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, № 5 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Particle-in-cells simulation of the dynamics of coupled gyrotrons

N.S. Ginzburg1, I.V. Zotova1, R.M. Rozental1, A.S. Sergeev1

1 Federal Research Center A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2024.5.11 UDC 621.385.6 EDN DOBAEA

Abstract

The problem of mutual synchronization of two coupled gyrotrons in the 170 GHz waveband was simulated using the particle-in-cells method. To reduce the calculation time, an approach based on replacing the asymmetric operating mode with an equivalent axisymmetric mode was used. As a result, the dimension of the problem is reduced, and instead of three-dimensional modeling, 2.5-dimensional modeling can be used. The limiting case is considered when the lowest axisymmetric mode of the circular waveguide TE01 is chosen as the equivalent mode. The results obtained are demonstrated to be in good agreement with the traditional approach based on modeling of averaged equations.

  • gyrotron
  • coupled oscillators
  • particle-in-cells simulation
Аннотация (на русском)

Моделирование динамики связанных гиротронов методом крупных частиц

Для исследования задачи взаимной синхронизации двух связанных гиротронов диапазона 170 ГГц построена модель в рамках метода крупных частиц. Для снижения времени расчетов использован подход, основанный на замене несимметричной рабочей моды на эквивалентную осесимметричную моду. В результате размерность задачи снижается, и вместо трехмерного моделирования может быть использовано 2.5-мерное. Рассмотрен предельный случай, когда в качестве эквивалентной моды выбирается низшая осесимметричная мода круглого волновода ТЕ01. Продемонстрировано хорошее соответствие полученных результатов с традиционным подходом на основе моделирования усредненных уравнений.

For citation

Ginzburg N.S., Zotova I.V., Rozental R.M., Sergeev A.S. Particle-in-cells simulation of the dynamics of coupled gyrotrons // Journal of Radio Electronics. – 2024. – No. 5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.5.11

