ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 10 · ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Многолучевые гиротроны с вложенными резонаторами

М.Ю. Глявин1, А.С. Зуев1, В.Н. Мануилов1,2, В.А. Скалыга1

1 ИПФ им. А.В. Гапонова-Грехова РАН, Россия
2 ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.10.8 УДК 621.385.69 EDN OUAEPY

Аннотация

Для некоторых приложений требуются мощные многочастотные источники сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн. В частности, дополнительный стабилизирующий сигнал требуется в ЭЦР источниках многозарядных ионов для подавления циклотронных плазменных неустойчивостей. В работе предлагается концепт двухлучевого технологического гиротрона, обеспечивающего генерацию излучения одновременно на двух частотах: на частоте 28 ГГц с мощностью до 10 кВт для ЭЦР нагрева плазмы и на частоте 14.4 ГГц с мощностью до 6 кВт для стабилизации плазмы. Возможность излучения на двух частотах реализуется за счет применения оригинальной электродинамической системы, представляющей собой соосно вложенные резонаторы. Такой подход позволяет сформировать сигнал на близких частотах при работе на одной циклотронной гармонике и/или на кратных частотах при работе на разных гармониках. Возможны разные комбинации электронно-оптических и электродинамических подсистем гиротрона в сочетании с традиционными или сложными магнитными системами. Обсуждаются варианты конструкции нового типа гиротрона и концепции двухлучевой электронно-оптической системы, которые могут быть использованы для формирования винтовых электронных пучков в такой системе. Одной из перспективных концепций является система со встречными электронными пучками, в которой первый пучок формируется стандартной магнетронно-инжекторной пушкой (МИП), второй - инвертированной МИП. Ещё одной перспективной модификацией является использование нескольких пучков в одном или каждом резонаторе для многочастотной генерации или селекции рабочего типа колебаний. В некоторых рассмотренных вариантах электронно-оптической системы возможен отдельный подогрев каждого эмиттера, что делает возможным независимое включение любого генератора или нескольких одновременно. Кроме того, в большинстве случаев, регулируя напряжения на электродах, можно дополнительно управлять параметрами электронных пучков. Еще одно интересное решение - введение вспомогательного соленоида в основную магнитную систему, что позволит изменить соотношение частот выходного сигнала. Для реализации рассмотренных концепций гиротронов требуются магнитные системы с большим проходным отверстием.

  • гиротрон
  • высокая циклотронная гармоника
  • магнетронно-инжекторная пушка
  • электронные пучки
Abstract (in English)

Multi-beam gyrotrons with nested cavities

Some applications require powerful multi-frequency sources in the centimeter and millimeter wavelength range. In particular, an additional signal is required in ECR sources of multiply charged ions to suppress cyclotron plasma instabilities. The paper proposes a concept of a double-beam technological gyrotron that provides two-frequencies output radiation at 28 GHz with a power of up to 10 kW for ECR plasma heating and at 14.4 GHz with a power of up to 6 kW for plasma stabilization. The possibility of radiation at two frequencies is realized by using an original electrodynamic system with nested cavities. This approach makes it possible to get a radiation source at close frequencies when operating at one cyclotron harmonic and/or at multiple frequencies when operating at different harmonics. Various combinations of electron-optical and electrodynamic gyrotron subsystems are possible in combination with standard or complex magnetic systems. Designs of a new type of gyrotron and concepts of a double-beam electron-optical system, double-beam EOS, are discussed. One of the promising concepts is an electron-optical system with counter-propagating electron beams, in which the first beam is formed by a standard magnetron-injection gun (MIG), and the second beam by an inverted MIG. Another promising modification is the introduction of several electron beams into one or each cavity for mode selection or multi-frequency operation. The EOS modifications with voltage regulation on electrodes are attractive for beam parameter control. In addition, separate heating of each emitter in some EOS concepts allows to independently switched on/off any of the beams during the operation. Another promising modification is the introduction of an additional solenoid, located in the bore of the main magnetic system, which allows changing the frequency ratio of the output signal. The considered gyrotron concepts require the use of magnetic systems with a large bore.

