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
2025, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Variation of the transient process of relativistic Ka-band BWO in the non-stationary generation mode

M.I. Yalandin1,2, V.V. Rostov3

1 Institute of Electrophysics UB RAS, Ekaterinburg, Russia
2 P.N. Lebedev Physical Institute RAS, Moscow, Russia
3 Institute of High Current Electronics SB RAS, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.11.11 UDC 537.533.7 EDN MFHKED

Abstract

A brief review of studies and new results on variation of the transient process duration of a non-stationary relativistic Ka-band backward-wave oscillator are presented. The variation is realized by changing the electron current, the beam coupling with the synchronous harmonic of the excited wave TM01, or a seed signal intensity determined by steepness of the beam front. In the first two cases, not only the leading radiation peak shifts, but also its power changes significantly, and in the second case, the carrier frequency also varies. The approaches noted were demonstrated experimentally or in modeling using particle-in-cell method. A numerical experiment showed that, with a constant current front steepness, the transient process duration can be controlled by variation the transverse velocities of the electrons of the magnetized beam, at which the amplitude and time of occurrence of the seed signal change, but the microwave power remains constant.

  • Coaxial diode
  • High-current beam
  • backward-wave jscillator
  • magnetic field
  • Transverse velocities
  • transient process
Аннотация (на русском)

Вариация переходного процесса релятивистской ЛОВ Ka-диапазона в нестационарном режиме генерации

Приводится краткий обзор исследований и новые результаты по вариации длительности переходного процесса нестационарной релятивистской лампы обратной волны Ka-диапазона. Вариация осуществляется при изменении тока электронов, связи пучка с синхронной гармоникой возбуждаемой волны TM01, или интенсивности затравочного сигнала, определяемой крутизной его фронта. В первых дух случаях не только сдвигается лидирующий пик излучения, но и существенно меняется его мощность, а во втором варианте также смещается несущая частота. Отмеченные подходы демонстрировались экспериментально или в моделировании методом крупных частиц. Численный эксперимент показал, что при неизменной крутизне фронта тока длительностью переходного процесса можно управлять вариацией поперечных скоростей электронов замагниченного пучка, при которой меняется амплитуда и время возникновения затравочного сигнала, но СВЧ-мощность остаётся постоянной.

For citation

Yalandin M.I., Rostov V.V. Variation of the transient process of relativistic Ka-band BWO in the non-stationary generation mode // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.11

