ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 11 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Исследование возможности стабилизации частоты двух гиротронов при воздействии отражения от внешнего высокодобротного резонатора

Ю.В. Новожилова1, А.А. Богдашов1, М.Ю. Глявин1, Г.Г. Денисов1, А.П. Фокин1, А.В. Назаровский1, Р.М. Розенталь1

1 ФИЦ Институт прикладной физики им. А.В.Гапонова-Грехова РАН, Нижний Новгород, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.23 УДК 537.86 EDN PPOGVN

Аннотация

Аналитически показана возможность стабилизации частоты двух гиротронов с близкими параметрами при отражении части их излучения от внешнего высокодобротного резонатора и исследована устойчивость стабилизированных состояний. Анализ стационарных состояний, в которых генераторы излучают когерентно, показывает, что частота излучения может быть стабилизирована, если добротность внешнего резонатора достаточно велика. При этом изменение параметров системы приводит к существенно меньшим изменениям частоты генерации, чем в отсутствие отражений: в достаточно широком интервале параметров частота излучения гиротронов может удерживаться в пределах полосы внешнего резонатора. При возрастании и убывании собственных частот резонаторов гиротронов может наблюдаться гистерезис и скачки частоты излучения. Исследование устойчивости при оптимальной фазе запаздывания показывает, что стабилизированные по частоте состояния устойчивы. При малом отклонении от этих состояний быстрее всего убывают возмущения амплитуд гиротронов. На следующем этапе, за бо̀льшее время происходит установление стационарных значений фаз гиротронов. На последнем, самом длительном этапе, устанавливаются стационарные значения амплитуды и фазы внешнего резонатора.

  • гиротрон
  • связанные генераторы
  • стабилизация частоты
  • внешний резонатор
Abstract (in English)

Studying the possibility of frequency stabilization of two gyrotrons under the influence of reflection from an external high-Q resonator

The possibility of frequency stabilization of two gyrotrons with similar parameters when part of their radiation is reflected from an external high-Q cavity is shown analytically, and the stability of stabilized states is investigated. Analysis of stationary states in which the generators radiate coherently shows that the radiation frequency can be stabilized if the quality factor of the external resonator is high enough. In this case, changing the parameters of the system leads to significantly smaller changes in the generation frequency than in the absence of reflections: in a fairly wide range of parameters, the gyrotron radiation frequency can be kept within the band of the external resonator. As the eigen frequencies of gyrotron resonators increase and decrease, hysteresis and jumps in the radiation frequency can be observed. A study of stability at the optimal delay phase shows that frequency-stabilized states are stable. When the deviation from these states is small, the disturbances in the amplitudes of the gyrotrons decrease most quickly. At the next stage, over a longer period of time, stationary values of the gyrotron phases are settled. At the last, longest stage, stationary values of the amplitude and phase of the external resonator are formed.

Для цитирования

Новожилова Ю.В., Богдашов А.А., Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Фокин А.П., Назаровский А.В., Розенталь Р.М. Исследование возможности стабилизации частоты двух гиротронов при воздействии отражения от внешнего высокодобротного резонатора // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.23

Литература

  1. Egorov S. V. et al. Implementation of rapid microwave sintering using a 24 GHz gyrotron system // Review of Scientific Instruments. - 2022. - Т. 93. - №. 6.
  2. Thumm M. K. A. et al. High-power gyrotrons for electron cyclotron heating and current drive // Nuclear Fusion. - 2019. - Т. 59. - №. 7. - С. 073001.
  3. Nusinovich G. S., Thumm M. K. A., Petelin M. I. The gyrotron at 50: Historical overview // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2014. - Т. 35. - С. 325-381.
  4. Denisov G. G. New trends in gyrotron development // EPJ Web of Conferences. - EDP Sciences, 2017. - Т. 149. - С. 01001.
  5. Jory H.Network for pulling a microwave generator to the frequency of its resonant load: пат. 3714592 США. - 1973.
  6. Kozorezov G. G. Ferrite-decoupled magnetrons for electron accelerators // Vacuum Microwave Electronics: Collected Review Papers. - Institute of Applied Physics, 2002. - С. 67-70.
  7. Kazakevitch G. M. et al. Stabilization of the microtron-injector for a wide-band compact FIR FEL // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2004. - Т. 528. - №. 1-2. - С. 115-119.
  8. Li H., Abraham N. B. Analysis of the noise spectra of a laser diode with optical feedback from a high-finesse resonator // IEEE journal of quantum electronics. - 1989. - Т. 25. - №. 8. - С. 1782-1793.
  9. Oraevsky A. N., Yarovitsky A. V., Velichansky V. L. Frequency stabilisation of a diode laser by a whispering-gallery mode // Quantum Electronics. - 2001. - Т. 31. - №. 10. - С. 897.
  10. Liang W. et al. Ultralow noise miniature external cavity semiconductor laser //Nature communications. - 2015. - Т. 6. - №. 1. - С. 7371.
  11. Zolotovskii I. O. et al. Frequency locking of a semiconductor laser by a ring fibre resonator // Quantum Electronics. - 2017. - Т. 47. - №. 10. - С. 871.
  12. Seel S. et al. Cryogenic optical resonators: a new tool for laser frequency stabilization at the 1 Hz level // Physical review letters. - 1997. - Т. 78. - №. 25. - С. 4741.
  13. Novozhilova Y. V., Ishenko A. S. Analytical theory of an RF generator phase-locked by the resonant load with delayed reflection // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2011. - Т. 32. - С. 1394-1406.
  14. Glyavin M. Y. et al. Stabilization of gyrotron frequency by reflection from nonresonant and resonant loads // Technical Physics Letters. - 2015. - Т. 41. - С. 628-631.
  15. Глявин М. Ю. и др. Стабилизация частоты гиротрона слабой отраженной волной // Известия вузов. Радиофизика. - 2015. - Т. 58. - №. 9.
  16. Zotova I. V. et al. Time-domain theory of low-Q gyrotrons with frequency-dependent reflections of output radiation // Physics of Plasmas. - 2018. - Т. 25. - №. 1.
  17. Fokin A. P. et al. Experimental demonstration of gyrotron frequency stabilization by resonant reflection // IEEE Electron Device Letters. - 2021. - Т. 42. - №. 7. - С. 1077-1080.
  18. Komurasaki K., Tabata K. Development of a novel launch system microwave rocket powered by millimeter-wave discharge // International Journal of Aerospace Engineering. - 2018. - Т. 2018. - С. 1-9.
  19. Rozental R. M. et al. Mutual synchronization of weakly coupled gyrotrons // Physics of Plasmas. - 2015. - Т. 22. - №. 9.
  20. Адилова А. Б., Рыскин Н. М. Влияние запаздывания на взаимную синхронизацию двух связанных гиротронов // Известия вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - №. 9-10.
  21. Adilova A. B., Ryskin N. M. Theory of peer-to-peer locking of high-power gyrotron oscillators coupled with delay // Electronics. - 2022. - Т. 11. - №. 5. - С. 811.
  22. Новожилова Ю.В., Богдашов А.А., Назаровский А.В., Фокин А.П., Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Моделирование режимов генерации двух гиротронов с общим резонансным отражателем // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.22