Для цитирования

Глявин М.Ю., Зуев А.С., Мануилов В.Н., Скалыга В.А. Многолучевые гиротроны с вложенными резонаторами // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.10.8

Литература

  1. Xie Z.Q., Lyneis C.M. Concept for a third generation ECR source at LBL // Proc. of the 12th Int. Workshop on ECR Ion Sources. - 1995. - С. 24.
  2. Leitner D. et al. Next generation ECR ion sources: First results of the superconducting 28 GHz ECRIS-VENUS // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. - 2005. - Т. 235. - №. 1-4. - С. 486-493. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2005.03.230
  3. Zhao H.W. et al. Superconducting ECR ion source: From 24-28 GHz SECRAL to 45 GHz fourth generation ECR // Review of Scientific Instruments. - 2018. - Т. 89. - №. 5. - C. 052301. https://doi.org/10.1063/1.5017479
  4. Li L.X. et al. Production of intense pulsed beams of highly charged ions from a superconducting electron cyclotron resonance ion source // Physical Review Accelerators and Beams. - 2022. - Т. 25. - №. 6. - С. 063402. https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.25.063402
  5. Vondrasek R.C., Scott R., Pardo R.C. ECRIS operation with multiple frequencies // Review of Scientific Instruments. - 2006. - Т. 77. - №. 3. - С. 03A337. https://doi.org/10.1063/1.2164895
  6. Kitagawa A. et al. Two-frequency heating technique for stable ECR plasma // Proc. 20th International Workshop on ECRIS. - 2012. - С. 10-12.
  7. Tarvainen O. et al. Beam current oscillations driven by cyclotron instabilities in a minimum-B electron cyclotron resonance ion source plasma // Plasma Sources Science and Technology. - 2014. - Т. 23. - №. 2. - С. 025020. http://doi.org/10.1088/0963-0252/23/2/025020
  8. Tarvainen O. et al. Limitations of electron cyclotron resonance ion source performances set by kinetic plasma instabilities // Review of Scientific Instruments. - 2015. - Т. 86. - №. 2. - C. 023301. http://doi.org/10.1063/1.4906804
  9. Izotov I. et al. Measurement of the energy distribution of electrons escaping minimum-B ECR plasmas // Plasma Sources Science and Technology. - 2018. - Т. 27. - №. 2. - С. 025012. https://doi.org/10.1088/1361-6595/aaac14
  10. Tarvainen O. et al. Plasma instabilities of a charge breeder ECRIS // Plasma Sources Science and Technology. - 2017. - Т. 26. - №. 10. - С. 105002. https://doi.org/10.1088/1361-6595/aa8975
  11. Skalyga V. et al. Suppression of cyclotron instability in electron cyclotron resonance ion sources by two-frequency heating // Physics of Plasmas. - 2015. - Т. 22. - №. 8. - C. 083509. https://doi.org/10.1063/1.4928428
  12. Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. - New York: Routledge. 1st Edition. 1996. - 434 p. https://doi.org/10.1201/9780203758663
  13. Bykov Yu. et al. Microwave sources for 3-rd and 4-th generation of ECRIS // Proc. ECRIS. Chicago, IL, USA. - 2008. - С. 136.
  14. Denisov G.G. et al. A 45-GHz/20-kW gyrotron-based microwave setup for the fourth-generation ECR ion sources // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2018. - Т. 65. - №. 9. - С. 3963-3969. https://doi.org/10.1109/TED.2018.2859274
  15. Nusinovich G.S. Mode interaction in gyrotrons // International Journal of Electronics. - 1981. - Т. 51. - №. 4. - С. 457-474. https://doi.org/10.1080/00207218108901349
  16. Sabchevski S.P., Glyavin M.Y., Nusinovich G.S. The progress in the studies of mode interaction in gyrotrons // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2022. - Т. 43. - №. 1. - С. 1-47. https://doi.org/10.1007/s10762-022-00845-7
