ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №5

УДК: 621.385.6

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ СВЯЗАННЫХ ГИРОТРОНОВ

МЕТОДОМ КРУПНЫХ ЧАСТИЦ

Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Розенталь Р.М., Сергеев А.С.

ФИЦ Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН

603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

Статья поступила в редакцию 20 февраля 2024 г.

Аннотация. Для исследования задачи взаимной синхронизации двух связанных гиротронов диапазона 170 ГГц построена модель в рамках метода крупных частиц. Для снижения времени расчетов использован подход, основанный на замене несимметричной рабочей моды на эквивалентную осесимметричную моду. В результате размерность задачи снижается, и вместо трехмерного моделирования может быть использовано 2.5-мерное. Рассмотрен предельный случай, когда в качестве эквивалентной моды выбирается низшая осесимметричная мода круглого волновода ТЕ₀₁. Продемонстрировано хорошее соответствие полученных результатов с традиционным подходом на основе моделирования усредненных уравнений.

Ключевые слова: гиротрон, связанные генераторы, метод крупных частиц.

Финансирование: Работа выполнена при поддержке РНФ, грант №19-79-30071.

Автор для переписки: Розенталь Роман Маркович, rrz@ipfran.ru

Литература

1. Иляков Е.В., Кулагин И.С., Нечаев В.Е. Экспериментальное исследование насыщенного мультипактора в скрещенных полях // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 2009. – T. 52. – № 12. – С. 979-986.

2. Sazontov A.G., Nechaev V.E., Vdovicheva N.K. Statistical prediction of microwave window breakdown: effects of RF magnetic field // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2012. – V. 40. – No. 2. – P. 451-462. – DOI: 10.1109/TPS.2011.2176147.

3. González-Iglesias D., Monerris Belda O., Díaz M. E., et al. Experimental Analysis of the Multipactor Effect With RF Pulsed Signals // IEEE Electron Device Letters. 2015. – V. 36. – No. 10. – P. 1085-1087. – DOI: 10.1109/LED.2015.2468068.

4. D. Wang et al. Pulse Lengthening of the Microwave Generated by TM₀₂ Mode Ka-Band RBWO Operating With Low Guiding Magnetic Field // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2021. – V. 68. – No. 6. – P. 3015-3020. – DOI: 10.1109/TED.2021.3074114.

5. Xiao R. et al. Microwave breakdown in an overmoded relativistic backward wave oscillator operating at low magnetic field // Plasma Res. Express. – 2021. – V. 3.– Art.no. 025001. – DOI: 10.1088/2516-1067/abf6b0

6. Iqbal A. et al. Recent advances in multipactor physics and mitigation // High Voltage. – 2023. – V. 8. – No. 6. – P. 1–20. – DOI: 10.1049/hve2.12335

7. Herd J.S., Conway M.D. The Evolution to Modern Phased Array Architectures // Proceedings of the IEEE. – 2016. – V. 104. – No. 3. – P. 519-529. – DOI: 10.1109/JPROC.2015.249487

8. Liu Z. et al. Coherent Combination of Power in Space With Two X-Band Gigawatt Coaxial Multi-Beam Relativistic Klystron Amplifiers // IEEE Electron Device Letters. – 2022. – V. 43. – No. 2. – P. 284-287. – DOI: 10.1109/LED.2021.3137927.

9. Бакунин В.Л., Гузнов Ю.М., Денисов Г.Г и др. Экспериментальное исследование влияния внешнего сигнала на режим генерации гиротрона мегаваттного уровня мощности // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 2019. – T. 62. – № 7-8. – С. 539-548.

10. Шарыпов К.А., Шунайлов С.А., Гинзбург Н.С. и др. Развитие концепции мощных микроволновых генераторов со стабилизацией фазы внешним сигналом // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 2019. – T. 62. – № 7-8. – С. 499-507.

11. Абубакиров Э.Б., Розенталь Р.М., Тараканов В.П. Сравнение эффективности схем ввода внешнего сигналов в релятивистской лампе обратной волны с резонансным рефлектором // Радиотехника и электроника. – 2019. – T. 64.– № 1. – С. 72-76.