References

  1. Иляков Е.В., Кулагин И.С., Нечаев В.Е. Экспериментальное исследование насыщенного мультипактора в скрещенных полях // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2009. - T. 52. - № 12. - С. 979-986.
  2. Sazontov A.G., Nechaev V.E., Vdovicheva N.K. Statistical prediction of microwave window breakdown: effects of RF magnetic field // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2012. - V. 40. - No. 2. - P. 451-462. - DOI: 10.1109/TPS.2011.2176147.
  3. González-Iglesias D., Monerris Belda O., Díaz M. E., et al. Experimental Analysis of the Multipactor Effect With RF Pulsed Signals // IEEE Electron Device Letters. 2015. - V. 36. - No. 10. - P. 1085-1087. - DOI: 10.1109/LED.2015.2468068.
  4. D. Wang et al. Pulse Lengthening of the Microwave Generated by TM₀₂ Mode Ka-Band RBWO Operating With Low Guiding Magnetic Field // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2021. - V. 68. - No. 6. - P. 3015-3020. - DOI: 10.1109/TED.2021.3074114.
  5. Xiao R. et al. Microwave breakdown in an overmoded relativistic backward wave oscillator operating at low magnetic field // Plasma Res. Express. - 2021. - V. 3. - Art.no. 025001. - DOI: 10.1088/2516-1067/abf6b0
  6. Iqbal A. et al. Recent advances in multipactor physics and mitigation // High Voltage. - 2023. - V. 8. - No. 6. - P. 1-20. - DOI: 10.1049/hve2.12335
  7. Herd J.S., Conway M.D. The Evolution to Modern Phased Array Architectures // Proceedings of the IEEE. - 2016. - V. 104. - No. 3. - P. 519-529. - DOI: 10.1109/JPROC.2015.249487
  8. Liu Z. et al. Coherent Combination of Power in Space With Two X-Band Gigawatt Coaxial Multi-Beam Relativistic Klystron Amplifiers // IEEE Electron Device Letters. - 2022. - V. 43. - No. 2. - P. 284-287. - DOI: 10.1109/LED.2021.3137927.
  9. Бакунин В.Л., Гузнов Ю.М., Денисов Г.Г и др. Экспериментальное исследование влияния внешнего сигнала на режим генерации гиротрона мегаваттного уровня мощности // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2019. - T. 62. - № 7-8. - С. 539-548.
  10. Шарыпов К.А., Шунайлов С.А., Гинзбург Н.С. и др. Развитие концепции мощных микроволновых генераторов со стабилизацией фазы внешним сигналом // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2019. - T. 62. - № 7-8. - С. 499-507.
  11. Абубакиров Э.Б., Розенталь Р.М., Тараканов В.П. Сравнение эффективности схем ввода внешнего сигналов в релятивистской лампе обратной волны с резонансным рефлектором // Радиотехника и электроника. - 2019. - T. 64. - № 1. - С. 72-76.
  12. Ginzburg N.S., Cross A.W., Golovanov A.A. et al. Coherent Summation of Emission From Relativistic Cherenkov Sources as a Way of Production of Extremely High-Intensity Microwave Pulses // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2016. - V. 44. - No. 4. - P. 377-385. - DOI: 10.1109/TPS.2016.2517670
  13. Goikhman M.B., Gromov A.V., Kovalev N.F., Palitsin A.V. Summation of wave beams of short microwave pulses // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2018. - T. 23. - № 6. - С. 46-50.
  14. Zhang Y. et al. Microwave Power System Based on a Combination of Two Magnetrons // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2017. - V. 64. - No. 10. - P. 4272-4278. - DOI: 10.1109/TED.2017.2737555.
  15. Song M. et al. Particle-in-Cell Simulations on High-Efficiency Phase-Locking Millimeter-Wave Magnetrons with Unsynchronized High-Voltage Pulses // Electronics. - 2023. - V. 12. - Art. no. 3502. - DOI: 10.3390/electronics12163502.
  16. Adilova A.B., Ryskin N.M. Theory of Peer-to-Peer Locking of High-Power Gyrotron Oscillators Coupled with Delay // Electronics. - 2022. - V. 11. - Art. no. 811. - DOI: 10.3390/electronics11050811
  17. Новожилова Ю.В., Богдашов А.А., Глявин М.Ю. и др. Исследование возможности стабилизации частоты двух гиротронов при воздействии отражения от внешнего высокодобротного резонатора // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 11. - DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.23
  18. Thumm M.K.A. et al. High-power gyrotrons for electron cyclotron heating and current drive // Nucl. Fusion. - 2019. - V. 59. - No. 7. - Art. no. 073001. - DOI: 10.1088/1741-4326/ab2005
  19. Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация: фундаментальное нелинейное явление. - М: Техносфера, 2003.
  20. Демьянченко А.Г. Синхронизация генераторов гармонических колебаний. - М.: "Энергия", 1976.
  21. Usacheva S. A., Ryskin N. M. Phase locking of two limit cycle oscillators with delay coupling // Chaos. - 2014. - V. 24. - No. 2. - Art. no. 023123. - DOI: 10.1063/1.4881837
  22. Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Zotova I. V. Time-domain self-consistent theory of frequency-locking regimes in gyrotrons with low-Q resonators // Phys. Plasmas. - 2015. - V. 22. - No. 3. - Art. no. 033101. - DOI: 10.1063/1.4913672.
