Ενίσχυση μικροκυματικής γκαουσιανής δέσμης γυροτρονίου μέσω αλληλεπίδρασης με επίπεδη ηλεκτρονική δέσμη
Authors: Αναστασίου Γεώργιος 
Published: August 2021

Τα γυροτρόνια αποτελούν αυτά τη στιγμή την πιο ισχυρή και αποδοτική μικροκυματική πηγή στην περιοχή συχνοτήτων f = 100 - 200 GHz με δυνατότητα παραγωγής σύμφωνης και μονοχρωματικής ακτινοβολίας ισχύος Ρ = 1-2 MW, γεγονός που τα καθιστά ως την κυρίαρχη πρόταση όσον αφορά τη θέρμανση του πλάσματος στους θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες σύντηξης η οποία επιτυγχάνεται μέσω ηλεκτρονικού κυκλοτρονικού συντονισμού Electron Cyclotron Resonance Heating. Παρόλα αυτά, λόγω εγγενών τεχνολογικών προβλημάτων και φυσικών περιορισμών, η παραγόμενη ισχύς των γυροτρονίων φαίνεται να έχει φθάσει σε κορεσμό, περιορίζοντας την ονομαστική ισχύ λειτουργίας των εμπορικών συσκευών γύρω στο 1 MW, ενώ στη διαδικασία παράδοσης βρίσκεται το ομοαξονικό γυροτρόνιο της Ε.Ε που προορίζεται να εγκατασταθεί στον αντιδραστήρα ITER και το οποίο προσδοκάται ότι θα επιτύχει ισχύ εξόδου Ρ ≃ 2 MW. Εν τούτοις, η μεγάλη ισχύς που απαιτείται για τη θέρμανση του πλάσματος και η οποία είναι της τάξης των 24 MW, ενώ αναμένεται να αυξηθεί κατά πολύ στον -υπό σχεδίαση- μελλοντικό αντιδραστήρα DEMO, καθιστά πλέον τα γυροτρόνια αναποτελεσματικά κυρίως λόγω του μεγάλου αριθμού μονάδων -άρα και κόστους- που πρέπει να εγκατασταθούν γύρω από τον θάλαμο πλάσματος. Το γεγονός αυτό στάθηκε ως αφορμή για να διερευνηθεί μια νέα αλληλεπίδραση τύπου ECM η οποία βασίζεται στην πρωταρχική ιδέα του ταλαντωτή οπτικού γυροτρονίου QOG, και να υλοποιηθεί -εννοιολογικά- μια νέα διάταξη παραγωγής ΗΜ ακτινοβολίας η οποία εκμεταλλεύεται όλα τα πλεονεκτήματα του προκατόχου της, ενώ ταυτόχρονα είναι απαλλαγμένη από τα μειονεκτήματα που προκάλεσαν τη περιορισμένη απόδοσή της. Η διάταξη αυτή μελετά τη δυνατότητα ενίσχυσης της Γκαουσιανής μικροκυματικής δέσμης που παράγεται σε ένα συμβατικό γυροτρόνιο, μέσω της αλληλεπίδρασης της με μία επίπεδη ηλεκτρονική δέσμη η οποία διαδίδεται κατά μήκος μαγνητοστατικού πεδίου και τέμνει την Γκαουσιανή δέσμη κάθετα, και η οποία ονομάστηκε Free Space QOG, FSQOG καθώς η αλληλεπίδραση ηλεκτρονίου-κύματος λαμβάνει χώρα στον ελεύθερο χώρο μακριά από κάθε είδους τοιχώματα ή επιφάνειες. Τα κύρια χαρακτηριστικά της προτεινόμενης διάταξης, είναι καταρχήν η έλλειψη κοιλότητας συντονισμού. Το γεγονός αυτό, αφενός εξαλείφει τις ωμικές απώλειες που αναπτύσσονται λόγω του επαγωγικού ρεύματος στις μεταλλικές επιφάνειες των διαφόρων κοιλοτήτων, αφετέρου η μονορυθμική λειτουργία που υπαγορεύεται από την έλλειψη οριακών συνθηκών απομακρύνει φαινόμενα