Generation of pulsed terahertz radiation in a relativistic gyrotron in the frequency multiplication mode

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

Within the framework of the averaged approach, the frequency multiplication mode in a relativistic gyrotron in the 300 GHz range was studied. It is shown that under conditions of selective excitation of oscillations on the ТЕ33,2 mode at the fundamental cyclotron harmonic, it is possible to generate radiation with a frequency of 1.5 THz and a power of up to 1.5 kW on the ТЕ165,7 mode with excitation of the fifth harmonic of the gyrofrequency. A three-dimensional simulation of the gyrotron by the large particle method was performed, on the basis of which a narrowing of the generation zone at the main cyclotron harmonic was shown in comparison with that calculated within the framework of a simplified model, which leads to a limitation of the power of terahertz radiation at the level of 200 W.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

N. Ginzburg

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Science

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: rrz@ipfran.ru

Corresponding Member of the RAS

Ресей, Nizhny Novgorod

I. Zotova

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Science

Email: rrz@ipfran.ru
Ресей, Nizhny Novgorod

A. Leontyev

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Science; National Research Lobachevsky State University

Email: rrz@ipfran.ru
Ресей, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod

A. Malkin

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Science; National Research Lobachevsky State University

Email: rrz@ipfran.ru
Ресей, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod

R. Rozental

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Science; National Research Lobachevsky State University

Email: rrz@ipfran.ru
Ресей, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod

A. Sergeev

Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Science

Email: rrz@ipfran.ru
Ресей, Nizhny Novgorod

Әдебиет тізімі

  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.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Dependence of the generation power at the first (a) and fifth (b) cyclotron harmonics on the magnitude of the magnetic field for different values ​​of the initial spread in transverse electron velocities: curve 1 – spread of 30%, curve 2 – 10%.

Жүктеу (37KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Geometry of the interaction space and instantaneous position of macroparticles in the longitudinal (a) and transverse (b) sections of the computational domain, as well as the distribution of the longitudinal component of the high-frequency magnetic field in the resonator upon excitation of the TE33.2 operating mode (c).

Жүктеу (77KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Experimental shape of the accelerating voltage pulse (a) and the shape of the voltage pulse in three-dimensional PIC simulation (b). The horizontal scale of one cell of the oscillogram is 500 ns.

Жүктеу (67KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Calculated dependence of the output power at the first cyclotron harmonic on time (left column) and the corresponding signal spectra in the interval from 100 to 230 ns (right column) with a successive increase in the magnetic field: 14.55 T (a), 14.6 T (b), 14.7 T (c), 14.8 T (d), 14.9 T (e), 15.0 T (f), 15.1 T (g), 15.2 T (h).

Жүктеу (180KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2025