12. Ginzburg N.S., Cross A.W., Golovanov A.A. et al. Coherent Summation of Emission From Relativistic Cherenkov Sources as a Way of Production of Extremely High-Intensity Microwave Pulses // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2016.– V. 44. – No. 4. – P. 377-385. – DOI: 10.1109/TPS.2016.2517670

13. Goikhman M.B., Gromov A.V., Kovalev N.F., Palitsin A.V. Summation of wave beams of short microwave pulses // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2018. – T. 23. – № 6. – С. 46-50.

14. Zhang Y. et al. Microwave Power System Based on a Combination of Two Magnetrons // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2017. – V. 64. – No. 10. – P. 4272-4278. – DOI: 10.1109/TED.2017.2737555.

15. Song M. et al. Particle-in-Cell Simulations on High-Efficiency Phase-Locking Millimeter-Wave Magnetrons with Unsynchronized High-Voltage Pulses // Electronics. – 2023. – V. 12. – Art. no. 3502. – DOI: 10.3390/electronics12163502.

16. Adilova A.B., Ryskin N.M. Theory of Peer-to-Peer Locking of High-Power Gyrotron Oscillators Coupled with Delay // Electronics. – 2022. – V. 11. – Art. no. 811. – DOI: 10.3390/electronics11050811

17. Новожилова Ю.В., Богдашов А.А., Глявин М.Ю. и др. Исследование возможности стабилизации частоты двух гиротронов при воздействии отражения от внешнего высокодобротного резонатора // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – №. 11. – DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.23

18. Thumm M.K.A. et al. High-power gyrotrons for electron cyclotron heating and current drive // Nucl. Fusion. – 2019. – V. 59. – No. 7. – Art. no. 073001. – DOI: 10.1088/1741-4326/ab2005

19. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация: фундаментальное нелинейное явление. – М: Техносфера, 2003.

20. Демьянченко А.Г. Синхронизация генераторов гармонических колебаний.– М.: "Энергия", 1976.

21. Usacheva S. A., Ryskin N. M. Phase locking of two limit cycle oscillators with delay coupling // Chaos. – 2014. – V. 24. – No. 2. – Art. no. 023123. – DOI: 10.1063/1.4881837

22. Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Zotova I. V. Time-domain self-consistent theory of frequency-locking regimes in gyrotrons with low-Q resonators // Phys. Plasmas. – 2015. – V. 22. – No. 3. – Art. no. 033101. – DOI: 10.1063/1.4913672.

23. Yakunina K. A., Kuznetsov A. P., Ryskin N. M. Injection locking of an electronic maser in the hard excitation mode // Phys. Plasmas. – 2015. – V. 22. – No. 11.– Art. no. 113107. – DOI: 10.1063/1.4935847.

24. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Фазовый захват внешним монохроматическим сигналом гиротрона с низкочастотными флуктуациями напряжения и тока // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 2020. – T. 63. – № 5-6.– С. 434-445.

25. Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Кулыгин М.Л. и др. Стабилизация частоты гиротрона слабой отражённой волной // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 2015.– T. 58. – № 9. – С. 747-758.

26. Zotova I. V., Denisov G. G., Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Rozental R. M. Time-domain theory of low-Q gyrotrons with frequency-dependent reflections of output radiation // Phys. Plasmas. – 2018. – V. 25. – No. 1. – Art. no. 013104.– DOI: 10.1063/1.5008666.

27. Новожилова Ю.В., Денисов Г.Г., Глявин М.Ю. и др. Стабилизация частоты гиротрона под влиянием внешнего монохроматического сигнала или отраженной от нагрузки волны: обзор // Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика. – 2017. – T. 25. – № 1. – С. 4-34.

28. Melnikova M. M., Tyshkun A. V., Ryskin N. M. Theoretical Analysis of Frequency Stabilization and Pulling Effects in a Gyrotron with Delayed Reflection // J Infrared Milli Terahz Waves. – 2021. – V. 42. – No. 4. – P. 446-461. – DOI: 10.1007/s10762-021-00768-9.

