Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц
Выявлен эффект резонанса в сдвоенной гребенке орбиктрона, при котором амплитуда высокочастотного поля в зоне взаимодействия электронов и волн в прямоугольном канале в несколько раз превосходит амплитуду поля в объеме между рабочими поверхностями зеркал открытого резонатора. Этот эффект принципиально...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106010 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц / В.Д. Еремка, А.А. Кураев, А.К. Синицын // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 63-72. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860200922504757248 |
|---|---|
| author | Еремка, В.Д. Кураев, А.А. Синицын, А.К. |
| author_facet | Еремка, В.Д. Кураев, А.А. Синицын, А.К. |
| citation_txt | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц / В.Д. Еремка, А.А. Кураев, А.К. Синицын // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 63-72. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радіофізика та електроніка |
| description | Выявлен эффект резонанса в сдвоенной гребенке орбиктрона, при котором амплитуда высокочастотного поля в зоне взаимодействия электронов и волн в прямоугольном канале в несколько раз превосходит амплитуду поля в объеме между рабочими поверхностями зеркал открытого резонатора. Этот эффект принципиально изменяет оценку необходимой величины доброт-ности резонансной системы орбиктрона и позволяет решить проблему ограничения амплитуды. Использование пространства взаимодействия в виде канала для ленточного электронного потока, образованного рабочими поверхностями сдвоенной гребенки, которые сходятся клином, обеспечивает решение проблемы расслоения ленточных электронных потоков. С использованием разработанной математической модели проведен оптимизационный поиск перспективных вариантов конструкции орбиктрона-генератора в диапазоне 180 ГГц, с рабочим напряжением электронного потока 3,5 кВ и рабочим током 0,1 А. Найдены варианты генератора с КПД 10…12 % при добротностях, которые не превышают 1 000. Показано, что за счет применения клинотронного эффекта в орбиктроне-генераторе (клиноорбиктрон) его КПД возрастает до 14 %, а добротность резонатора уменьшается в три раза. Полученные результаты указывают на перспективность орбиктрона и его модификации клиноорбиктрона как источников электромагнитного излучения терагерцeвого интервала частот.
Виявлено ефект резонансу в здвоєній гребінці орбіктрона, при якому амплітуда поля в зоні взаємодії електронів і хвиль у прямокутному каналі в декілька разів перевершує амплітуду поля в об’ємі між робочими поверхнями дзеркал відкритого резонатора. Цей ефект принципово змінює оцінку необхідної величини добротності резонансної системи орбіктрона та дозволяє вирішити проблему обмеження амплітуди. Використання простору взаємодії у вигляді каналу для стрічкового електронного потоку, створеного робочими поверхнями здвоєної гребінки, які сходяться клином, дозволяє вирішити проблему розшарування стрічкових електронних потоків. З використанням розробленої математичної моделі проведено оптимізаційний пошук перспективних варіантів конструкції орбіктрона-генератора в діапазоні 180 ГГц із напругою електронного потоку 3,5 кВ і робочим струмом 0,1 А. Знайдено варіанти генератора з ККД 10…12 % при добротностях, які не перевищують 1 000. Показано, що використання клинотронного ефекту в орбіктроні-генераторі (клиноорбіктрон) його ККД підвищується до 14 %, а добротність резонатора зменшується в три рази. Отримані результати вказують на перспективність орбіктрона та його модифікації клиноорбіктрона як джерел електромагнітного випромінювання терагерцового інтервалу частот.
A resonance effect in the binary comb of the orbictron has been detected. It showed that the HFfield amplitude in the electron-wave interaction space surpassed the field amplitude many times over across the space between the operating surfaces of open resonator mirrors. This effect is apt to change radically the estimation of the required Q value of the orbictrons resonance system and eliminates the amplitude clipping problem. Using the channel for the sheet electron flow in the interaction space as the form of the binary comb’s operating tapered-shaped surfaces (klynoorbictron) yields sheet electron flow lamination (layering). The mathematical model that we have devised was applied to carry out an optimization search for promising variants of the orbictron-oscillator design in the 180 GHz range, with a 3.5 kV operating voltage of the electron flow and 0.1 F operating current. We have found the oscillator variants with 10 to 12 % efficiency at quality factors of that do not exceed 1 000. It is shown that the efficiency tends to increase up to 14 % owing to the use in the orbictron-oscillator of klynotron effect (klynoorbictron), whereas the resonator Q-factor shows a threefold decrease. The obtained results indicate that the orbictron and its modified designs of klynoorbictron hold a great promise as THz-range electromagnetic radiation sources.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:10:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
ВВААККУУУУММННААЯЯ ИИ ТТВВЕЕРРДДООТТЕЕЛЛЬЬННААЯЯ ЭЭЛЛЕЕККТТРРООННИИККАА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2013. Т. 4(18). № 4 © ИРЭ НАН Украины, 2013
УДК 621.385.6
В. Д. Еремка, А. А. Кураев∗, А. К. Синицын∗
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
∗Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
6, ул. П. Бровки, Минск, 220027, Беларусь
ОРБИКТРОН-ГЕНЕРАТОР: МОДЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
В ДИАПАЗОНЕ 180 ГГц
Источники субмиллиметрового диапазона востребованы при решении многих технических задач: при сканировании ба-
гажа, фотографировании опухолей, радиолокации, в системах связи между большими быстродействующими ЭВМ. Они должны
обеспечивать генерирование выходной мощности 1…50 Вт при использовании экологически безопасных низковольтных электрон-
ных потоков. Среди источников электромагнитного излучения миллиметрового диапазона перспективным для генерирования суб-
ммиллиметровых волн является модификация оротрона, в которой для замедления волн вместо плоской отражательной дифракци-
онной структуры применена сдвоенная плоская гребенка. Такую модификацию генератора назвали орбиктроном. Важными факто-
рами, которые приводят к снижению его эффективности при повышении рабочей частоты, являются эффект расслоения ленточного
электронного потока, ограничение амплитуды высокочастотного поля в прямоугольном канале взаимодействия электронов и элек-
тромагнитных волн вследствие необходимости использования открытого резонатора с предельно большой нагруженной добротно-
стью. Выявлен эффект резонанса в сдвоенной гребенке орбиктрона, при котором амплитуда высокочастотного поля в зоне взаимо-
действия электронов и волн в прямоугольном канале в несколько раз превосходит амплитуду поля в объеме между рабочими по-
верхностями зеркал открытого резонатора. Этот эффект принципиально изменяет оценку необходимой величины доброт-ности
резонансной системы орбиктрона и позволяет решить проблему ограничения амплитуды. Использование пространства взаимо-
действия в виде канала для ленточного электронного потока, образованного рабочими поверхностями сдвоенной гребенки, которые
сходятся клином, обеспечивает решение проблемы расслоения ленточных электронных потоков. С использованием разработанной
математической модели проведен оптимизационный поиск перспективных вариантов конструкции орбиктрона-генератора в диа-
пазоне 180 ГГц, с рабочим напряжением электронного потока 3,5 кВ и рабочим током 0,1 А. Найдены варианты генератора с КПД
10…12 % при добротностях, которые не превышают 1 000. Показано, что за счет применения клинотронного эффекта в
орбиктроне-генераторе (клиноорбиктрон) его КПД возрастает до 14 %, а добротность резонатора уменьшается в три раза. Полу-
ченные результаты указывают на перспективность орбиктрона и его модификации клиноорбиктрона как источников электромаг-
нитного излучения терагерцeвого интервала частот. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр.: 19 назв.
