Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 2 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

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

M.N. Vilkov1,2, A.N. Leontyev1,2, R.M. Rozental1,2, V.P. Tarakanov3,4,5,6

1 Институт прикладной физики РАН, Nizhnii Novgorod, Russia
2 Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russia
3 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ“, Moscow, Russia
4 Moscow Engineering Physics Institute, Moscow, Russia
5 Объединенный институт высоких температур РАН, Russia
6 Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.2.6 UDC 621.385.69 EDN NWISKK

Abstract

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.

  • gyrotron
  • millimeter-wave radiation
  • high-current relativistic electron beams
Аннотация (на русском)

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

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.

For citation

Vilkov M.N., Leontyev A.N., Rozental R.M., Tarakanov V.P. Simulation of high-current relativistic gyrotron on longitudinally slotted cavity TM-mode // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.2.6

References

  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.