ανταγωνιστικότητας ρυθμών στο χώρο αλληλεπίδρασης τα οποία θα μπορούσαν είτε να υπονομεύσουν την ποιότητα της δέσμης, είτε να σπαταλήσουν το ενεργειακό της περιεχόμενο λόγω της διέγερσης ανεπιθύμητων ρυθμών. Επιπλέον, λόγω των μεγάλων διαστάσεων που μπορεί να λάβει, ο δίαυλος, η διάταξη μπορεί να φιλοξενήσει επίπεδες ηλεκτρονικές δέσμες με ιδιαίτερα υψηλό ρεύμα -άρα και υψηλή ισχύ-, οι οποίες όμως εμφανίζουν ασθενή πυκνότητα χωρικού φορτίου και ρεύματος, διασφαλίζοντας έτσι την ανυπαρξία φαινομένων χωρικού φορτίου τα οποία υπονομεύουν τη συνοχή και την ποιότητα της ηλεκτρονικής δέσμης. Επιπλέον, καθώς η αλληλεπίδραση πραγματοποιείται με ένα οδεύον (και όχι με στάσιμο) ΗΜ κύμα, ή ηλεκτρονική δέσμη μπορεί να τοποθετηθεί στα σημεία μέγιστου πλάτους του πεδίου εξασφαλίζοντας ισχυρή σύζευξη ηλεκτρονίου-κύματος, ενώ τέλος, η λειτουργία ως ενισχυτή δεν προϋποθέτει την ύπαρξη ρεύματος εκκίνησης για την έναρξη της αποδοτικής λειτουργίας της διάταξης, καθιστώντας έτσι όλο το ρεύμα της ηλεκτρονικής δέσμης διαθέσιμο για την παραγωγή ωφέλιμης μικροκυματικής ακτινοβολίας. Για τη μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίου-κύματος χρησιμοποιήθηκε ένα αυτοσυνεπές σύστημα εξισώσεων το οποίο αποτελείται αφενός από τις εξισώσεις κίνησης των ηλεκτρονίων οι οποίες χαρακτηρίζουν την τροχιά τους υπό την επίδραση του μαγνητοστατικού αλλά και του συνόλου των ΗΜ πεδίων του χώρου, αφετέρου από τις εξισώσεις ακτινοβολίας η οποία προκαλείται κατά τη διαταραγμένη κίνηση των ηλεκτρονίων. Για την αριθμητική επίλυση του συστήματος αυτού, σε κάθε βήμα της αυτοσυνεπούς διαδικασίας χρησιμοποιούνται οι κινηματικές παράμετροι (ή το ΗΜ πεδίο) ως αρχικές τιμές για τον προσδιορισμό των ΗΜ πεδίων (ή των κινηματικών παραμέτρων) του επόμενου βήματος, μέχρις ότου επέλθει η αριθμητική σύγκλιση και η αλληλεπίδραση καταλήξει στη λειτουργία μόνιμης κατάστασης. Οι προσομοιώσεις υπέδειξαν ότι με την κατάλληλη επιλογή παραμέτρων και αρχικών συνθηκών, η αλληλεπίδραση είναι ικανή να επιτύχει μια αξιόλογη ηλεκτρονική απόδοση της τάξης του nₑ~ 25 - 35%, με αποτέλεσμα μια Γκαουσιανή δέσμη γυροτρονίου αρχικής ισχύος 2MW να ενισχυθεί ακόμη και κατά 100%, καταλήγοντας σε μια μικροκυματική δέσμη ισχύος Prf ~ 4 MW, η οποία είναι ανέφικτη με τη χρήση γυροτρονίων. Η παραγόμενη ακτινοβολία διατηρεί σε μεγάλο βαθμό τη Γκαουσιανή της κατανομή ενώ η εφαρμογή υποβαθμισμένων συλλεκτών μπορεί να αυξήσει τη συνολική απόδοση της αλληλεπίδρασης φθάνοντας την τιμή ntot ~ 50%. Τέλος, η επιτυχία της διάταξης συνεκτιμάται και από τη δυνατότητα εφαρμογής της και σε άλλου είδους αλληλεπιδράσεις και μικροκυματικές εφαρμογές, πέραν της σύντηξης.