Ключевые слова: оротрон, орбиктрон, генератор, терагерцевый диапазон, математическое моделирование.
Генерация и усиление электромагнитных
волн в терагерцевом (ТГц) диапазоне частот
(f ∼ 0,1…1,0 TГц) с использованием низковольт-
ных электронных потоков в настоящее время явля-
ется одной из наиболее трудных проблем совре-
менной радиофизики. В то же время источники
ТГц диапазона особенно востребованы в техниче-
ских приложениях. Такие источники должны
обеспечивать генерирование выходного сигнала
50...1=outP Вт и использовать экологически безо-
пасные низковольтные электронные пучки с на-
пряжением U0 < 10 кВ [1–4].
Как показывает анализ, увеличение рабо-
чей частоты при снижении скорости электронов в
традиционных конструкциях генераторов и уси-
лителей О-типа (cо спиральными замедляющими
периодическими структурами, а также на основе
цепочки связанных резонаторов (ЦСР)) влечет за
собой миниатюризацию их конструкции с тонки-
ми пространственно неразвитыми цилиндриче-
скими электронными потоками. Освоение
ТГц интервала частот вакуумными источниками
электромагнитного излучения осуществляется
более эффективно при возбуждении и усилении
сигналов пространственно развитыми электрон-
ными потоками, например ленточными, трубча-
тыми [5]. Естественное сопряжение с ленточными
электронными потоками имеет замедляющая пе-
риодическая структура – гребенка и ее модифи-
кации, например сдвоенная гребенка [6].
Хорошую перспективу для освоения
ТГц интервала частот имеют приборы с нереля-
тивистским ленточным электронным потоком,
которые хорошо себя зарекомендовали при освое-
нии миллиметрового диапазона длин волн, в част-
ности клинотрон [5, 7], оротрон и его модифика-
ции [8–12]. В оротроне применен открытый резо-
натор (ОР), на одном из зеркал которого выпол-
нена плоская гребенка с периодической последо-
вательностью резонансных полостей, имеющих
четвертьволновую глубину. При протекании
вблизи рабочей поверхности гребенки тонкого
ленточного электронного потока в ОР возбужда-
ется индуцированное излучение Смита-Парселла.
Теоретические расчеты процесса взаимодействия
«тонкого» ленточного электронного потока с
высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем
замедленной волны вблизи гребенки показывают,
что оротрон с регулярной гребенкой обеспечива-
ет электронный КПД 40 %, а оротрон с нерегу-
лярной гребенкой и наклоненным к ее рабочей
поверхности под острым углом ленточным элект-
ронным потоком обеспечивает электронный КПД
70 % [13]. Однако, как показали результаты экс-
периментальных исследований, в оротронах с
низковольтными (U0 ∼ 4,5 кВ) ленточными элект-
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
64
ронными потоками даже в 8-мм диапазоне КПД
не превышал 2,5 % [9].
Как отмечено в ряде работ, основным ог-
раничивающим электронный КПД фактором в
оротроне с низковольтным и, следовательно, ма-
ломощным потоком является невысокий коэффи-
циент использования ленточного электронного
потока из-за отсутствия возможности обеспечить
требуемое значение амплитуды замедленной вол-
ны ВЧ-поля, действующего на электронные слои
по толщине ленты. Для этого требуется обеспе-
чить нагруженную добротность ОР не мень-
ше 5 000, в то время как типичное значение
собственной добротности таких резонаторов
2 000–5 000.
Вторым фактором, приводящим к огра-
ничению электронного КПД с увеличением рабо-
чей частоты таких генераторов, является эффект
расслоения ленточного потока из-за того, что
вблизи гребенки амплитуда замедленной синх-
ронной волны экспоненциально уменьшается при
удалении от ее рабочей поверхности. Для повы-
шения коэффициента использования элект-
ронного потока и компенсации его расслоения в
оротроне применены двухрядные замедляющие
периодические структуры (ЗПС), между рабочи-
ми поверхностями которых протекает ленточный
электронный поток.
В одном варианте двухрядная замедляю-
щая периодическая структура представляет пло-
скую гребенку на рабочей поверхности непод-
вижного зеркала с расположенной над ней лест-
ничной замедляющей структурой, а ленточный
элект-ронный поток, плоскость симметрии кото-
рого параллельна рабочей поверхности гребенки
и перпендикулярна оси ОР, пропускают над гре-
бенкой и под лестничной замедляющей периоди-
ческой структурой, рабочая поверхность которой
параллельна поверхности гребенки [9]. С по-
мощью оротрона с такой ЗПС и ленточным элект-
ронным потоком с рабочими током I0 = 11,6 А и
напряжением U0 = 13 кВ осуществлено генериро-
вание электромагнитных колебаний на частоте
f = 10 ГГц с КПД около 35 %, который близок к
теоретически достижимому, при нагруженной
добротности ОР QH = 800. Как показали даль-
нейшие исследования этой конструкции, при уве-
личении рабочей частоты до 94 ГГц для получе-
ния КПД 6 % потребовалось увеличить мощность
пучка (U0 = 20 кВ, I0 = 11,6 А) при добротности
QH = 5 000. Это свидетельствует о том, что при
возрастании рабочей частоты на эффективность
генератора влияет расслоение ленточного элект-
ронного потока, несмотря на частичную его ком-
пенсацию двухрядной ЗПС, и особенно недоста-
точная величина амплитуды ВЧ-поля в зоне его
взаимодействия с электронами, обусловленная
ограничением величины нагруженной добротности.
В другом варианте конструкции генера-
тора дифракционного излучения с ОР ЗПС вы-
полнена в теле его неподвижного зеркала и пред-
ставляет собой сдвоенную плоскую гребенку,
рабочие поверхности которой расположены
зеркально симметрично в параллельных оси ОР
плоскостях [11, 12]. В канале пространства взаимо-
действия электронов и электромагнитных волн
между рабочими поверхностями сдвоенных гре-
бенок протекает ленточный электронный поток,
плоскость симметрии которого параллельна оси ОР.
При этом одна боковая сторона сдвоенной гре-
бенки открыта в полость между зеркалами ОР.
В данной модификации генератора, названной
орбиктроном (сокращение от английских слов
open resonator, binary comb, electron), как и в пер-
вом варианте модификации оротрона с двухряд-
ной ЗПС [10], обеспечивается закон изменения
высокочастотного поля по гиперболическому
косинусу в поперечном сечении канала для лен-
точного электронного потока.
Такое расположение сдвоенной гребенки
орбиктрона позволяет улучшить связь объемной
волны ОР с замедленной волной в сдвоенной гре-
бенке. Ширина сдвоенной гребенки орбикт-
рона [11–13] равна примерно половине длины
волны в вакууме, что обеспечивает равенство
амплитуд колебаний в ОР и в канале для элект-
ронного потока сдвоенной гребенки. Последую-
щее развитие орбиктрона показало, что такая
конструкция генератора позволяет естественно
решить как проблему оптимального профиля рас-
пределения интенсивности ВЧ-поля вдоль про-
странства взаимодействия в канале ленточного
электронного потока [13], так и проблему взаимо-
действия между смежными ОР при небольшой
длине области дрейфа в каскадной схеме усили-
теля, располагая подвижные зеркала ОР по раз-
ные стороны канала для ленточного электронного
потока [14].
