Electron Energy Spectra in Gyrotrons with Depressed Collectors

Abstract

Negatiivisessa potentiaalissa olevalla hidastavalla kollektorilla voidaan parantaa merkittävästi gyrotronin hyötysuhdetta sekä vähentää lämmöntuottoa ja röntgensäteilyä kollektorilla. Tällöin tulee tuntea elektronisuihkun jäännösenergiat ja valita niiden suhteen riittävän vähän hidastava potentiaali. Liian voimakkaan potentiaalin heijastamat elektronit loukkuuntuisivat kollektorin ja elektronitykin potentiaalien väliin.

Elektronien jäännösenergiat saadaan gyrotroniteoriasta, jos elektronien liikeyhtälön ratkaisut eivät ole kaoottisia. Tässä työssä tutkittiin kaaoksen mahdollisuutta käytettäessä gyrotronia korkealla hyötysuhteella. Tätä varten gyrotroniyhtälö ratkaistiin useilla eri ohjausparametrien arvoilla. Erityisesti määritellystä jäännösenergiaspektrin sileydestä voidaan päätellä mahdollinen elektronien liikkeen stokastisuus. Ilmeni, että ohjausparametriavaruus voidaan jakaa kolmeen erilaiseen alueeseen hyötysuhteen ja jäännösenergiaspektrin sileyden perusteella. Kaaoksen riski hyvän hyötysuhteen alueilla osoittautui vähäiseksi. Sama tulos saatiin käyttämällä resonaattorissa paikan suhteen muuttuvaa magneettikenttää. Laskuissa käytetty "kylmän resonaattorin approksimaatio" todettiin toimivaksi.

Elektronien liikeyhtälön ratkaisuille johdettiin hidastavan potentiaalin avulla ilmaistava loukkuuntumisehto, ja gyrotronin hyötysuhteen laskenta laajennettiin ottamaan huomioon mahdollinen loukkuuntuminen. Saadut tulokset esitetään yleisinä hyötysuhteen tasa-arvokäyrinä ohjausparametritasossa. Havaittiin, että loukkuuntuminen heikentää hyötysuhdetta huomattavasti. Valituilla ohjausparametrien arvoilla saatava elektronihyötysuhde laskettiin hidastavan potentiaalin funktiona ottaen huomioon elektronien nopeushajonta. Useimmissa tapauksissa loukkuuntuminen heikentää hyötysuhdetta silloin, kun hidastava potentiaali on suurempi kuin 30-40 kV katodijännitteen ollessa 90 kV.