ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2019, № 2 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Моделирование сильноточного релятивистского гиротрона на TM-моде продольно-щелевого резонатора

М.Н. Вилков1,2, А.Н. Леонтьев1,2, Р.М. Розенталь1,2, В.П. Тараканов3,4,5,6

1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
2 Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, Россия
3 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ“, Москва, Россия
4 Moscow Engineering Physics Institute, Россия
5 Объединенный институт высоких температур РАН, Россия
6 Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences, Россия
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.2.6 УДК 621.385.69 EDN NWISKK

Аннотация

Выполнены расчеты сильноточного релятивистского гиротрона длинноволновой части миллиметрового диапазона на моде ТМ-типа. Для дискриминации мод ТЕ-типа в гиротроне использован резонатор, составленный из отдельных продольных металлических пластин со щелями между ними. В рамках трехмерного PIC-моделирования кодом KARAT продемонстрирована возможность селективного возбуждения моды ТМ5,1 винтовым электронным пучком с энергией частиц 500 кэВ и током 2 кА при выходной мощности более 230 МВт.

  • gyrotron
  • millimeter-wave radiation
  • high-current relativistic electron beams
Abstract (in English)

Simulation of high-current relativistic gyrotron on longitudinally slotted cavity TM-mode

Pulse gyrotrons with relativistic helical electron beams, formed by explosion emission cathodes, are promising sources of millimeter-wavelength radiation of the with output power level of hundreds of megawatts. One of the methods for increasing the efficiency of such gyrotrons is the interaction with transverse magnetic modes, instead of transverse electric modes. This reduces the excessively-large electron-wave coupling coefficient and thereby increases the interaction efficiency. In this paper, the results of simulations of the TM-mode Ka-band high-current relativistic gyrotron operating with a helical electron beam with eelctron energy of 500 keV and current of 2 kA are presented. A gyrotron cavity formed by separate longitudinal metal plates with slots between them was used for TE-mode discrimination. The possibility of selective exciting of the TM51 mode with output power of more than 230 MW was demonstrated using the PIC-simulation with the 3D KARAT code.

Для цитирования

Вилков М.Н., Леонтьев А.Н., Розенталь Р.М., Тараканов В.П. Моделирование сильноточного релятивистского гиротрона на TM-моде продольно-щелевого резонатора // Журнал радиоэлектроники. – 2019. – № 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.2.6