Несмотря на то что в описанных выше
вариантах конструкций оротрона острота проб-
лемы расслоения ленточного электронного пото-
ка в длинноволновой части миллиметрового диа-
пазона уменьшена, основная проблема недоста-
точной величины амплитуды ВЧ-поля из-за огра-
ниченной величины нагруженной добротности
остается как в оротроне с двухрядной ЗПС, так и
в орбиктроне.
В работах [10, 15] описан эффект влияния
резонанса в двухрядной ЗПС на повышение эф-
фективности оротрона, автоколебания в котором
возникают при токах, вдвое меньших, чем при
обычном резонансе в ОР. Этот эффект указывает
на то, что при резонансе в ЗПС амплитуда ВЧ-
поля в пролетном канале выше, чем амплитуда
поля в пространстве между зеркалами ОР.
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
65
Обнаруженный эффект резонанса в сдвоен-
ной гребенке орбиктрона описан в работах [16, 17].
В холодных измерениях наблюдалось пятикрат-
ное превышение амплитуды поля в канале лен-
точного электронного потока над амплитудой
поля между зеркалами ОР [17]. На основе чис-
ленных расчетов были найдены размеры сдвоен-
ной гребенки орбиктрона, при которых реализу-
ется совместный резонанс в системе ОР – сдвоен-
ная гребенка [16]. Оказалось, что в орбиктроне
резонанс наблюдается при ширине гребенки
1,5÷3λ, при этом амплитуда поля в пространстве
взаимодействия сдвоенной гребенки в 5–8 раз
может превышать амплитуду поля в пространстве
между зеркалами ОР. При таком резонансе более
половины запасенной в резонансной системе ОР –
сдвоенная гребенка энергии сосредоточено в
сдвоенной гребенке. Этот факт принципиально
меняет оценку требуемой нагруженной добротнос-
ти резонансной системы, при которой обеспечи-
вается необходимая амплитуда ВЧ-поля в канале
для ленточного электронного потока орбиктрона,
и позволяет существенно повысить его эффек-
тивность при разумных значениях нагруженной
добротности.
В настоящей статье описаны математиче-
ская модель и результаты исследования эффек-
тивных режимов орбиктрона-генератора с резо-
нансной гребенкой.
1. Принцип действия орбиктрона-гене-
ратора. Схема резонансной системы орбиктрона
и сдвоенной гребенки с прямоугольными щеле-
выми резонаторами представлены на рис. 1 [16].
На рис. 1: 1 – открытый резонатор,
2 – согласующая резонансная канавка, 3 – перио-
дическая структура прямоугольных резонаторов,
связанных через щели 4 с ОР, 5 – ленточный
электронный поток в прямоугольном канале. Канал
(y-сечение периодической структуры, представлен-
ное на рис. 1, б) для ленточного электронного пото-
ка 5 ограничен параллельными рабочими поверх-
ностями двух плоских гребенок. Вследствие не-
большой ширины 2a канала для ленточного элект-
ронного потока 5 волна ВЧ-поля на рабочей частоте
не распространяется вдоль сдвоенной гребенки.
Ленточный электронный пучок 5, имеющий тол-
щину 2b и ширину wb , формируемый электрон-
ной пушкой 6, проходит в узком канале шириной
2a сдвоенной гребенки. Сдвоенная гребенка имеет
ширину gl и глубину gh прямоугольных щелей.
При выполнении условия синхронизма с замед-
ленной в гребенчатой периодической структуре
волной протекающий электронный поток возбу-
ждает в полостях щелевых резонаторов гребенки
и в ОР высокочастотное электромагнитное поле,
после чего осаждается на коллекторе 7 (рис. 1, б).
5
2 1
x
y
z
4
2Lx
Lz
hR
lg
2hg
hs
2ls
3
a)
б)
Рис. 1 Схема орбиктрона
Далее будут использованы как размер-
ные, так и безразмерные переменные. Все гео-
метрические размеры нормированы на коэффи-
циент πλω 200 =c , 0ω – рабочая частота прибо-
ра (используется при переходе к безразмерным
величинам), c – скорость света, 0λ – длина волны,
соответствующая выбранной частоте. Размерные
величины, имеющие одинаковые обозначения с
безразмерными помечаются штрихом. Например,
,0/ωcLL zz =′ ,2/0 πλgg ll =′ .2/0 πλgg hh =′
Сдвоенная гребенка на рис. 1 представля-
ет систему прямоугольных резонаторов 3, связан-
ных через дифракционные щели. При
( ) ≈′+′=′ vg hah 22 ,2/λ ( )λ31÷≈′gl в каждом та-
ком резонаторе на рабочей частоте возбуждается
мода 110E , амплитуда которой пропорциональна
амплитуде колебаний поля ОР вблизи соответст-
вующей щели связи 4. Поэтому вдоль пролетного
канала устанавливается профиль амплитуды
ВЧ-поля Am(z), пропорциональный распределе-
нию компоненты Ez(z) в ОР (рис. 1, б). Изменяя
положение центра верхнего зеркала zc относительно
2a
dv
hv
2b
Lv
x
z
Am
zc z
6 7
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
66
гребенки, можно задавать требуемый профиль амп-
литуды ВЧ-поля вдоль пролетного канала.
Размеры сдвоенной гребенки, а также
размеры ОР и размеры согласующей канавки
подбираются таким образом, чтобы реализовался
совместный резонанс, при котором амплитуда
колебаний в полости ОР в несколько раз меньше,
чем амплитуда поля в пролетном канале [16, 17].
2. Уравнения движения электронных
частиц. Взаимодействие электронного пучка с
полем в зазоре гребенки моделировалось на осно-
ве метода крупных частиц. Предполагается, что
действующее на электроны пучка поле в зазоре
гребенки не меняется вдоль оси y. Для учета дву-
мерных эффектов расслоения пучка и оседания
электронов на гребенку при расчетах будем ис-
пользовать трехмерные релятивистские уравне-
ния движения электронов, которые в принятых
безразмерных переменных имеют вид
( )
( )
( )
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+−−−=
+−=
+−−−=
;1
,1
,1
xyliyxli
q
zliz
zli
zli
zylixzli
zli
yli
yzlizyli
q
xlixli
zli
xli
BBEE
dz
dP
FB
dz
dP
BFEE
dz
dP
ββ
β
ββ
β
ββ
β
(1)
;
zli
xlili
dz
dx
β
β
= ;1
zli
li
dz
d
β
θ
= ;lililiP βγ=
.111 2222
zliylixlilili PPP +++=−= βγ
Начальные условия для электронов-
частиц
( ) ( );5,020 −= i
Nes
li
πθ ( ) ;0 0ββ =li
( ) ( );5,00 0 −= l
N
bx
s
li ....1 sNi =
Здесь vLz <<0 – длина гребенки; l – номер элект-
ронного слоя; 2 sN – количество слоев выбран-
ных на толщине ленты электронного потока;
i – номер частицы в слое; Nes – количество частиц,
влетающих в область взаимодействия за период
колебания; ;/ cvelili =β ,0 lili tωθ = lit – относи-
тельная скорость и время пролета электронной
частицей сечения z. По мере оседания электронов-
частиц на гребенку (при lix > a ) они выводятся из
взаимодействия и это учитывается в дальнейшем
при расчете интегральных характеристик.
Безразмерные электрические компоненты
ВЧ-поля вводились как ( ),/ 00 cmEeE ω′=
( ),/ 00 cmEeE qq ω′= E′ – поле резонатора, qE′ – поле
пространственного заряда. Магнитное фокуси-
рующее поле ( ),/ 00ωmeBF zz = Bz – индукция
фокусирующего магнитного поля. Магнитные
компоненты ВЧ-полей в уравнениях движения не
учитывались.
