Προσομοίωση της κυκλοτρονικής αλληλεπίδρασης στον δίαυλο δέσμης του γυροτρονίου με εφαρμογή στη μελέτη των παρασιτικών ταλαντώσεων

Abstract

Gyrotron oscillators are microwave sources covering the millimeter bands of the electromagnetic spectrum with main application being the generation of high-power microwave radiation for heating of plasmas in experimental fusion devices. One serious problem of high-power high-frequency gyrotron experiments is the excitation of parasitic oscillations inside the beam tunnel prior to the cavity. This kind of parasitic oscillations degrade the quality of the electron beam, reduce the efficiency of the main interaction and may cause overheating and arcs possibly leading to the failure of the overall device.The topic of this dissertation is the theoretical study of parasitic oscillations in the beam tunnel and its aim is to offer a deeper insight of the corresponding physics and suggest possible methods for their suppression. More specifically, for the simulation of the beam tunnel its mathematical model and the pertinent numerical code are developed. The beam tunnel is modeled as a finite-length cavity by applying outgoing-wave boundary conditions at its boundaries. By using such an approach, the characteristics of the resonant modes, which exhibit dielectric and diffraction losses, can be calculated.For the simulation of the beam-wave interaction in the beam tunnel, a simulation scheme is developed by combining our code (NESTOR) with EURIDICE that is a simulation and design code for gyrotron cavities. With this combination of codes specific beam-tunnel configurations are studied and the starting currents of the resonant modes are calculated. In addition, parametric studies are performed by varying the geometrical and physical properties of the beam tunnel, like the real and imaginary part of the permittivity and the thickness of the dielectric rings. Next, extensions of the model for coaxial geometries and for a structure with a total-reflection boundary condition at the right boundary are developed. Finally, specific directions for future research are presented and discussed, which can simulate realistically and precisely actual beam-tunnel structures.

Τα γυροτρόνια είναι διατάξεις παραγωγής μικροκυμάτων που καλύπτουν τη χιλιοστομετρική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με κύρια εφαρμογή την παραγωγή μικροκυματικής ακτινοβολίας υψηλής ισχύος για τη θέρμανση του πλάσματος στα πειράματα ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Ένα από τα σοβαρά προβλήματα, το οποίο αντιμετωπίζουν τα γυροτρόνια υψηλής ισχύος και συχνότητας, είναι η διέγερση ανεπιθύμητων παρασιτικών ταλαντώσεων στον δίαυλο της δέσμης πριν την κοιλότητα. Τέτοιου είδους παρασιτικές ταλαντώσεις υποβαθμίζουν την ποιότητα της δέσμης, μειώνουν την απόδοση της κύριας αλληλεπίδρασης και είναι πιθανό να προκαλέσουν τοπική υπερθέρμανση, ηλεκτρικά τόξα έως και πλήρη διακοπή της λειτουργίας όλης της διάταξης.Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη θεωρητική μελέτη των παρασιτικών ταλαντώσεων στον δίαυλο της δέσμης και φιλοδοξεί να προσφέρει μια βαθύτερη κατανόηση της φυσικής του φαινομένου και να προτείνει πιθανούς τρόπους αντιμετώπισης του προβλήματος. Συγκεκριμένα, για τη μελέτη του διαύλου δέσμης αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο και ο σχετικός κώδικας για την προσομοίωση της διάταξης. Ο δίαυλος της δέσμης αντιμετωπίζεται σαν πεπερασμένου μήκους κοιλότητα εφαρμόζοντας οριακές συνθήκες εξερχόμενων κυμάτων στα άκρα. Έτσι, μπορούν να υπολογισθούν τα χαρακτηριστικά των συντονιζόμενων ρυθμών της διάταξης, οι οποίοι παρουσιάζουν διηλεκτρικές απώλειες και απώλειες περίθλασης. Για την προσομοίωση της κυκλοτρονικής αλληλεπίδρασης κύματος-δέσμης στον δίαυλο αναπτύσσεται ένα σχήμα προσομοίωσης συνδυάζοντας τον κώδικα μας (NESTOR) με τον κώδικα προσομοίωσης της κοιλότητας EURIDICE. Με τον συνδυασμό αυτό μελετώνται συγκεκριμένες διαμορφώσεις διαύλων δέσμης και υπολογίζονται τα ρεύματα εκκίνησης των ρυθμών. Επίσης, πραγματοποιούνται παραμετρικές μελέτες της εξάρτησης των απωλειών και της αλληλεπίδρασης από γεωμετρικές και φυσικές παραμέτρους του διαύλου, όπως το πραγματικό και φανταστικό μέρος της επιτρεπτότητας και το πάχος των δαχτυλιδιών. Κατόπιν, αναπτύσσονται επεκτάσεις για ομοαξονικές γεωμετρίες διαύλου και εφαρμόζονται οριακές συνθήκης ολικής ανάκλασης στο ένα άκρο. Τέλος, συζητούνται και προτείνονται συγκεκριμένες κατευθύνσεις μελλοντικής έρευνας που υπόσχονται την πλήρη και ακριβή προσομοίωση του διαύλου δέσμης στον υπολογιστή