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, № 12 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Nonlinear dynamics of multimode gyrotron under the influence of external quasi-monochromatic signal

V.L. Bakunin1,2, G.G. Denisov1,2, I.V. Novozhilova1,2

1 Институт прикладной физики Российской академии наук, Nizhnii Novgorod, Russia
2 Institute of Applied Physics Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.12.1 UDC 537.87 EDN EQGMGD

Abstract

The possibility of controlling the radiation frequency of a powerful multimode gyrotron under the influence of an external signal with a harmonically varying frequency or amplitude, as well as two monochromatic signals, has been theoretically studied. These tasks are important for various practical applications, such as suppressing plasma instabilities in tokamaks and stellarators, spectroscopy, as well as creating a complex of coherently emitting gyrotrons in the future. The conditions are found when the frequency and phase of the operating mode are locked by an external signal. In this case, generation occurs at the operating mode with a periodically changing frequency and amplitude. The regimes observed at the exit from the locking zones are investigated. The calculations were carried out on the example of a megawatt power level gyrotron developed at IAP at a frequency of 170 GHz with an operating mode TE28,12. When the gyrotron is exposed to an external signal with a harmonically changing frequency close to the frequency of the operating mode, the frequency of this mode can be locked. The frequency control are possible if the changes in the frequency of the external signal are quite slow compared to the locking time, and the instantaneous frequency of the external signal lies within the locking band at all times. If the frequency of the external signal leaves the locking band, beating of the operating mode or excitation of spurious modes occur. Under the influence of an amplitude-modulated signal with a harmonically changing amplitude or two monochromatic external signals, periodic changes in the frequency and amplitude of the operating mode occur with a period of signal amplitude modulation. If the beat of the amplitude of the external signal is rather deep and slow in the locking time scale, and if there are no free-running single-mode operation for the specified gyrotron parameters, decay into spurious modes takes place. If the amplitude fluctuations are sufficiently small, the parasitic modes are not excited. When changes in the frequency and amplitude of the external signal are rapid in the locking time scale, parasitic modes are not excited, because the amplitude and frequency of radiation do not have time to track changes in the parameters of an external signal and fluctuate in a small range of values.

  • многомодовый гиротрон
  • нелинейная конкуренция мод
  • захват частоты
  • управление спектром
  • multimode gyrotron
  • Nonlinear mode competition
  • frequency locking
  • spectrum control
Аннотация (на русском)

Нелинейная динамика многомодового гиротрона под воздействием внешнего квазимонохроматического сигнала

Теоретически исследована возможность управления частотой излучения мощного многомодового гиротрона при воздействии внешнего сигнала с гармонически меняющейся частотой или амплитудой, а также двух монохроматических сигналов. Эти задачи актуальны для различных практических приложений, таких как подавление неустойчивостей плазмы в токамаках и стеллараторах, спектроскопия, а также создание в перспективе комплекса когерентно излучающих гиротронов. Найдены условия, при которых происходит захват частоты и фазы рабочей моды внешним сигналом. В этом случае имеет место генерация на рабочей моде с периодически меняющейся частотой и амплитудой. Исследованы режимы, наблюдающиеся при выходе из зон захвата. Расчеты проведены на примере разработанного в ИПФ гиротрона мегаваттного уровня мощности на частоте 170ГГц с рабочей модой ТЕ28,12.

For citation

Bakunin V.L., Denisov G.G., Novozhilova I.V. Nonlinear dynamics of multimode gyrotron under the influence of external quasi-monochromatic signal // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.12.1

References

  1. Ергаков В.С., Моисеев М.А., Хижняк В.И. К теории синхронизации МЦР-монотрона. Радиотехника и электроника. 1978. № 12. С.2591-2599.
  2. Нусинович Г.С. К теории синхронизации многомодовых электронных СВЧ-генераторов. Изв. вузов. Радиофизика. 1975. Т.18. No 11. C.1689.
  3. Chirkov A.V., Denisov G.G., Kuftin A.N. Perspective gyrotron with mode converter for co- and counter-rotation operating modes. Applied Physics Letters. 2015. Vol.106. P.263501. DOI: 10.1063/1.4923269
  4. Бакунин В.Л., Гузнов Ю.М., Денисов Г.Г., Зайцев Н.И., Запевалов С.А., Куфтин А.Н., Новожилова Ю.В., Фокин А.П., Чирков А.В., Шевченко А.С. Экспериментальное исследование влияния внешнего сигнала на режим генерации гиротрона мегаваттного уровня мощности. Письма в ЖТФ. 2018. Т.44. №11. С.38-45.
  5. Novozhilova Yu.V., Denisov G.G., Bakunin V.L. Dynamics of Multimode Gyrotron Locked by Quasi-Monochromatic External Signal. Proc. of 44 Int. Conf. on Infrared Millimeter and Terahertz Waves. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874580
  6. Воронин Э.С. О синхронизации автогенератора модулированной внешней силой. Радиотехника. 1959. Т.14. №2. С.48-56.
  7. Мартыненко Д.П., Хохлов Р.В. О захватывании автогенератора амплитудно-модулированной внешней силой. Радиотехника и электроника. 1957. №8. С.1001-1011.
  8. Яковлев В.П. Синхронизация автогенератора слабомодулированной внешней силой. Радиотехника и электроника. 1961. №10. С.1609-1616.
  9. Kharchev N., Cappa A., Malakhov D., Mart'ınez J., Konchekov E., Tolkachev A., Borzosekov V., Sarksyan K., Petelin M. Influence of controlled reflected power on gyrotron performance. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2015. Vol.36. No.12. P.1145-1156. DOI: 10.1007/s10762-015-0206-0.
  10. Фернандез A., Харчев Н.К., Новожилова Ю.В., Батанов Г.М., Бондарь Ю.Ф., Колик Л.В., Сарксян К.А., Толкачёв А.В. Реакция гиротрона на малое отражение от нестационарной нагрузки. Прикладная физика. 2009. №6. С.158-165.
  11. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Зоны захвата частоты многомодового гиротрона мегаваттного уровня мощности внешним сигналом. Известия ВУЗов. Радиофизика. 2015. Т. 58. № 12. С.999-1011.
  12. Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V. Time-domain self-consistent theory of frequency-locking regimes in gyrotrons with low-Q resonators. Physics of Plasmas. 2015. Vol.22. P.033101-1-5.
  13. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В., Фокин А.П. Влияние конкуренции мод на режим захвата частоты многомодового гиротрона внешним монохроматическим сигналом. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2016. Т.5. №8-9. С.709-719.