Σχεδίαση Και Προσομοίωση Ομοαξονικών Γυροτρονίων (με Έμφαση Στη Λειτουργία Δεύτερης Αρμονικής)

Abstract

Τα γυροτρόνια είναι πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ισχύος σε μικροκυματικές συχνότητες. Μια ειδική κλάση γυροτρονίων με βελτιωμένες επιδόσεις σε ισχύ και απόδοση είναι τα ομοαξονικά γυροτρόνια. Η παρούσα διατριβή ασχολείται κατά κύριο λόγο με τέτοια γυροτρόνια και συγκεκριμένα με τη μελέτη και αριθμητική προσομοίωση της αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων-κύματος, με την επιλογή των παραμέτρων λειτουργίας, καθώς και με τη σχεδίαση της ομοαξονικής κοιλότητας. Παρόλο που τα ομοαξονικά γυροτρόνια πλεονεκτούν σε σχέση με τα συμβατικά σε ό,τι αφορά τη λειτουργία στη θεμελιώδη κυκλοτρονική συχνότητα και γνωρίζουν ήδη μεγάλη επιτυχία, η λειτουργία τους στη δεύτερη αρμονική της κυκλοτρονικής δεν έχει ερευνηθεί συστηματικά και δεν έχουν πραγματοποιηθεί σχετικά πειράματα. Για αυτό το λόγο στη διατριβή δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στη λειτουργία δεύτερης αρμονικής των ομοαξονικών γυροτρονίων και το συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι τα αρμονικά ομοαξονικά γυροτρόνια φαίνονται ικανά για εντυπωσιακές επιδόσεις ισχύος και απόδοσης στην υποχιλιοστομετρική περιοχή συχνοτήτων συγκρινόμενα με τα συμβατικά. Οι επί μέρους εργασίες που εκτίθενται στη διατριβή, είναι οι ακόλουθες:1) Αναπτύχθηκε συστηματική διαδικασία για την επιλογή ρυθμού λειτουργίας και παραμέτρων λειτουργίας στο γυροτρόνιο, μετά από λεπτομερή ανάλυση των κυριότερων φυσικών και τεχνολογικών περιορισμών. Η διαδικασία προσανατολίζεται στη βελτιστοποίηση της απόδοσης και είναι πολύ γενική αφού εφαρμόζεται τόσο σε ομοαξονικά όσο και σε συμβατικά γυροτρόνια, σε αλληλεπίδραση θεμελιώδους κυκλοτρονικής ή ανώτερων αρμονικών, καθώς και σε παλμική λειτουργία ή λειτουργία συνεχούς κύματος.2) Διερευνήθηκε η γεωμετρία της ομοαξονικής κοιλότητας ρυτιδωμένου εσωτερικού στελέχους με γνώμονα την υποστήριξη της λειτουργίας του γυροτρονίου με ρυθμό TE υψηλής τάξης στη δεύτερη αρμονική της κυκλοτρονικής συχνότητας. Προέκυψαν δύο στρατηγικές σχεδίασης της κοιλότητας, εκ των οποίων η πρώτη εμπλέκει στέλεχος υψηλής αγωγιμότητας (~ 107 S/m) και η δεύτερη στέλεχος περιορισμένης αγωγιμότητας (~ 104-106 S/m). Για την επαλήθευση των στρατηγικών αυτών προτάθηκαν ρεαλιστικές σχεδιάσεις ομοαξονικών γυροτρονίων δεύτερης αρμονικής 340 GHz-100 kW CW. Επιπλέον σχεδιάστηκε και ένα σχετικό πείραμα για τη διέγερση ρυθμού υψηλής τάξης στη δεύτερη αρμονική σε ομοαξονικό γυροτρόνιο. Το πείραμα βασίζεται στον υπάρχοντα εξοπλισμό του Ερευνητικού Κέντρου Καρλσρούης (FZK). Οι παραπάνω σχεδιάσεις επιδεικνύουν τη διαφαινόμενη ικανότητα των αρμονικών ομοαξονικών γυροτρονίων για παραγωγή υποχιλιοστομετρικής ακτινοβολίας με πολύ καλή απόδοση (~ 25 %) και επιδόσεις ισχύος συνεχούς κύματος μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από εκείνη που έχει επιτευχθεί από συμβατικά γυροτρόνια σε ανάλογες συχνότητες.3) Αναπτύχθηκε χρονοεξαρτώμενος τροχιακός αριθμητικός κώδικας που προσομοιώνει την αλληλεπίδραση ηλεκτρονικής δέσμης και υψίσυχνου πεδίου σε ομοαξονικό γυροτρόνιο με κοιλότητα ρυτιδωμένου εσωτερικού αγωγού, υπολογίζοντας την ταυτόχρονη αλληλεπίδραση της δέσμης με πολλούς ρυθμούς της κοιλότητας σε οποιαδήποτε αρμονική της κυκλοτρονικής συχνότητας. Ο κώδικας χρησιμοποιήθηκε στις εξής περιπτώσεις:(i) Στην επαλήθευση των προαναφερόμενων σχεδιάσεων που αφορούν αρμονικά ομοαξονικά γυροτρόνια.(ii) Στη μελέτη του ανταγωνισμού των ρυθμών του πειραματικού ομοαξονικού γυροτρονίου θεμελιώδους κυκλοτρονικής 170 GHz-2 MW που βρίσκεται στο FZK και προορίζεται για το ITER.