Безразмерное ВЧ-поле резонатора пред-
ставлялось в виде { } { }00 ,, BEABE = , где 0E , 0B –
векторы рабочей собственной моды резонатора,
нормированной таким образом, что в зазоре гре-
бенки амплитуда компоненты Ez равна единице,
A – безразмерная амплитуда.
Электронный КПД, представляющий от-
ношение энергии электронов пучка в сечении z к
начальной энергии в сечении z = 0, для каждого
слоя и суммарный рассчитывались по формулам
( ) ( ),
1
1
1 0
0∑
= −
−
=
esN
i
li
es
e
l
z
N
z
γ
γγ
η ( ) ∑
=
=
sN
l
e
l
s
e
N
z
1
1 ηη . (2)
Волновой КПД – ( )zvη , представляющий
отношение затраченной мощности на торможение
(ускорение) электронов, пролетающих от начала
до сечения z в поле резонатора E к мощности
электронов на входе резонатора, находим из ре-
шения совместно с уравнениями (1) дифферен-
циального уравнения
( )
( )
( );,,
1
1
10
∑
=−
=
∂
∂ sN
i zi
iii
e
v zxE
Nz
z
β
θβ
γ
η ( ) .00 =vη (3)
Заметим, что в кинематическом прибли-
жении (без учета поля пространственного заряда)
волновой и электронный КПД совпадают. При
учете поля заряда часть энергии электронов акку-
мулируется в потенциальном поле пространст-
венного заряда, образовавшегося в результате
группировки электронного сгустка, и наблюдает-
ся незначительное различие в энергии, затрачен-
ной резонансным полем, и изменением энергии
электронов. Этот эффект, описанный в работе [18],
заметно проявляется в расчете модулятора усили-
телей при коэффициентах усиления, больших
15…20 дБ, когда мощность сигнала оказывается
сравнимой с мощностью, связанной полем про-
странственного заряда. Поэтому при расчете
мощности сигнала следует использовать волно-
вой КПД.
Качество процесса группирования элект-
ронов для каждого слоя оценивается функцией
группировки на гармонике ωm :
( )
( )( ) ( )( ) .sincos1
2
1
2
1
0
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
=
=
∑∑
==
eses N
i
il
N
ies
m
rl
zmzm
N
zG
θθ
(4)
Величина rlG пропорциональна амплитуде гар-
моники тока в электронном пучке
3. Резонансное поле в канале для лен-
точного электронного потока сдвоенной гре-
бенки. Предполагается, что рабочий тип собст-
венного колебания ОР имеет единичный по z ин-
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
67
декс, т. е. распределение поля по z вблизи по-
верхности гребенки имеет вид ( ).sin0 zr LzA π
При этом колебания во всех ячейках сдвоенной
гребенки синфазны с колебанием поля ОР, а ам-
плитуда поля в ячейке, расположенной вблизи
сечения z, пропорциональна амплитуде ( ).sin zLzπ
В зазоре ,axa <<− где происходит
взаимодействие с электронным пучком, поле имеет
распределение по x вида cosh( ) / cosh( )x xk x k a , kx –
поперечное волновое число, которое определяет-
ся периодом гребенки [6]. Ввиду такой симмет-
рии поля динамическое расслоение в достаточно
тонком пучке проявляется слабо. Более того, при
определенных размерах сдвоенной гребенки в
ней возможен резонанс, при котором амплитуда
поля А в зазоре гребенки может в 5–6 раз превос-
ходить амплитуду поля Аor в ОР.
Анализ показал, что в зазоре гребенки
[ ])(0,0 zaxLz v <<<< поле можно
аппрокcимировать с хорошей точностью сле-
дующими формулами [6]:
.,/2
),sin()(
),sin()cos(
))(cosh(
)sinh()(
2
),sin(1)sin(
))(cosh(
)cosh()(
2
22 Wkkdk
L
LzzA
zk
zak
xk
k
kzAAE
zk
zak
xkzAAE
zxvz
z
m
z
x
x
x
z
mx
z
x
x
mz
−==
Δ+
=
+=
+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+=
π
π
ϕθ
ϕθ
Здесь ,0 vLz << vvv dnL = – длина гребенки;
zL – длина зеркала резонатора; vz LLL +Δ> ;
ΔL – расстояниe начала гребенки от переднего
края зеркала; ( ) ( ) vL Lzaaaza /00 −−= – ширина
зазора может изменяться. Распределение поля на
гребенке определяется ее положением относи-
тельно центра зеркала и задается в (5) параметра-
ми Lv, Lz и ΔL.
4. Уравнение возбуждения резонансной
системы ОР – сдвоенная гребенка. При расчете
возбуждения резонатора электронным потоком
следует учитывать, что амплитуда поля A и за-
данная нагруженная добротность QH связаны со-
отношением, представляющим уравнение возбу-
ждения, которое в принятых переменных запи-
шем в виде
⋅≅
Σ
= 46,3
00
H UI
Q v
s
η
ω 108 .
)(
||||
00
202
UIA
EA
vη
(6)
Здесь sΣ – запасенная в объеме резонатора энер-
гия; ∫=
V
dVEE 0220 |||| – безразмерная норма собст-
венного рабочего колебания резонатора; )(Avη
находится после решения уравнений движения (1)
при заданной амплитуде из уравнения (3). Таким
образом, при заданных ,HQ 0I , 0U амплитуду A
находим в результате итерационной процедуры
решения уравнения (6). Если решение существу-
ет, то получаем значение А и величину КПД.
Если решение не существует (итерации не схо-
дятся), то генератор не возбуждается при задан-
ных значениях ,HQ 0I , 0U . Используя этот спо-
соб для заданных 0I , 0U , находили величину на-
груженной добротности gQ , при которой генера-
ция начинается, и величину добротности maxQ ,
при которой достигается генерация электромаг-
нитных колебаний с максимальным КПД. При
необходимости по этим величинам пересчитыва-
ются токи – пусковой H00 QQII gg = и рабочий
Hmax0max QQII = для заданной добротности .HQ
Получим приближенную оценку величи-
ны ,|||| 20E входящей в уравнение (6) для систе-
мы ОР – сдвоенная гребенка. Полагаем, что в ОР
поле как вдоль x, так и вдоль z на торцах прибли-
жается к нулю. Поэтому в объеме между зерка-
лами ОР поле можно приближенно представить
как поле 11nE колебания прямоугольного резона-
тора с размерами zRx LhL ××2 , πRR nh ≈ ( Rn – вер-
тикальный индекс моды ОР). Без учета компо-
ненты xE , которая проявляется вблизи дифрак-
ционных щелей, имеем
( ) ( ) ( ),sinsincos0 zRxrz LzhynLxAE πππ≈
rA0 – амплитуда поля в ОР.
Электрическая компонента в полости
( ) vsgg dhlh 5,02 ×+× гребенки, расположенной в
сечении kz для Е110-моды может быть представ-
лена в виде
( ) ( ) ( )gRzkgz lyhxLzAE πππ sincossin0≈ ,
0gA – максимальная амплитуда колебания в гре-
бенке. Введя коэффициент 00 ggr AkA = и прини-
мая 10 =gA для собственного колебания ,0E
получим следующую приближенную формулу
для gn гребенок:
( )[
( )( ) ( ) .