29. Rozental R. M., Ginzburg N. S., Glyavin M. Yu., Sergeev A. S., Zotova I. V. Mutual synchronization of weakly coupled gyrotrons // Phys. Plasmas. – 2015.– V. 22. – No. 9. – Art. no. 093118. – DOI: 10.1063/1.4931746.

30. Адилова А.Б., Рыскин Н.М. Влияние запаздывания на взаимную синхронизацию двух связанных гиротронов // Изв. вузов. Радиофизика.– 2020. – Т. 63. – № 9. – С. 781–795.

31. Розенталь Р.М., Зотова И.В., Глявин М.Ю. и др. Расширение полосы частотной перестройки в субтерагерцовом гиротроне с внешним отражателем брэгговского типа // Изв. вузов. Радиофизика. – 2020. – Т. 63.– № 5. – С. 403–410.

32. Глявин М.Ю., Федотов А.Э., Зотова И.В. и др. Экспериментальная демонстрация возможности расширения полосы плавной перестройки частоты генерации в гиротронах с укороченным резонатором // Изв. вузов. Радиофизика. – 2018. – Т. 61. – № 11. – С. 895–899.

33. Rozental R. M., Tarakanov V. P. Potential for Acceleration of Simulation of Dynamic Processes in Oversized Gyrotrons by Means of Using 2.5 D Particle-in-Cell Method // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2022.– V. 43. – No. 5-6. – P. 479-492. – DOI: 10.1007/s10762-022-00862-6

34. Розенталь Р. М., , Тай Е.М., Тараканов В.П., Фокин А.П. Использование 2,5-мерного PIC-кода для моделирования гиротронов с несимметричными рабочими модами // Известия вузов. Радиофизика. – 2022. – Т. 65. – № 5-6.– C. 420-433.

35. R. M. Rozental, N. I. Zaitsev, I. S. Kulagin, E. V. Ilyakov and N. S. Ginzburg. Nonstationary processes in an X-band relativistic gyrotron with delayed feedback // IEEE Trans. Plasma Sci. – 2004. – V. 32. – No. 2. – P. 418-421. – DOI: 10.1109/TPS.2004.829831.

36. Богдашов А.А., Глявин М.Ю., Розенталь Р.М., Фокин А.П., Тараканов В.П. Уменьшение ширины спектра излучения гиротрона при использовании внешних отражений // Письма в ЖТФ. – 2018. – T. 44. – Вып. 5. – С. 87-94.

37. Glyavin M. Yu., Ogawa I., Zotova I. V. et al. Frequency Stabilization in a Sub-Terahertz Gyrotron With Delayed Reflections of Output Radiation // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2018. – V. 46. – No. 7. – P. 2465-2469.– DOI: 10.1109/TPS.2018.2797480.

38. Myasnikov V.E., Agapova M.V., Kuftin A.N. et al. Progress of 1.5–1.7 MW/170 GHz gyrotron development // 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2013. P. 1-2. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665557

39. Kuftin A.N., Fokin A.P., Rozental R.M. Simulations of the Experimental Spectral Features of Megawatt-Class Gyrotron Fed With an External Signal // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2024. – V. 71. – DOI: 10.1109/TED.2024.3390655.

40. Tarakanov V.P. Code KARAT in simulations of power microwave sources including Cherenkov plasma devices, vircators, orotron, E-field sensor, calorimeter etc. // EPJ Web Conf. – 2017. – V. 149. – Art. no. 04024. – DOI: 10.1051/epjconf/201714904024

41. Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V., Zheleznov I.V. Time-domain theory of gyrotron traveling wave amplifiers operating at grazing incidence // Phys. Plasmas. – 2015. – Vol. 22. – Art. no. 013112. – DOI: 10.1063/1.4906364

42. Гинзбург H.C., Завольский H.A., Нусинович Г.С., Сергеев А.С. Установление автоколебаний в электронных СВЧ генераторах с дифракционным выводом излучения // Изв. ВУЗов. Радиофизика. – 1986.– Т. 29. – № 1. – С. 106-114.

Для цитирования:

Гинзбург Н.С., Зотова И.В., Розенталь Р.М., Сергеев А.С. Моделирование динамики связанных гиротронов методом крупных частиц. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.5.11