Новые коллекторные системы с многоступенчатой рекуперацией энергии и их применение в устройствах гиротронного типа

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-29-00136

НазваниеНовые коллекторные системы с многоступенчатой рекуперацией энергии и их применение в устройствах гиротронного типа

Руководитель Лукша Олег Игоревич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-303 - Сильноточная электроника и электроника больших мощностей

Ключевые слова СВЧ электроника, гиротрон, винтовые электронные потоки, методы диагностики, многоступенчатая рекуперация энергии, эксперимент, численный расчет

Код ГРНТИ47.29.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы ведется интенсивный поиск новых способов совершенствования мощных устройств гиротронного типа. Интерес к таким устройствам обусловлен широкими возможностями их практического использования. Гиротроны занимают лидирующее положение среди эффективных источников мощного СВЧ излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Они практически незаменимы в таком важном приложении, как электронно-циклотронный нагрев плазмы и управление током в установках с магнитным удержанием, предназначенных для получения энергии с помощью управляемого термоядерного синтеза (УТС). Требования к гиротронам, которые планируется использовать для реализации УТС, чрезвычайно высоки. Так, для сооружаемого международной коалицией с участием Российской Федерации комплекса ITER требуются гиротроны, обеспечивающие получение излучения мощностью около 1 МВт на частоте 170 ГГц при длительности импульса в десятки минут и полным КПД не менее 50%. Подобный КПД в мощных гиротронах достигается за счет одноступенчатой рекуперации остаточной энергии отработанного электронного пучка. Переход к новому поколению установок УТС предполагает решение ряда физических и инженерных задач, которые направлены на улучшение параметров гиротронов, применяемых в этих установках. Например, для проекта DEMO требуются гиротроны мегаваттного уровня мощности с частотой, превышающей 200 ГГц, и полным КПД более 60%. Достижение подобного высокого КПД является одним из основных вызовов, стоящих сегодня перед разработчиками мощных гиротронов. Повышение энергоэффективности прибора позволяет упростить решение коллекторной проблемы, связанной с необходимостью рассеяния большой энергии отработанного пучка на коллекторе. Это чрезвычайно важно для обеспечения надежной и долговечной работы гиротронов столь высокого уровня мощности при их эксплуатации в квазинепрерывном режиме. Добиться повышения эффективности работы устройств гиротронного типа возможно в результате перехода к многоступенчатой рекуперации энергии в сочетании с повышением качества винтового электронного потока (ВЭП), своеобразной активной среды этих устройств. Однако до сих пор не удалось реализовать системы многоступенчатой рекуперации в гиротронах. Исполнителями данного проекта ведутся работы, нацеленные на решение указанных выше задач – разработку систем многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов, а также поиск и реализацию способов повышения качества ВЭП. Был предложен и исследован теоретически метод пространственной сепарации фракций отработанного ВЭП с разной энергией в скрещенных продольном электрическом и азимутальном магнитном полях, который может быть использован для построения многоступенчатых систем рекуперации. В рамках данного проекта будут разработаны и реализованы усовершенствованные способы формирования скрещенных электрического и магнитного полей в коллекторной области гиротронов, предназначенных для обеспечения эффективной многоступенчатой рекуперации остаточной энергии электронного потока. Впервые будет реализована система многоступенчатой рекуперации энергии в устройстве гиротронного типа. Для этого будет использован уникальный гиротрон СПбПУ, оснащенный набором диагностик для определения параметров ВЭП и элементами, позволяющими регулировать распределения полей в электронно-оптической системе. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволит выявить новые закономерности, сопровождающие формирование ВЭП высокого качества в гиротронах, а также определить новые возможности эффективной рекуперации энергии отработанного пучка. В результате, согласно планам, будет продемонстрирована возможность работы гиротрона СПбПУ с рекордными значениями полного КПД. Сравнение данных, полученных в разных гиротронах (гиротрон СПбПУ и гиротрон для проекта DEMO), позволит обосновать общность выявленных физических закономерностей и выработать рекомендации по использованию найденных решений в устройствах гиротронного типа и в других вакуумных СВЧ приборах. Указанные подходы к решению задачи многоступенчатой рекуперации в гиротронах опережают мировой уровень. Однако для практической их реализации необходимо выполнение запланированных в данном проекте комплекса экспериментов и расчетов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лукша О.И., Трофимов П.А., Малкин А.Г. Траекторный анализ в электронно-оптической системе гиротрона с учётом шероховатости поверхности катода Известия вузов. Радиофизика, номер 3, том 65, страницы 226-237 (год публикации - 2022)
10.52452/00213462_2022_65_03_226

2. Лукша О.И., Трофимов П.А., Малкин А.Г. Simulation of an electron beam in a gyrotron taking into account the cathode surface roughness and thermal effects in the electron gun St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, номер 3, том 15, страницы 132-142 (год публикации - 2022)
10.18721/JPM.15310

3. Лукша О.И., Зуев А.С., Малкин А.Г., Семенов Е.С., Трофимов П.А., Глявин М.Ю. Траекторный анализ в коллекторе с многоступенчатой рекуперацией энергии для прототипа гиротрона DEMO. Ч. III. Влияние параметров отработанного электронного потока Журнал технической физики, номер 5, том 93, страницы 718-723 (год публикации - 2023)
10.21883/JTF.2023.05.55468.14-23

4. Лукша О.И., Трофимов П.А., Малкин А.Г. Effect of cathode surface roughness on quality of electron beam in a gyrotron electron optical system Proc. 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), Article number 10157525 (год публикации - 2023)
10.1109/IVEC56627.2023.10157525

5. Лукша О.И., Трофимов П.А., Малкин А.Г. Моделирование в гиротроне 4-мм диапазона длин волн с многоступенчатой рекуперацией Электроника и микроэлектроника СВЧ, том 1, страницы 551-555 (год публикации - 2023)

6. Лукша О.И., Трофимов П.А., Малкин А.Г. Enhancement of the 4-mm wavelength gyrotron efficiency by multistage energy recovery St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, номер 4, том 16 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.16410

7. Малкин А.Г., Лукша О.И., Трофимов П.А. Оптимизация распределения магнитного поля в коллекторе гиротрона с четырехступенчатой системой рекуперации Неделя науки ИЭиТ: материалы Всероссийской конференции. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС., страницы 226-229 (год публикации - 2023)

8. Лукша О.И., Трофимов П.А., Малкин А.Г. Влияние шероховатости поверхности катода на характеристики электронного потока в электронно-оптической системе гиротрона Электроника и микроэлектроника СВЧ, том 1, страницы 456-460 (год публикации - 2022)

9. Малкин А.Г., Лукша О.И., Трофимов П.А. Влияние тепловых эффектов в электронной пушке на параметры винтового электронного потока в гиротроне Неделя науки ИЭиТ: материалы Всероссийской конференции. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС., страницы 226-229 (год публикации - 2022)

Публикации