/4
/2sin/2sin
2
4
1||||
11
220
⎥
⎥
⎦
⎤
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ Δ−+Δ
−×
×++=
z
zzvv
sgggzRxg
L
LLLLLL
hlhnLnlkE
π
ππ
π
(7)
5. Поиск оптимальных вариантов уст-
ройства генератора. Анализ предыдущих иссле-
дований [9], а также результаты, полученные в
работах [8, 13, 14], указывают на то, что орбик-
(5)
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
68
трон при определенных условиях (обеспечение
монотонного возрастания и необходимой величи-
ны амплитуды вдоль гребенки, задание опти-
мального профиля нерегулярности сдвоенной
гребенки) обеспечивает генерацию с элект-
ронным КПД до 40–70 % в нижнем сантиметро-
вом диапазоне. Однако при увеличении частоты,
как и у всех приборов О-типа, его эффективность
резко понижается. Для установления предельно
возможных КПД в нижнем миллиметровом диа-
пазоне с учетом резонанса в гребенке ниже вы-
полнен оптимизационный поиск вариантов ор-
биктрона на частоте f = 180 ГГц, которой соответ-
ствует длина волны λ = 1,667 мм.
Следующие параметры определялись
имеющимся в наличии источником ленточного
электронного потока (напомним, что штрихован-
ные переменные являются размерными, в отличие
от одноименных безразмерных):
− рабочее напряжение U0 = 3,503 кВ;
− рабочий ток I0 = 0,05...0,2 A;
− толщина ленты электронного потока
2 b′ = 0,1 мм;
− ширина ленты электронного потока
wb′ = 1,7 мм ∼ λ;
− ширина гребенки gl′ = 2,6 мм ∼ 1,5λ.
Параметры сдвоенной гребенки и размер
зеркал подбирались из результатов расчета.
Их ориентировочные значения, которые прини-
мались как начальные были следующими.
Гребенка:
− период vd ′ ∼ 0,19 мм ( vd = 0,73) определяется
из условия точного синхронизма ( pβ = 0β );
− длина гребенки vL = vvnd определяется коли-
чеством периодов vn = 10…35;
− зазор a′2 = 0,11 мм (a = 0,21).
Длина зеркала zL = 30…50 подбиралась
исходя из длины гребенки и обеспечения опти-
мального профиля амплитуды ВЧ-поля вдоль
области взаимодействия.
При расчете задавалось количество пе-
риодов vn , оптимизировались по максимуму КПД
период гребенки vd и амплитуда A. Длина зерка-
ла задавалась такой, чтобы конец гребенки совпа-
дал с центром ОР zL ∼ 2( +vL ΔL), что обеспечи-
вает плавное нарастание амплитуды до макси-
мальной. Магнитное поле B0 подбиралось мини-
мальным, при котором электроны не оседали на
гребенку. Находились: значение нагруженной
добротности, при которой достигается макси-
мальный КПД (Qmax, ηmax), и значение gQ нагру-
женной добротности, при котором возникала ге-
нерация.
Анализ полученных вариантов показыва-
ет, что при уменьшении количества периодов
гребенки с vn = 34 до vn = 20 КПД генерации мо-
нотонно возрастает c 09,0max =η до 12,0max =η .
При vn = 22 значение добротностей maxQ и gQ
имеет минимум: maxQ = 1 558, gQ = 697. Опти-
мальное значение периода vd ≅ 0,703 немного
ниже синхронного 0,73, что соответствует неко-
торому превышению скорости электронов над
фазовой скоростью 0β > pβ .
На рис. 2, а кривая 1 представляет нор-
мированный профиль Am(z) амплитуды поля
вдоль гребенки. Как видно, амплитуда возрастает
до конца области взаимодействия.
а)
б)
5
0
в)
г)
Рис. 2. Характеристики генератора: a) – интегральные харак-
теристики (1 – Am, 2 – Gr, 3 –η v); б) – траектории электронов;
в) – КПД в слоях; г) – функции группировки в слоях; nv = 22,
dv = 0,703, Lv = 15,45, Lz = 32, ΔL = 1, B0 = 0,77 T, Amax = 0,0019,
ηmax = 0,114
Am
Gr
ηv
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
z
1 2
3
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
x
5
4
3
2
1
z
0,1
0,05
0
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
1
5
z
ηk
0,6
0,4
0,2
0
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15
1
5
z
Grk
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
69
На рис. 2, б представлены траектории
электронов пяти слоев. В слоях 3–5 показаны тра-
ектории шести электронных частиц, в слое 2 – три
траектории, в слое 1 – одна. Видно, что имеет
место перемешивание слоев, прилегающих
вплотную к гребенке, в основном из-за воздейст-
вия поперечной компоненты xE . Ход отбора
энергии по слоям иллюстрирует рис. 2, в. В сло-
ях, прилегающих к гребенке, насыщение кривых
)(zjη наступает раньше, чем во внутренних сло-
ях. В результате максимально возможный для
отдельного слоя КПД не достигается. Как видно
из рис. 2, г, имеет место существенное различие в
группировании электронов различных слоев: в
электронных слоях, находящихся вблизи гребен-
ки, максимум группировки наступает раньше.
Следует отметить, что при расчете гене-
ратора влияние поля пространственного заряда
начинает сказываться (если сравнивать с расче-
том по кинематическому приближению) начиная
с тока 0,4А, что объясняется относительно малой
плотностью тока в используемом достаточно ши-
роком ленточном пучке.
6. Влияние резонанса в гребенке и ин-
декса моды ОР на величину нагруженной доб-
ротности. Как было обнаружено в эксперименте [17]
и проверено численным моделированием [16],
при резонансных размерах гребенки амплитуда
ВЧ-поля в объеме между зеркалами ОР может
быть в несколько раз меньше, чем зоне ленточно-
го электронного потока в пролетном канале сдвоен-
ной гребенки. Коэффициент gk в формуле для
оценки величины нормы собственного колеба-
ния (7), которая входит в расчет нагруженной
добротности, учитывает эту особенность. В фор-
муле (7) первое слагаемое характеризует запасен-
ную энергию ОР, второе определяет долю энер-
гии в gn гребенках. Кроме того, величина тре-
буемой добротности зависит от индекса Rn рабо-
чего колебания ОР, и при его увеличении возрас-
тает доля энергии, сосредоточенная в ОР. Влия-
ние этих факторов на величину максимальной и
пусковой добротности для вышеописанного оп-
тимального варианта характеризуют зависимости,
представленные ниже в виде табл. 1, 2.
Таблица 1
Влияние индекса моды ОР при 2,0=gk
Rn 0 1 2 3 4
maxQ 891 1216 1558 1866 2190
gQ 398 544 697 836 981
1ggn II 0,73 1,00 1,28 1,53 1,80
Как видно из табл. 1, с увеличением ин-
декса величина требуемой нагруженной доброт-
ности возрастает за счет увеличения доли запа-
сенной в ОР энергии. Нулевому значению индек-
са соответствует гипотетический генератор на
гребенке без ОР. Заметим, что при фиксирован-
ной добротности, например при HQ = 1gQ = 544
( Rn = 1), пусковой ток с увеличением Rn возрас-
тает пропорционально росту gQ : =1ggn II
1ggn QQ= .