  17. Bandurkin I.V. et al. Demonstration of a selective oversized cavity in a terahertz second-harmonic gyrotron // IEEE Electron Device Letters. - 2020. - Т. 41. - №. 9. - С. 1412-1415. https://doi.org/10.1109/LED.2020.3010445
  18. Denisov G.G. et al. Boosted excitation of the fifth cyclotron harmonic based on frequency multiplication in conventional gyrotrons // Physical Review E. - 2022. - Т. 106. - №. 2. - С. L023203. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.L023203
  19. Liu S. et al. The coaxial gyrotron with two electron beams. II. Dual frequency operation // Physics of Plasmas. - 2007. - Т. 14. - №. 10. - С. 103114. https://doi.org/10.1063/1.2784767
  20. Bandurkin I.V. et al. Double-beam gyrotron with frequency multiplication // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2019. - Т. 66. - №. 5. - С. 2396-2400. https://doi.org/10.1109/TED.2019.2905047
  21. Zheleznov I.V. et al. Concept of Dual-Frequency Double-Beam Gyrotron for Plasma Applications // IEEE Electron Device Letters. - 2024. - Т. 45. - №. 9. - С. 1642-1644. https://doi.org/10.1109/LED.2024.3424652
  22. Запевалов В.Е., Зуев А.С., Куфтин А.Н. Многоствольные гиротроны // Изв. вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - № 2. - C. 105-114. https://radiophysics.unn.ru/issues/2020/2/105
  23. Запевалов В.Е., Зуев А.С., Планкин О.П., Семенов Е.С. Многоствольный гиротрон для ДПЯ/ЯМР-спектроскопии // Изв. вузов. Радиофизика. - 2023. - Т. 66. - № 1. - C. 1-20. https://doi.org/10.52452/00213462_2023_66_01_1
  24. Tsvetkov A., Manuilov V. A New Concept of an Electron-optical System with Two Counter-propagating Electron Beams for Advanced Gyrotron Designs // 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), Chengdu, China, 2023. - С. 1-2. https://doi.org/10.1109/IVEC56627.2023.10157222
  25. Cao Y. et al. A Cascaded W-Band Gyro-TWT With the Configuration of Coaxial and Circular Waveguides // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2023. - Т. 70. - №. 4. - С. 1906-1911. https://doi.org/10.1109/TED.2023.3241879
  26. Запевалов В.Е., Мануилов В.Н., Цимринг Ш.Е. Электронно-оптические системы двухлучевых гиротронов // Изв. вузов. Радиофизика. - 1991. - Т. 34. - №. 2. - C. 205-210. https://radiophysics.unn.ru/issues/1991/2/205
  27. Nusinovich G.S.Introduction to the Physics of Gyrotron. - Baltimore: The Johns Hopkins University Press. 2004. - 336 p.
  28. Братман В.Л. и др. Компактный источник ТГц-излучения для повышения чувствительности ядерного магнитного резонанса путем динамической поляризации ядер // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2018. - Т. 82. - №. 12. - С. 1760-1765. https://doi.org/10.1134/S036767651812027X
  29. Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Моисеев М.А. Численное моделирование процессов электронно-волнового взаимодействия в резонаторах мощных гиротронов с частотой 300 ГГц // Изв. вузов. Радиофизика. - 2021. - Т. 64. - №. 3. - C. 192-205. https://doi.org/10.52452/00213462_2021_64_03_192
  30. Семенов Е.С. и др. Анализ режимов генерации в технологическом гиротроне с магнитоэкранированной системой в среде ANGEL // Изв. вузов. Радиофизика. - 2023. - Т. 66. - №. 7-8. - C. 645-663. https://doi.org/10.52452/00213462_2023_66_07_645
  31. Idehara T. et al. A novel THz-band double-beam gyrotron for high-field DNP-NMR spectroscopy // Review of Scientific Instruments. - 2017. - Т. 88. - №. 9. - C. 094708. https://doi.org/10.1063/1.4997994
  32. Manuilov V.N., Morozkin M.V., Louksha O.I., Glyavin M.Yu. Gyrotron collector systems: Types and capabilities // Infrared Physics & Technology. - Т. 91. - С. 46-54. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2018.03.024