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
2024, № 2 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Selecting the time dependence of the accelerating voltage fluctuations for modeling of the spectral characteristics of a megawatt-level gyrotron

R.M. Rozental1, A.P. Fokin1

1 A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.2.8 UDC 621.385.6 EDN TRSKPX

Abstract

The spectral characteristics of the gyrotron with a megawatt power level in the 170 GHz range were modeled numerically. The calculations were carried out using the large particle method implemented in the KARAT code. The problem of three-dimensional modeling of the excitation of an asymmetric type mode was reduced to a 2.5-dimensional one. For this model, the presence of high-frequency fluctuations at the output of high-voltage power supplies, which determine the initial energy of electrons, was taken into account. The relationship between the shape and width of the radiation spectrum of the simulated gyrotron and the time dependence of the accelerating voltage has been studied. It is shown that the best agreement with experimental data is obtained by combining a relatively slow sawtooth change in particle energy with fast random fluctuations.

  • gyrotron
  • millimeter waves
  • accelerating voltage fluctuations
Аннотация (на русском)

Выбор формы временной зависимости ускоряющего напряжения для моделирования спектральных характеристик гиротрона мегаваттного уровня мощности

Выполнено численное моделирование спектральных характеристик экспериментально реализованного гиротрона мегаваттного уровня мощности диапазона 170 ГГц. Расчеты проводились при помощи метода крупных частиц с использованием программного кода KARAT, при этом задача трехмерного моделирования возбуждения моды несимметричного типа сводилась к 2,5-мерной. При этом учитывалось присутствие высокочастотных флюктуаций на выходе высоковольтных источников питания, определяющих начальную энергию электронов. Исследованы связь формы и ширины спектра излучения моделируемого гиротрона с временной зависимостью величины ускоряющего напряжения. Показано, что лучшее совпадение с экспериментальными данными получается при сочетании относительно медленного пилообразного изменения энергии частиц с быстрыми случайными флуктуациями.

For citation

Rozental R.M., Fokin A.P. Selecting the time dependence of the accelerating voltage fluctuations for modeling of the spectral characteristics of a megawatt-level gyrotron // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.2.8

References

  1. Litvak A.G., Denisov G.G., Glyavin M.Y.Russian gyrotrons: Achievements and trends //IEEE Journal of Microwaves. - 2021. - Т. 1. - №. 1. - С. 260-268.
  2. Денисов Г.Г. и др. Концепция гиротрона c мегаваттным уровнем мощности на первой и второй циклотронных гармониках для нагрева плазмы в сферических токамаках //Известия вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - №. 5-6.
  3. Денисов Г.Г. и др. Микроволновый комплекс мегаваттного уровня мощности для системы электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы и поддержания тока в токамаке Т-15МД //Известия вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - №. 5-6.
  4. Красильников А.В. и др. Токамак с реакторными технологиями (TRT): концепция, миссии, основные особенности и ожидаемые характеристики //Физика плазмы. - 2021. - Т. 47. - №. 11. - С. 970-985.
  5. Лукша О.И. и др. Траекторный анализ в коллекторе с многоступенчатой рекуперацией энергии для прототипа гиротрона DEMO. Часть I. Идеализированное распределение магнитного поля //Журнал технической физики. - 2021. - Т. 91. - №. 1. - С. 125-130.
  6. Denisov G. et al. Concept design of the megawatt power level gyrotron stabilized by a low-power signal for DEMO project //Nuclear Fusion. - 2022. - Т. 62. - №. 3. - С. 036020.
  7. Denisov G.G. et al. Design of master oscillator for frequency locking of a complex of megawatt level microwave sources //Microwave and Optical Technology Letters. - 2020. - Т. 62. - №. 6. - С. 2137-2143.
  8. Rozental R.M. et al. Concept of Gyrotron Complexes With Serial Phase and Frequency Locking //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2023. - Т. 70. - №. 4. - С. 2161-2164.
  9. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Фазовый захват внешним монохроматическим сигналом гиротрона с низкочастотными флуктуациями напряжения и тока //Известия вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - №. 5-6.
  10. Kuftin A.N. et al. First demonstration of frequency-locked operation of a 170 GHz/1 MW gyrotron //IEEE Electron Device Letters. - 2023.
  11. Rozental R.M., Tarakanov V.P. Potential for Acceleration of Simulation of Dynamic Processes in Oversized Gyrotrons by Means of Using 2.5 D Particle-in-Cell Method //Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2022. - Т. 43. - №. 5-6. - С. 479-492.
  12. Розенталь Р.М., и др. Использование 2,5-мерного PIC-кода для моделирования гиротронов с несимметричными рабочими модами // Известия вузов. Радиофизика. - 2022. - Т. 65. - № 5-6. - C. 420-433.
  13. Tarakanov V.P. Code KARAT in simulations of power microwave sources including Cherenkov plasma devices, vircators, orotron, E-field sensor, calorimeter etc //EPJ Web of Conferences. - EDP Sciences, 2017. - Т. 149. - С. 04024.
  14. Andreev S.N., Kurilenkov Y.K., Oginov A.V. Fully Electromagnetic Code KARAT Applied to the Problem of Aneutronic Proton-Boron Fusion //Mathematics. - 2023. - Т. 11. - №. 18. - С. 4009.
  15. Тараканов В.П. Теоретический и численный анализ нелинейных задач физики плазмы посредством кода КАРАТ //Дис. на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук. М., ИОФ РАН. - 2011.
  16. Fasel D. et al. 5 MW CW supply system for the ITER gyrotrons Test Facility //Fusion engineering and design. - 2011. - Т. 86. - №. 6-8. - С. 872-875.
  17. Ma S.X. et al. Overview of 100-kV/60-A high-voltage power supply utilized for the ECRH system on J-TEXT tokamak //IEEE Transactions on Plasma Science. - 2014. - Т. 42. - №. 3. - С. 656-663.
  18. Braune H. et al. HV-system for CW-gyrotrons at W7-X and the relevance for ITER //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2005. - Т. 25. - №. 1. - С. 56.
  19. Jeong J.H. et al. Development of high voltage power supply for the KSTAR 170 GHz ECH and CD system //Fusion Engineering and Design. - 2013. - Т. 88. - №. 5. - С. 380-387.
  20. Denisov G.G. et al. First experimental tests of powerful 250 GHz gyrotron for future fusion research and collective Thomson scattering diagnostics //Review of Scientific Instruments. - 2018. - Т. 89. - №. 8.