  23. Yakunina K. A., Kuznetsov A. P., Ryskin N. M. Injection locking of an electronic maser in the hard excitation mode // Phys. Plasmas. - 2015. - V. 22. - No. 11. - Art. no. 113107. - DOI: 10.1063/1.4935847.
  24. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Фазовый захват внешним монохроматическим сигналом гиротрона с низкочастотными флуктуациями напряжения и тока // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2020. - T. 63. - № 5-6. - С. 434-445.
  25. Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Кулыгин М.Л. и др. Стабилизация частоты гиротрона слабой отражённой волной // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2015. - T. 58. - № 9. - С. 747-758.
  26. Zotova I. V., Denisov G. G., Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Rozental R. M. Time-domain theory of low-Q gyrotrons with frequency-dependent reflections of output radiation // Phys. Plasmas. - 2018. - V. 25. - No. 1. - Art. no. 013104. - DOI: 10.1063/1.5008666.
  27. Новожилова Ю.В., Денисов Г.Г., Глявин М.Ю. и др. Стабилизация частоты гиротрона под влиянием внешнего монохроматического сигнала или отраженной от нагрузки волны: обзор // Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика. - 2017. - T. 25. - № 1. - С. 4-34.
  28. Melnikova M. M., Tyshkun A. V., Ryskin N. M. Theoretical Analysis of Frequency Stabilization and Pulling Effects in a Gyrotron with Delayed Reflection // J Infrared Milli Terahz Waves. - 2021. - V. 42. - No. 4. - P. 446-461. - DOI: 10.1007/s10762-021-00768-9.
  29. Rozental R. M., Ginzburg N. S., Glyavin M. Yu., Sergeev A. S., Zotova I. V. Mutual synchronization of weakly coupled gyrotrons // Phys. Plasmas. - 2015. - V. 22. - No. 9. - Art. no. 093118. - DOI: 10.1063/1.4931746.
  30. Адилова А.Б., Рыскин Н.М. Влияние запаздывания на взаимную синхронизацию двух связанных гиротронов // Изв. вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - № 9. - С. 781-795.
  31. Розенталь Р.М., Зотова И.В., Глявин М.Ю. и др. Расширение полосы частотной перестройки в субтерагерцовом гиротроне с внешним отражателем брэгговского типа // Изв. вузов. Радиофизика. - 2020. - Т. 63. - № 5. - С. 403-410.
  32. Глявин М.Ю., Федотов А.Э., Зотова И.В. и др. Экспериментальная демонстрация возможности расширения полосы плавной перестройки частоты генерации в гиротронах с укороченным резонатором // Изв. вузов. Радиофизика. - 2018. - Т. 61. - № 11. - С. 895-899.
  33. 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. - V. 43. - No. 5-6. - P. 479-492. - DOI: 10.1007/s10762-022-00862-6
  34. Розенталь Р. М., Тай Е.М., Тараканов В.П., Фокин А.П. Использование 2,5-мерного PIC-кода для моделирования гиротронов с несимметричными рабочими модами // Известия вузов. Радиофизика. - 2022. - Т. 65. - № 5-6. - C. 420-433.
  35. R. M. Rozental, N. I. Zaitsev, I. S. Kulagin, E. V. Ilyakov and N. S. Ginzburg. Nonstationary processes in an X-band relativistic gyrotron with delayed feedback // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2004. - V. 32. - No. 2. - P. 418-421. - DOI: 10.1109/TPS.2004.829831.
  36. Богдашов А.А., Глявин М.Ю., Розенталь Р.М., Фокин А.П., Тараканов В.П. Уменьшение ширины спектра излучения гиротрона при использовании внешних отражений // Письма в ЖТФ. - 2018. - T. 44. - Вып. 5. - С. 87-94.
  37. Glyavin M. Yu., Ogawa I., Zotova I. V. et al. Frequency Stabilization in a Sub-Terahertz Gyrotron With Delayed Reflections of Output Radiation // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2018. - V. 46. - No. 7. - P. 2465-2469. - DOI: 10.1109/TPS.2018.2797480.
  38. Myasnikov V.E., Agapova M.V., Kuftin A.N. et al. Progress of 1.5-1.7 MW/170 GHz gyrotron development // 38th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2013. P. 1-2. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2013.6665557
  39. Kuftin A.N., Fokin A.P., Rozental R.M. Simulations of the Experimental Spectral Features of Megawatt-Class Gyrotron Fed With an External Signal // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2024. - V. 71. - DOI: 10.1109/TED.2024.3390655.
  40. Tarakanov V.P. Code KARAT in simulations of power microwave sources including Cherenkov plasma devices, vircators, orotron, E-field sensor, calorimeter etc. // EPJ Web Conf. - 2017. - V. 149. - Art. no. 04024. - DOI: 10.1051/epjconf/201714904024
  41. Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V., Zheleznov I.V. Time-domain theory of gyrotron traveling wave amplifiers operating at grazing incidence // Phys. Plasmas. - 2015. - Vol. 22. - Art. no. 013112. - DOI: 10.1063/1.4906364
  42. Гинзбург H.C., Завольский H.A., Нусинович Г.С., Сергеев А.С. Установление автоколебаний в электронных СВЧ генераторах с дифракционным выводом излучения // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1986. - Т. 29. - № 1. - С. 106-114.