, 3 кВт, CW, пост. магнит	2004	2
Fuji Dempa, Япония	28 ГГц, 3 кВт, CW	2003	1
Alloy Industries Inc., Япония	28 ГГц, 10 кВт, CW	2004	1
Kinki Univ., Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2005	1
Shimane Ins., Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2005	1
Fukui Univ., Япония	300 ГГц, 4 кВт, CW	2005	1
Isman J Corp., Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2006	1
Tohoku Univ., Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2006	1
Okayama Univ., Япония	24 ГГц, 3 кВт, CW	2007	1
Shirai Tech. Corp., Япония	82 ГГц, 30 кВт, CW	2007	1
IAPh CAS, Китай	30 ГГц, 10 кВт, CW	1998	1
IMP CAS, Китай	24 ГГц, 7 кВт, CW	2009	1
	45 ГГц, 20 кВт, CW	2017	1
SWUST, Китай	83 ГГц, 25 кВт, CW	2010-2011	2
LANL, США	83 ГГц, 20 кВт, CW	1993	2
	37.5 ГГц, 20 кВт, CW	1993	1
	30 ГГц, 10 кВт, CW	1996	1
Sandia NL, США	30 ГГц, 10 кВт, CW	1996	1
General Atomic, США	30 ГГц, 10 кВт, CW	1997	1
CRS, США	83 ГГц, 15 кВт, CW	1998	1
Gyrotron Tech. Inc., США	83 ГГц, 15 кВт, CW	1999	1
	60 ГГц, 35 кВт, CW	2011	1
Guardian Ind., США	83 ГГц, 35 кВт, CW	2003	1
NRL, США	83 ГГц, 15 кВт, CW	2004	1
Thor Technologies, Inc. , США	24 ГГц, 5 кВт, CW	2006	1
Michigan Univ., США	24 ГГц, 5 кВт, CW	2011	1
Gyrotron Tech.Inc., США	60 ГГц, 35 кВт, СW	2015	1