Литература

  1. Dhillon S.S., Vitiello M.S., Linfield E.H. et al. The 2017 terahertz science and technology roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys., Vol. 50, No. 4, art.no. 043001, January 2017.
  2. Black W.M., Gold S.H., Fliflet A.W., Kirkpatrick D.A., Manheimer W.M., Lee R.C., Granatstein V.L., Hardesty D.L., Kinkead A.K., and Sucy M. Megavolt, multikiloamp Ka band gyrotron oscillator experiment. Phys. of Fluids B: Plasma Phys, 1990, Vol. 2, Iss 1.
  3. Radack D. J., Ramaswamy K., Destler W.W., and Rodgers J. A fundamental mode, high-power, large-orbit gyrotron using a rectangular interaction region. J. Appl. Phys. 1993, Vol. 73, Iss 12.
  4. В.Л. Братман, М.И. Петелин. К вопросу об оптимизации параметров мощных гиромонотронов с нефиксированной структурой ВЧ поля // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1975, т. 18, №10, с. 1538-1543.
  5. Н.А. Завольский, В.Е. Запевалов, М.А. Моисеев. О достижении высокого КПД релятивистского гиротрона //// Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2001, т. 44, №4, с. 345-352.
  6. В.Л. Братман. Поперечно-магнитные моды в МЦР-монотроне // Электронная техника. Сер. I. Электроника СВЧ. 1974, №7, с. 92-94.
  7. Н.С. Гинзбург Н.С., Г.С. Нусинович. К нелинейной теории релятивистского гиротрона // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1979. Т. 22. №64. С.754.
  8. Bratman V.L. et al. Relativistic gyrotrons and cyclotron autoresonance masers. Int. J. Electron., 1981, v.51, no.4, p.541-567.
  9. Э.Б. Абубакиров. Возбуждение поперечно-магнитных волн и селекция мод в релятивистских МЦР // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1983. Т. 26. № 4. С. 492.
  10. Ботвинник, В.Л. Братман, Г.Г. Денисов, М.М. Офицеров. Релятивистские гиротроны с высокоселективными резонаторами на моды поперечно-магнитного типа // Письма в ЖТФ, 1984, т.10, вып.13, с. 792-796.
  11. И.П. Котик, В.В. Мериакри, М.В. Персиков, А.Н. Сивов. Теоретический анализ и некоторые применения волноводов круглого сечения с продольными щелями // Радиотехника и электроника. 1965, т.10, №7, с. 1226-1232.
  12. В.Л. Братман, В.П. Губанов, Г.Г. Денисов, С.Д. Коровин, С.Д. Полевин, В.В. Ростов, А.В. Сморгонский. Релятивистские оротроны - мощные источники когерентного миллиметрового излучения // Письма в ЖТФ. 1984, т. 10, вып.13, с. 807-811.
  13. М.Б. Гойхман, В.В. Кладухин, С.В. Кладухин, Н.Ф. Ковалев, Н.Г. Колганов, С.П. Храмцов. Мощная релятивистская лампа обратной волны с продольно-щелевой электродинамической системой // Письма в ЖТФ. 2014, т. 40, вып. 2, с. 75-81.
  14. Э.Б. Абубакиров, А.Н. Денисенко, А.П. Конюшков и др. Разработка сильноточного гиротрона миллиметрового диапазона // Изв. РАН. Серия Физическая. 2018. Т. 82. №1. С. 56-60.
  15. Власов С.Н., Жислин Г.М., Орлова И.М., Петелин М.И., Рогачева Г.Г. Открытые резонаторы в виде волноводов переменного сечения // Изв.ВУЗов. Радиофизика. 1969. Т.12. №8. С.1236-1244.
  16. В.Е. Запевалов, Ю.К. Калынов, А.Н. Куфтин, С.А. Малыгин, Е.М. Тай. Низкодобротные резонаторы для мощных гиротронов // Изв.ВУЗов. Радиофизика. 1994. Т.37. №3. С.381-386.
  17. Г.Г. Денисов, Н.И. Зайцев, С.В. Кузиков, М.Е. Плоткин. Повышение селективности резонаторов релятивистских гиротронов, работающих на осесимметричных модах // Изв.ВУЗов. Радиофизика. 2008. Т.51. №10. С.837-849.
  18. Тараканов В.П. / В кн. "Математическое моделирование. Проблемы и результаты". М.: Наука, 2003. С. 456.
  19. 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, vol. 149, art.no. 04024.
  20. Kalyanasundaram N., Saini J. On small-signal amplification of a TM circular cylindrical wave-guide mode in a gyro-TWT. IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2013, Vol. 7, No. 8, pp. 644-655.
  21. Chang T.H., Xu K.J. Gain and bandwidth of the TM-mode gyrotron amplifiers. Physics of Plasmas, 2018, 25, 112109.
  22. Jiao C., Luo J. A Gyrotron Backward Wave Oscillator Orperating in the TM11 Mode with Large-Orbit Electron Beam. 2007 IEEE International Vacuum Electronics Conference, Kitakyushu, 2007, pp. 1-2.
  23. Sabchevski S., Idehara T. Cyclotron Autoresonance With TE and TM Guided Waves. Int. J. IR&MM Waves, 2005, Vol. 26, No. 5, p. 669-689.
  24. Liu B.F., Zhang S.C. Nonlinear Simulation of a Cyclotron Autoresonance Maser (CARM) Operating in a Transverse Magnetic Mode. J. IR MM THz Waves, 2011, Vol. 32, Iss. 1, pp 8-15.