Таблица 2
Влияние коэффициента kg при Rn = 2
gk 1 1/2 1/3 1/5 1/8
maxQ 17137 4953 2703 1558 1145
gQ 7677 2219 1210 697 512
1ggn II 1 1/3,4 1/6,3 1/11,1 1/15,0
В табл. 2 значению gk = 1 соответствует
полное отсутствие резонанса в гребенке и ампли-
туда поля в пролетном канале равна амплитуде
поля в ОР, что характерно для оротрона. Наличие
резонанса в гребенке приводит к увеличению амп-
литуды поля в пролетном канале по отношению к
амплитуде поля ОР в 1/ gk раз. При уменьше-
нии gk уменьшается необходимое значение на-
груженной добротности, и соответственно,
уменьшается значение пускового тока по сравне-
нию с пусковым током генератора с нерезонанс-
ной гребенкой. Как следует из табл. 2, значение
пускового тока может уменьшиться в 15 раз. В то
время как в оротроне с ОПС при резонансе на-
блюдается уменьшение пускового тока только в
два раза [9].
7. Исследование клиноорбиктрона–
генератора. Как показали вышеприведенные
результаты расчетов, без ограничения на
значение амплитуды поля в канале величина
максимально достижимого КПД орбиктрона-
генератора не превосходит 10–12 %, что втрое
меньше теоретически возможного 30–40 %.
Анализ показывает, что в рассматриваемом
диапазоне 180 ГГц основным ограничивающим
эффективность орбиктрона фактором является
эффект расслоения электронного пучка. Несмотря
на то что в зазоре сдвоенной гребенки имеет
место поперечное распределение поля по
гиперболическому косинусу, в рассматриваемом
диапазоне неоднородность поля значительная –
коэффициент провисания поля gq (отношение
амплитуды в центре зазора к амплитуде на
поверхности гребенки) равен 0,3.
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
70
В работе [19] была рассмотрена возмож-
ность применения клинотронного эффекта для
компенсации эффекта расслоения в ленточном
электронном потоке, который протекает в про-
странстве взаимодействия орбиктрона в виде
сдвоенной гребенки с рабочими поверхностями
периодических структур, сходящихся клином.
Такая модификация орбиктрона получила назва-
ние клиноорбиктрон. Было, в частности, показа-
но, что в клиноорбиктроне диапазона f = 100 ГГц
с коэффициентом провисания поля в зазоре
gq ∼ 0,7 получен расчетный КПД 25 % при ис-
пользовании электронного пучка толщиной до 0,4
мм.
Далее приведем результаты расчета клино-
орбиктрона в диапазоне 180 ГГц для пучка тол-
щиной 0,1 мм при параметре заполнения канала
пучком q = b/a = 0,9 и коэффициенте провисания
поля gq ∼ 0,3.
На рис. 3 схематично представлено сече-
ние канала пространства взаимодейстия рассмат-
риваемого клиноорбиктрона и распределение
интенсивности электромагнитного ВЧ-поля в ОР
над сдвоенной гребенкой. Для выравнивания эф-
фективности энергообмена по слоям ленточного
электронного потока на участке длиной vrL ра-
бочие поверхности двух гребенок пространства
взаимодействия клиноорбиктрона установлены
зеркально симметрично в параллельных оси ОР
плоскостях.
Рис. 3. Ez – распределение интенсивности ВЧ-поля в ОР над
сдвоенной гребенкой и сечение (xz) пространства взаимо-
действия клиноорбиктрона
При поиске оптимальных по КПД вари-
антов подбирались: длина сдвоенной гребенки vL ,
длина vrL канала с параллельными стенками,
длина zL верхнего подвижного зеркала, распо-
ложение его центра cz относительно сдвоенной
гребенки и амплитуда поля А.
На рис. 4 приведены характеристики од-
ного из оптимизированных вариантов клино-
орбиктрона с шириной канала на длине vrL такой
же, как в орбиктроне.
___________________________________________
8
6
4
2
0
а) б)
5
5
0
в) г)
Рис. 4. Характеристики клиноорбиктрона-генератора: а) – интегральные характеристики (1 – Am, 2 – Gr, 3 – η v); б) – траектории
электронов; в) – КПД в слоях; г) – функции группировки в слоях; nv = 27, Lz = 50,5, ΔL = 15, Lv = 18,7, Lvr = 5,8, a = 0,21, b = 0,189,
Amax = 0,00116, ηmax = 0,124, B0(T) = 0,77, Qmax = 587,6, Qg = 411
___________________________________________
В отличие от орбиктрона, теперь необ-
ходимое для оптимального отбора энергии на-
растание амплитуды вдоль движения электронов
обеспечивается за счет клинотронного эффекта.
Ez
zc z
Lv Lvr
Lz
0,6
0,4
0,2
0
1
5
z
Grk
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5
0,15
0,1
0,05
0
1
5
z
ηk
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5
Am
Gr
ηv
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
2
3
z z
0,2
0,15
0,1
0,05
0
x 5
4
3
2
1
0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
71
Поэтому оптимальное распределение
поля Am(z) вдоль гребенки близко к постоянному,
как видно из рис. 4, а, и следовательно, ее нужно
располагать в центре зеркала. Из рис. 4, в следует,
что не удается выровнять величину КПД всех
слоев.
Наибольший КПД достигается в средних
слоях пучка. Как видно, в представленном вари-
анте выигрыш в КПД (для пучка толщиной
0,1 мм) по сравнению с орбиктроном незначите-
лен η ∼ 0,124. Однако это значение КПД достига-
ется при меньшем значении амплитуды поля А и
при меньшей нагруженной добротности. Следо-
вательно, при одинаковой добротности пусковой
ток клиноорбиктрона примерно в два раза меньше.
Если в предыдущем варианте увеличить
начальную толщину канала до а = 0,25, то при
той же толщине пучка расчетный максимальный
КПД клиноорбиктрона составляет 14 %, выход-
ная мощность – 49 Вт.
Заметим, что использование простейшего
рекуператора в орбиктроне позволит получить
технический КПД порядка 50 %, в то время как
реализовать рекуперацию в клиноорбиктроне
затруднительно.
Выводы. Численными методами проведен
анализ процессов электронно-волнового взаимо-
действия в генераторе дифракционного излуче-
ния – орбиктроне и его модификации – клино-
орбиктроне на частоте 180 ГГц. Результаты мате-
матического эксперимента и зондовых измерений
распределения ВЧ-поля в пространстве взаимо-
действия подтверждают существенное возраста-
ние интенсивности ВЧ-поля в зоне протекания
ленточного электронного потока.
Полученные результаты свидетельствуют
о том, что орбиктрон и его модификация клино-
орбиктрон имеют перспективу как эффективные
вакуумные источники электромагнеитного излу-
чения при освоении терагерцевого интервала
частот.
Библиографический список
1. Bruc H. Wallance. Analisis of RF imaging applications at
frequencies over 100 GHz / H. Bruc Wallance // Appl. Opt. –
2010. – 49, N 19. – P. E38–E47.
2. Tonouchi M. Cutting-enge terahertz technology / M. Tonouchi //
Nat. Photon. – 2007. – 1, N 2. – P. 97–105.
3. Zhang X. C. Terahertz wave imaging: Horizons and hurdles /
X. C. Zhang // Phys. Med. Biol. – 2002. – 47, N 21. –
P. 3667–3677.
4. Koch M. Terahertz technology: Quo vadis? / M. Koch //
Photonik Intern. – 2006. – P. 14–17.
5. Электроника и радиофизика миллиметровых и субмил-
лиметровых радиоволн / под ред. А. Я. Усикова. – К.:
Наук. думка, 1986. – 386 с.
6. Тараненко З. И. Замедляющие системы / З. И. Тараненко,
Я. К. Трохименко. – К.: Техника, 1965. – 309 с.