References

  1. Бугаев С.П., Ильин В.П., Кошелев В.И. и др. Формирование сильноточных релятивистских электронных пучков для мощных генераторов и усилителей СВЧ // В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Горький ИПФ АН СССР. - 1979. - С. 5-75.
  2. Mesyats G.A., Explosive Electron Emission (Yekaterinburg: URO-Press. - 1998).
  3. Месяц Г.А. Импульсные ускорители для релятивистской СВЧ-электроники // В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника. Горький ИПФ АН СССР. - 1984. - С. 193-216.
  4. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д. и др. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов // Письма в ЖЭТФ. - 1973. - Т. 18. - № 4. С. 232-235.
  5. Гинзбург Н.С., Кузнецов С.П., Федосеева Т.Н. Теория переходных процессов в релятивистской ЛОВ. // Изв. Вузов. Радиофизика. - 1978. - Т. 21. - № 7. - С. 1037-1052.
  6. Benford J., Swegle J. A., Schamiloglu E. High Power Microwaves, 3rd ed. (New York: CRC Press. - 2016).
  7. Korovin S.D., Eltchaninov A.A., Rostov V.V., et al. Generation of Cherenkov superradiance pulses with a peak power exceding the power of the driving short electron beam // Phys. Rev. E. - 2006. - V. 74. - No. 1. - Art. no. 016501.
  8. Rostov V.V., Romanchenko I.V., Pedos M.S., et al. Superradiant Ka-band Cherenkov oscillator with 2-GW peak power // Phys. Plasmas. - 2016. - V. 23. - No. 9. - Art. no. 093103.
  9. Бункин Б. В., Гапонов-Грехов А. В., Ельчанинов А. С. И др. Радиолокатор на основе СВЧ-генератора с релятивистским электронным пучком // Письма в ЖТФ. - 1992. Т. 18. - № 9. - С. 61-64.
  10. Бецкий О.В., Голант М.Б., Девятков Н.Д. Миллиметровые волны в биологии. (М.: Знание. - 1987).
  11. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Колганов Н.Г. и др. Микроволновый источник мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивистской лампы обратной волны и компрессора // ЖТФ. - 2011. - Т. 81. - № 2. - C. 113-117.
  12. Яландин М.И., Реутова А.Г., Ульмаскулов М.Р. и др. Эффект нелинейной компрессии ультракоротких микроволновых импульсов в процессе усиления квазистационарными электронными потоками // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - Т. 91. - № 11. - С. 620-625.
  13. Реутова А.Г., Ульмаскулов М.Р., Шарыпов К.А. и др. Экспериментальное наблюдение эффекта сверхизлучения при вынужденном встречном рассеянии мощной микроволновой волны накачки сильноточным релятивистским электронным сгустком субнаносекундной длительности // Письма в ЖЭТФ. - 2005. - Т. 82. - № 5. - С. 295-299.
  14. Ginzburg N.S., Fedotov A.E., Kuzikov S.V., et al. Demonstration of High-gradient Electron Acceleration Driven by Subnanosecond Pulses of Ka-band Superradiance // Phys. Rev. Acceler. Beams. - 2023. - V. 26. - No. 6. - Art. no. 060401.
  15. Ельчанинов А.А., Климов А.И., Ковальчук О.Б. и др. Когерентное сложение мощности наносекундных релятивистских СВЧ-генераторов // ЖТФ. - 2011. - Т. 81. - № 1. - С. 125-130.
  16. Ginzburg N.S., Cross A.W., Golovanov A.A., et al., Generation of Electromagnetic Fields of Extremely High Intensity by Coherent Summation of Cherenkov Superradiance Pulses // Phys. Rev. Lett. - 2015. - V. 115. - No. 11. - Art. no. 114802.
  17. Mesyats G.A., Ginzburg N.S., Golovanov A.A., et al., Phase-Imposing Initiation of Cherenkov Superradiance Emission by an Ultra-Short Seed Microwave Pulse // Phys. Rev. Lett. - 2017. - V. 118. - No. 26. - Art. no. 264801.
  18. 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.
  19. Denisov G.G., Lukovnikov D.A., Samsonov S.V. Resonant reflectors for free electron masers // Int. J. Infrared and Millimeter Waves. - 1995. - V. 16. - No. 4. - P. 745-752.
  20. Куркан И.К., Ростов В.В., Тотьменинов Е.М. О возможности снижения магнитного поля в релятивистской ЛОВ // Письма в ЖТФ. - 1998. - Т. 24. - № 10. - С. 43-47.
  21. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов В.В. и др. Высокоэффективная генерация импульсов субнаносекундной длительности в релятивистской ЛОВ миллиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т. 28. - № 2. - С. 81-89.
  22. Абубакиров Э.Б., Белоусов В.И., Варганов В.Н. и др. Экспериментальная реализация метода циклотронно-резонансной селекции мод в релятивистских электронных высокочастотных генераторах черенковского типа // Письма в ЖТФ. - 1983. - Т. 9. - № 9. - С. 533-536.
  23. Boltachev G.Sh., Rostov V.V., Sharypov K.A., et al., Control of the Operation Mode of a Relativistic Ка-Band Backward-Wave Oscillator // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2015. - V. 43. - No. 8. - P. 2613 - 2620.
  24. Abubakirov E.B., Fuchs M.I., Kolganov L.G. et. al. // Abstr. of III Int. Workshop "Strong Microwaves in plasmas". - N.Novgorod, Russia, 1996, p.S19.
  25. Shunailov S.A., Mesyats G.A., Romanchenko I.V., et al., Electromagnetic noise of a nanosecond magnetized high-current electron beam // J. Appl. Phys. - 2019. - V. 126. - No. 16. - Art. no. 164504.
  26. Коровин С.Д., Месяц Г.А., Ростов В.В. и др. Субнаносекундный источник импульсов излучения в диапазоне 38 ГГц с импульсной мощностью 1 ГВт // Письма в ЖТФ. -2004. - Т. 30. - № 3. - С. 68-74.
  27. Sharypov K.A., Shunailov S.A., Ginzburg N.S., et al. Development of the Concept of High-Power Microwave Oscillators with Phase Locking by an External Signal // Radiophys. Quantum Electr. - 2019. - V. 62. - No. 7-8. - P. 447-454.
  28. Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях (М.: Наука, 1978).