Генерация импульсного излучения терагерцового диапазона в релятивистском гиротроне в режиме умножения частоты

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В рамках усредненного подхода исследован режим умножения частоты в релятивистском гиротроне диапазона 300 ГГц. Показано, что в условиях селективного возбуждения колебаний на моде ТЕ33,2 на основной циклотронной гармонике возможна генерация излучения с частотой 1.5 ТГц и мощностью до 1.5 кВт на моде ТЕ165,7 с возбуждением пятой гармоники гирочастоты. Выполнено трехмерное моделирование гиротрона методом крупных частиц, на основе которого показано сужение зоны генерации на основной циклотронной гармонике по сравнению с расчетной в рамках упрощенной модели, что приводит к ограничению мощности терагерцового излучения на уровне 200 Вт.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. С. Гинзбург

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: rrz@ipfran.ru

Член-корреспондент РАН

Россия, Нижний Новгород

И. В. Зотова

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук

Email: rrz@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

А. Н. Леонтьев

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: rrz@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

А. М. Малкин

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: rrz@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

Р. М. Розенталь

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: rrz@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

А. С. Сергеев

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук

Email: rrz@ipfran.ru
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г., Мануилов В.Н., Морозкин М.В., Богдашов А.А., Гачев И.Г., Седов А.С., Пу Р., Нусинович Г.С., Гранатштейн В. Л. Разработка мощного импульсного субтерагерцового гиротрона для дистанционного обнаружения источников ионизирующего излучения // Изв. вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54. № 8. С. 666–675.
  2. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г., Богдашов А.А., Мануилов В.Н., Морозкин М.В., Родин Ю., Денисов Г.Г., Кашин Д., Роджерс Дж., Ромеро-Таламас К.А., Пу Р., Шкварунец А.Г., Нусинович Г.С. Экспериментальное исследование импульсного терагерцового гиротрона с рекордными значениями мощности и эффективности // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56. № 8. С. 550–561.
  3. Глявин М.Ю., Лучинин А.Г. Терагерцовый гиротрон с импульсным магнитным полем // Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50. № 10–11. С. 831–838.
  4. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5-kW, 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. № 1. Art.no.015101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.015101
  5. Нусинович Г.С., Павельев А.Б. Теоретическое исследование паразитной генерации на гармониках частоты рабочей моды в гиротронах // Радиотехника и электроника. 1987. Т. 32. № 6. C. 1274–1280.
  6. Завольский Н.А., Нусинович Г.С., Павельев А.Б. К теории паразитного излучения в гиротронах // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. Т. 31. № 3. С. 361–368.
  7. Denisov G.G., Zotova I.V., Malkin A.M., Sergeev A.S., Rozental R.M., Fokin A.P., Belousov V.I., Shmelev M.Yu., Chirkov A.V., Tsvetkov A.I., Bandurkin I.V., Glyavin M.Yu. Boosted excitation of the fifth cyclotron harmonic based on frequency multiplication in conventional gyrotrons // Phys. Rev. E. 2022. V. 106. № 2. Art.no. L023203. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.L023203
  8. Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Железнов И.В., Зотова И.В., Малкин А.М., Сергеев А.С. Гироумножители на пятой циклотронной гармонике на основе мощных гиротронов для плазменных приложений // Изв. вузов. Радиофизика. 2023. Т. 66. № 7/8. С. 527–537. https://doi.org/10.52452/00213462_2023_66_07_527
  9. Братман В.Л., Гинзбург Н.С., Нусинович Г.С., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Циклотронные и синхротронные мазеры / В кн. Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФАН СССР. 1979. С. 157–216.
  10. Леонтьев А.Н., Розенталь Р.М., Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Малкин А.М., Сергеев А.С. Возбуждение высоких циклотронных гармоник в сильноточном релятивистском гиротроне в режиме умножения частоты // Письма в ЖТФ. 2022. Т. 48. № 24. С. 11–14. http://doi.org/10.21883/PJTF.2022.24.54016.19176
  11. Leontyev A.N., Plankin O.P., Rozental R.M., Semenov E.S. Design of a 300 GHz Relativistic Gyrotron with an output Power of more Than 7 MW // J. IR MM THz waves. 2023. V. 44. № 11/12. P. 998–1015. https://doi.org/10.1007/s10762-023-00950-1
  12. Ginzburg N.S., Nusinovich G.S., Zavolsky N.A. Theory of non-stationary processes in gyrotrons with low Q resonators // Int. J. Electron. 1986. V. 61. № 6. P. 881–894. https://doi.org/10.1080/00207218608920927