7. Клинотрон / Г. Я. Левин, А. И. Бородкин, А. Я. Кириченко
и др.; под ред. А. Я. Усикова. – К.: Наук. думка, 1992. –
200 c.
8. Оптимизация закона изменения фазовой скорости волны
вдоль гребенки оротрона на основе атомарных функций /
В. Ф. Кравченко, А. А. Кураев, А. К. Синицын, А. И. Шаки-
рин // Электромагнитные волны и электронные системы. –
1999. – 4, № 5. – С. 33–37.
9. Цейтлин М. Б. Оротрон. Анализ эффективных режимов /
М. Б. Цейтлин, Е. А. Мясин // Радиотехника и электрон. –
1993. – 38, № 6. – С. 961–981.
10. Мясин Е. А. Оротрон – мощный резонансный генератор
О-типа сантиметрового и миллиметрового диапазона длин
волн / Е. А. Мясин // Радиотехника. – 2004. – № 2. – С. 22–32.
11. А. c. № 669963 (СССР). Генератор дифракционного излу-
чения / В. Д. Еремка, В. К. Корнеенков, Б. К. Скрынник,
В. П. Шестопалов // Открытия, изобретения. – 1977. –
№ 4. – С. 115.
12. А. с. № 830946 (СССР). Генератор дифракционного излу-
чения / В. Д. Еремка, А. В. Стадник, В. П. Шестопалов //
Открытия, изобретения. – 1982. – № 5. – С. 109.
13. Атомарные функции в задаче оптимизации по КПД двух-
пучкового оротрона с нерегулярной сдвоенной гребенкой /
В. Д. Еремка, В. Ф. Кравченко, А. А. Кураев и др. // Зару-
бежная радиоэлектроника. Успехи современной радио-
электрон. – 2000. – № 3. – С. 58–62.
14. Двухкаскадный орбиктрон-усилитель и умножитель час-
тоты / А. В. Гуревич, В. Д. Еремка, В. Ф. Кравченко и др. //
Успехи современной радиоэлектрон. – 2007. – № 10. –
C. 64–69.
15. Мясин Е. А. Влияние резонансов периодической структу-
ры на КПД оротрона / Е. А. Мясин, С. Г. Чигарев // Радио-
техника и электрон. – 1990. – 35, № 5. – С. 1104–1106.
16. Yeryomka V. D. On the effectiveness of an orbictron using the
resonance groove in a mirror plane / V. D. Yeryomka,
А. А. Kurayev, А. К. Sinitsyn // Proc. 21st Intern. Crimean Conf.
Microwave & Telecommunication Technology (CriMiCo’ 2011). –
Sevastopol, 2011. – Vol. 1. – P. 269–271.
17. Demchenko M. Yu. The electrodynamical system of
DRO-orbictron with doubled comb / M. Yu. Demchenko,
V. D. Yeryomka, V. S. Miroshnichenko // Proc. 21st Intern.
Crimean Conf. Microwave & Telecommunication Technology
(CriMiCo’ 2011). – Sevastopol, 2011. – Vol. 1. – P. 272–274.
18. Кураев А. А. КПД релятивистских приборов О-типа с
учетом энергии взаимодействия электронов / А. А. Кура-
ев, Н. А. Кураев, А. К. Синицын // Радиотехника и
электрон. – 1991. – 36, № 11. – С. 2179–2185
19. Thick-electron beam klinoorbictron / A. V. Gurevich,
V. D. Yeryomka, A. A. Kurayev, A. K. Sinitsyn // Proc. 19st
Intern. Crimean Conf. Microwave & Telecommunication
Technology (CriMiCo’ 2009). – Sevastopol, 2009. – Vol. 1. –
P. 173–175.
Рукопись поступила 29.07.2013 г.
V. D. Yeryomka, A. A. Kurayev, A. K. Sinitsyn
ORBICTRON-OSCILLATOR:
DESCRIPTION OF A MODEL AND
COMPUTATIONAL RESULTS OBTAINED IN
THE 180 GHz RANGE
At present submm wave sources are in great demand
when many engineering issues have to be tackled. Specifically
these are: luggage scanning, photography of tumors, radars and
coupling between large-size high-speed computers. These sources
are bound to generate an output power of 1 to 50 W when using
environmentally safe low-voltage electron flows. Among the elec-
tromagnetic radiation mm-wave sources the modification of an
orotron is an obvious candidate for generating submm-waves. In
this oscillator modification the binary comb is used instead of a
plane periodical reflecting structure to ensure the wave slowing-
down. This type of modification was referred to as an orbictron
В. Д. Еремка и др. / Орбиктрон-генератор: модель…
_________________________________________________________________________________________________________________
72
(open resonator, binary comb, electron). The critical factors that
result in diminishing its efficiency, as the operating frequency
increases, are sheet electron flow layering (lamination) effect and
clipping of the HF-field amplitude in a rectangular channel in
which there occurs interaction of electrons and electromagnetic
waves. These factors are due to the usage of the open resonator
with marginally high load Q. A resonance effect in the binary
comb of the orbictron has been detected. It showed that the HF-
field amplitude in the electron-wave interaction space surpassed
the field amplitude many times over across the space between the
operating surfaces of open resonator mirrors. This effect is apt to
change radically the estimation of the required Q value of the
orbictrons resonance system and eliminates the amplitude clip-
ping problem. Using the channel for the sheet electron flow in the
interaction space as the form of the binary comb’s operating ta-
pered-shaped surfaces (klynoorbictron) yields sheet electron flow
lamination (layering). The mathematical model that we have de-
vised was applied to carry out an optimization search for promis-
ing variants of the orbictron-oscillator design in the 180 GHz
range, with a 3.5 kV operating voltage of the electron flow and
0.1 F operating current. We have found the oscillator variants
with 10 to 12 % efficiency at quality factors of that do not exceed
1 000. It is shown that the efficiency tends to increase up to 14 %
owing to the use in the orbictron-oscillator of klynotron effect
(klynoorbictron), whereas the resonator Q-factor shows a three-
fold decrease. The obtained results indicate that the orbictron and
its modified designs of klynoorbictron hold a great promise as
THz-range electromagnetic radiation sources.
Key words: orotron, orbictron, oscillator, terahertz
range, mathematical simulation.
В. Д. Єрьомка, О. О. Кураєв, А. К. Сініцин
ОРБІКТРОН-ГЕНЕРАТОР:
МОДЕЛЬ І РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКУ
В ДІАПАЗОНІ 180 ГГц
Джерела субміліметрового діапазону потрібні при
розв’язанні багатьох технічних задач: при скануванні багажу,
фотографуванні пухлин, у радіолокації, у системах зв’язку
між великими швидкодіючими ЕОМ. Вони повинні забезпе-
чувати генерування вихідної потужності 1…50 Вт при вико-
ристанні екологічно безпечних низьковольтних електронних
потоків. Серед джерел електромагнітного випромінювання
міліметрового діапазону перспективним для генерування
субміліметрових хвиль є модифікація оротрона, у якому для
уповільнення хвиль замість плоскої відбивальної дифракцій-
ної структури використовується здвоєна плоска гребінка.
