Волны-убийцы в гиротронах

Учёные из нижегородского Института прикладной физики РАН теоретически показали возможность создания так называемых волн-убийц в мощных источниках СВЧ-излучения, известных как гиротроны. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Волнами-убийцами называют всплески необычно высокой амплитуды, неожиданно возникающие на фоне относительно небольшого волнения. Впервые волны-убийцы наблюдались на поверхности воды в открытом океане. Своё название они получили из-за существенного ущерба, который они могут нанести судну или одиноко стоящей нефтедобывающей платформе.

Считается, что картина Кацусика Хокусай «Большая волна в Канагаве» — самое старое дошедшее до нас изображение волны-убийцы.
Считается, что картина Кацусика Хокусай «Большая волна в Канагаве» — самое старое дошедшее до нас изображение волны-убийцы.

С точки зрения физики в случайно колеблющейся среде всегда есть вероятность появления волн высокой амплитуды. Однако частота появлений волн-убийц чересчур велика, чтобы объяснить их просто случайностью. Эта загадка, долгое время существовавшая в науке, была решена не так давно. Оказалось, что волны-убийцы — следствие нелинейных свойств наблюдающихся волн, то есть их возникновение объясняется тем, что результат сложения двух волн, пришедших в некую точку, не является простой арифметической суммой этих волн — волны меняют свойства среды, в которой они распространяются (например, меняют толщину водного слоя в случае волн на воде), что меняет условия распространения самих этих волн.

Поскольку нелинейные волны могут наблюдаться не только на воде, но и в других системах, учёные стали искать волны-убийцы и в них. Эти поиски увенчались успехом: резкие всплески на фоне случайного волнения наблюдались в жидком гелии, оптике, полупроводниковых и волоконных лазерах, плазме и т. д.

Группа Н. С. Гинзбурга, работающая в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, специализируется на физике СВЧ-генераторов. Главным объектом их исследования являются гиротроны — мощные СВЧ-излучатели, способные создавать микроволновые импульсы мощностью до нескольких мегаватт. Одно из главных назначений гиротронов — нагрев плазмы в установках термоядерного синтеза. В частности, нижегородская фирма НПП «Гиком» должна будет поставить 8 гиротронов для международного мегапроекта ITER, строительство которого сейчас идёт во Франции.

Гиротрон фирмы ГИКОМ для ITER на испытательном стенде в Курчатовском институте.
Гиротрон фирмы ГИКОМ для ITER на испытательном стенде в Курчатовском институте.

В том же Институте прикладной физики РАН работает один из ведущих мировых специалистов в области нелинейных волны в целом и волн-убийц в частности, Е. Н. Пелиновский. Не удивительно, что именно здесь появилась идея посмотреть, нельзя ли наблюдать волны-убийцы и в СВЧ-диапазоне.

Книга Е. Н. Пелиновского, ставшая одной из классических в физике нелинейных волн на воде.
Книга Е. Н. Пелиновского, ставшая одной из классических в физике нелинейных волн на воде.

Проведённые теоретические оценки показали, что это, действительно, возможно. Для этого необходимо повышать ток электронов, которые собственно и генерируют СВЧ-излучение в гиротронах, до такой величины, чтобы устройство перешло в режим развитой турбулентности. В этом случае, как было показано в работе, в излучении могут наблюдаться всплески, мощность которых в 100—150 раз превышает среднюю мощность излучения и в 6—9 раз — мощность возбуждающего электрического тока.

Зависимость мощности излучения от времени (справа) и распределение всплесков по мощности (слева) для трёх значений электронного тока: докритического, критического и надкритического. В последнем случае наблюдается развитая турбулентность и генерация волн-убийц, хорошо видных на правом графике.
Зависимость мощности излучения от времени (справа) и распределение всплесков по мощности (слева) для трёх значений электронного тока: докритического, критического и надкритического. В последнем случае наблюдается развитая турбулентность и генерация волн-убийц, хорошо видных на правом графике.

Эти выкладки были дополнительно проверены путём полноразмерного трёхмерного численного моделирования с использованием специального кода КАРАТ, разработанного В. П. Таракановым из МИФИ.

Результат, полученный численным моделированием. Сверху — зависимость мощности излучения от времени. Снизу слева — распределение мощности всплесков по мощности. Снизу справа — спектр излучения.
Результат, полученный численным моделированием. Сверху — зависимость мощности излучения от времени. Снизу слева — распределение мощности всплесков по мощности. Снизу справа — спектр излучения.

С практической точки зрения эти результаты интересны в первую очередь возможностью создать сверхмощный источник СВЧ-излучения. При этом необходимые для экспериментальной реализации нужного режима работы электронные пучки могут быть получены при помощи стандартных магнетронных пушек, использующихся в существующих гиротронах.

comments powered by Disqus