  13. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Кулагин И.С., Лыгин В.К., Мануилов В.Н., Моисеев М.А., Шевченко А.С. Экспериментальное исследование мощной магнетронно-инжекторной электронной пушки для релятивистских гироприборов // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49. № 8. С. 680–685.
  14. Иляков Е.В., Кулагин И.С., Мануилов В.Н., Шевченко А.С. Эксперименты по формированию интенсивного винтового электронного пучка в условиях перехвата электронов, отраженных от магнитной пробки // Изв. вузов. Радиофизика 2007. Т. 50. № 9. С. 785–792.
  15. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Куфтин А.Н., Новожилова Ю.В., Фокин А.П., Зуев А.С., Семенов Е.С. Стабилизация частоты излучения гиротрона с удаленным отражателем в условиях взаимодействия мод эквидистантного спектра // Изв. вузов. Радиофизика 2022. Т. 65. № 8. С. 621–633. https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_08_621
  16. Tarakanov V.P. Code KARAT in simulations of power microwave sources including Cherenkov plasma devices, vircators, orotron, E-field sensor, calorimeter etc // Proc. EPJ Web Conf. 2017. V. 149. Art. no. 04024. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714904024.
  17. Abubakirov E.B., Chirkov A.V., Denisov G.G., Guznov Y.M., Kornishin S.Y., Leontyev A.N. et. al. W-Band 5 MW Pulse Relativistic Gyrotron // IEEE Trans. on Elec. Dev. 2017. V. 64. № 4. P. 1865–1867. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2664106
  18. An C., Zhang D., Zhang J., Li S. and Liu J. Design of a Low-Voltage High-Efficiency 250 GHz Gyrotron // 2018 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). 2018. P. 1079–1081. https://doi.org/10.23919/APMC.2018.8617302
  19. Lin M., Smithe D.N. Study on beam wave interaction and mode competition in a fusion gyrotron using 3-D EM PIC simulation // 2019 International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 2019. P. 1–2. https://doi.org/10.1109/IVEC.2019.8745190
  20. Bandurkin I., Fedotov A., Glyavin M., Idehara T., Malkin A., Manuilov V., Sergeev A., Tsvetkov A., Zaslavsky V., Zotova I. Development of Third-Harmonic 1.2-THz Gyrotron With Intentionally Increased Velocity Spread of Electrons // IEEE Trans. on Elec. Dev. 2020. V. 67. № 10. P. 4432–4436. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3012524
  21. Rozental R.M., Zotova I.V., Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Tarakanov V.P. Generation of Electromagnetic Rogue-Waves in Submillimeter-Band Gyrotrons // J. of Inf., Mm, and THz Waves. 2019. V. 40. P. 150–157. https://doi.org/10.1007/s10762-018-0561-8
  22. Huan J., Song T., Liang P., Qi X., Ran D., Zhang C., Yan Z., Wu Z., Zhang K., Zhao T., Hu M., Wei Y., Gong Y., Wang W., Liu D. Detailed Investigation on Nonstationary Behavior in a Frequency-Tunable Gyrotron // IEEE Trans. on Electron. Dev. 2022. V. 69. № 6. P. 3400–3406. https://doi.org/10.1109/TED.2022.3169111
  23. Моисеев М.А., Нусинович Г.С. К теории многомодовой генерации в гиромонотроне // Изв. вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17. № 11. С. 1709–1717.
  24. Denisov G.G., Zotova I.V., Zheleznov I.V., Malkin A.M., Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Semenov E.S., Glyavin M.Yu. Phase-Locking of Second-Harmonic Gyrotrons for Providing MW-Level Output Power // IEEE Trans. Electron Dev. 2022. V. 69. № 2. P. 754–758.
  25. Kuftin A.N., Denisov G.G., Chirkov A.V., Shmelev M.Yu., Belousov V.I., Ananichev A.A., Movshevich B.Z., Zotova I.V., Glyavin M.Yu. First Demonstration of Frequency-Locked Operation of a 170 GHz/ 1 MW Gyrotron // IEEE Electron Dev. Lett. 2023. V. 44. № 9. P. 1563–1566.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость мощности генерации на первой (а) и пятой (б) циклотронных гармониках от величины магнитного поля при разных значениях начального разброса по поперечным скоростям электронов: кривая 1 – разброс 30%, кривая 2 – 10%.

Скачать (37KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Геометрия пространства взаимодействия и мгновенное положение макрочастиц в продольном (а) и поперечном (б) сечениях расчетной области, а также распределение продольной компоненты высокочастотного магнитного поля в резонаторе при возбуждении рабочей моды ТЕ33,2 (в).

Скачать (77KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспериментальная форма импульса ускоряющего напряжения (а) и форма импульса напряжения в трехмерном PIC-моделировании (б). Горизонтальный масштаб одной клетки осциллограммы – 500 нс.

Скачать (67KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расчетная зависимость выходной мощности на первой циклотронной гармонике от времени (левый столбец) и соответствующие спектры сигнала на интервале от 100 до 230 нс (правый столбец) при последовательном увеличении магнитного поля: 14.55 Тл (а), 14.6 Тл (б), 14.7 Тл (в), 14.8 Тл (г), 14.9 Тл (д), 15.0 Тл (е), 15.1 Тл (ж), 15.2 Тл (з).

Скачать (180KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025