Таку модифікацію генератора назвали орбіктроном. Важли-
вими факторами, що приводять до зниження його ефективно-
сті при підвищенні робочої частоти, є ефект розшарування
стрічкового електронного потоку, обмеження амплітуди ви-
сокочастотного поля в прямокутному каналі взаємодії елект-
ронів та електромагнітних хвиль внаслідок необхідності ви-
користання відкритого резонатора із гранично великою нава-
нтаженою добротністю. Виявлено ефект резонансу в здвоєній
гребінці орбіктрона, при якому амплітуда поля в зоні взаємо-
дії електронів і хвиль у прямокутному каналі в декілька разів
перевершує амплітуду поля в об’ємі між робочими поверх-
нями дзеркал відкритого резонатора. Цей ефект принципово
змінює оцінку необхідної величини добротності резонансної
системи орбіктрона та дозволяє вирішити проблему обме-
ження амплітуди. Використання простору взаємодії у вигляді
каналу для стрічкового електронного потоку, створеного ро-
бочими поверхнями здвоєної гребінки, які сходяться клином,
дозволяє вирішити проблему розшарування стрічкових елект-
ронних потоків. З використанням розробленої математичної
моделі проведено оптимізаційний пошук перспективних ва-
ріантів конструкції орбіктрона-генератора в діапазоні
180 ГГц із напругою електронного потоку 3,5 кВ і робочим
струмом 0,1 А. Знайдено варіанти генератора з ККД
10…12 % при добротностях, які не перевищують 1 000.
Показано, що використання клинотронного ефекту в
орбіктроні-генераторі (клиноорбіктрон) його ККД підвищу-
ється до 14 %, а добротність резонатора зменшується в три
рази. Отримані результати вказують на перспективність
орбіктрона та його модифікації клиноорбіктрона як джерел
електромагнітного випромінювання терагерцового інтерва-
лу частот.
Ключові слова: оротрон, орбіктрон, генератор, те-
рагерцовий діапазон, математичне моделювання.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106010 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:10:23Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Еремка, В.Д. Кураев, А.А. Синицын, А.К. 2016-09-15T06:11:24Z 2016-09-15T06:11:24Z 2013 Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц / В.Д. Еремка, А.А. Кураев, А.К. Синицын // Радіофізика та електроніка. — 2013. — Т. 4(18), № 4. — С. 63-72. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106010 621.385.6 Выявлен эффект резонанса в сдвоенной гребенке орбиктрона, при котором амплитуда высокочастотного поля в зоне взаимодействия электронов и волн в прямоугольном канале в несколько раз превосходит амплитуду поля в объеме между рабочими поверхностями зеркал открытого резонатора. Этот эффект принципиально изменяет оценку необходимой величины доброт-ности резонансной системы орбиктрона и позволяет решить проблему ограничения амплитуды. Использование пространства взаимодействия в виде канала для ленточного электронного потока, образованного рабочими поверхностями сдвоенной гребенки, которые сходятся клином, обеспечивает решение проблемы расслоения ленточных электронных потоков. С использованием разработанной математической модели проведен оптимизационный поиск перспективных вариантов конструкции орбиктрона-генератора в диапазоне 180 ГГц, с рабочим напряжением электронного потока 3,5 кВ и рабочим током 0,1 А. Найдены варианты генератора с КПД 10…12 % при добротностях, которые не превышают 1 000. Показано, что за счет применения клинотронного эффекта в орбиктроне-генераторе (клиноорбиктрон) его КПД возрастает до 14 %, а добротность резонатора уменьшается в три раза. Полученные результаты указывают на перспективность орбиктрона и его модификации клиноорбиктрона как источников электромагнитного излучения терагерцeвого интервала частот. Виявлено ефект резонансу в здвоєній гребінці орбіктрона, при якому амплітуда поля в зоні взаємодії електронів і хвиль у прямокутному каналі в декілька разів перевершує амплітуду поля в об’ємі між робочими поверхнями дзеркал відкритого резонатора. Цей ефект принципово змінює оцінку необхідної величини добротності резонансної системи орбіктрона та дозволяє вирішити проблему обмеження амплітуди. Використання простору взаємодії у вигляді каналу для стрічкового електронного потоку, створеного робочими поверхнями здвоєної гребінки, які сходяться клином, дозволяє вирішити проблему розшарування стрічкових електронних потоків. З використанням розробленої математичної моделі проведено оптимізаційний пошук перспективних варіантів конструкції орбіктрона-генератора в діапазоні 180 ГГц із напругою електронного потоку 3,5 кВ і робочим струмом 0,1 А. Знайдено варіанти генератора з ККД 10…12 % при добротностях, які не перевищують 1 000. Показано, що використання клинотронного ефекту в орбіктроні-генераторі (клиноорбіктрон) його ККД підвищується до 14 %, а добротність резонатора зменшується в три рази. Отримані результати вказують на перспективність орбіктрона та його модифікації клиноорбіктрона як джерел електромагнітного випромінювання терагерцового інтервалу частот. A resonance effect in the binary comb of the orbictron has been detected. It showed that the HFfield amplitude in the electron-wave interaction space surpassed the field amplitude many times over across the space between the operating surfaces of open resonator mirrors. This effect is apt to change radically the estimation of the required Q value of the orbictrons resonance system and eliminates the amplitude clipping problem. Using the channel for the sheet electron flow in the interaction space as the form of the binary comb’s operating tapered-shaped surfaces (klynoorbictron) yields sheet electron flow lamination (layering). The mathematical model that we have devised was applied to carry out an optimization search for promising variants of the orbictron-oscillator design in the 180 GHz range, with a 3.5 kV operating voltage of the electron flow and 0.1 F operating current. We have found the oscillator variants with 10 to 12 % efficiency at quality factors of that do not exceed 1 000. It is shown that the efficiency tends to increase up to 14 % owing to the use in the orbictron-oscillator of klynotron effect (klynoorbictron), whereas the resonator Q-factor shows a threefold decrease. The obtained results indicate that the orbictron and its modified designs of klynoorbictron hold a great promise as THz-range electromagnetic radiation sources. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц Орбіктрон-генератор: модель і результати розрахунку в діапазоні 180 ГГц Orbictron-oscillator: description of a model and computational results obtained in the 180 GHz range Article published earlier |
| spellingShingle | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц Еремка, В.Д. Кураев, А.А. Синицын, А.К. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц |
| title_alt | Орбіктрон-генератор: модель і результати розрахунку в діапазоні 180 ГГц Orbictron-oscillator: description of a model and computational results obtained in the 180 GHz range |
| title_full | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц |
| title_fullStr | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц |
| title_full_unstemmed | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц |
| title_short | Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц |
| title_sort | орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ггц |
| topic | Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet | Вакуумная и твердотельная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106010 |
| work_keys_str_mv | AT eremkavd orbiktrongeneratormodelʹirezulʹtatyrasčetavdiapazone180ggc AT kuraevaa orbiktrongeneratormodelʹirezulʹtatyrasčetavdiapazone180ggc AT sinicynak orbiktrongeneratormodelʹirezulʹtatyrasčetavdiapazone180ggc AT eremkavd orbíktrongeneratormodelʹírezulʹtatirozrahunkuvdíapazoní180ggc AT kuraevaa orbíktrongeneratormodelʹírezulʹtatirozrahunkuvdíapazoní180ggc AT sinicynak orbíktrongeneratormodelʹírezulʹtatirozrahunkuvdíapazoní180ggc AT eremkavd orbictronoscillatordescriptionofamodelandcomputationalresultsobtainedinthe180ghzrange AT kuraevaa orbictronoscillatordescriptionofamodelandcomputationalresultsobtainedinthe180ghzrange AT sinicynak orbictronoscillatordescriptionofamodelandcomputationalresultsobtainedinthe180ghzrange |