Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой

В работе представлены результаты математического моделирования энергетических характеристик элект-ронно-волнового взаимодействия в оротроне с дисковым электронным потоком, под которым на рабочей поверхности плоского зеркала двухзеркального открытого резонатора расположена отражательная дифракционная...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Радіофізика та електроніка
Date:	2017
Main Authors:	Ерёмка, В.Д., Кураев, А.А., Матвеенко, В.В., Синицын, А.К.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2017
Subjects:	Вакуумная и твердотельная электроника
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130261
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой / В.Д. Ерёмка, А.А. Кураев, В.В. Матвеенко, А.К. Синицын // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 4. — С. 62-68. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130261
record_format	dspace
spelling	Ерёмка, В.Д. Кураев, А.А. Матвеенко, В.В. Синицын, А.К. 2018-02-09T15:39:32Z 2018-02-09T15:39:32Z 2017 Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой / В.Д. Ерёмка, А.А. Кураев, В.В. Матвеенко, А.К. Синицын // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 4. — С. 62-68. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1028-821X PACS: 84.40.Fe DOI: doi.org/10.15407/rej2017.04.062 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130261 621.385.623/624 В работе представлены результаты математического моделирования энергетических характеристик элект-ронно-волнового взаимодействия в оротроне с дисковым электронным потоком, под которым на рабочей поверхности плоского зеркала двухзеркального открытого резонатора расположена отражательная дифракционная решетка – азимутальная гребенка. Результаты математического моделирования и оптимизации энергетических характеристик электронно-волнового взаимодействия в клинооротроне терагерцевого диапазона свидетельствуют о возможности повышения электронного КПД в генераторах такой конструкции до 20 % при применении клинотронного эффекта. У роботі представлені результати математичного моделювання енергетичних характеристик електронно-хвильової взаємодії в оротроні з дисковим електронним потоком, під яким на робочій поверх-ні плоского дзеркала двохдзеркального відкритого резонатора розташована відбивальна дифракційна решітка радіальної конструкції. Результати математичного моделювання та оптимізації енергетичних характеристик електронно-хвильової взаємодії в радіальному оротроні терагерцового діапазону свідчать про можливість досягнення електронного ККД близько 20 % в генераторах такої конструкції при застосуванні клинотронного ефекту. An effective way to increase the utilization factor of all partial cross-sectional layers of a spatially developed electron beam is to use the clynotronic effect. The results of mathematical modeling and optimization of the energy characteristics of electron-wave interaction in the radial orotron of the terahertz range indicate the possibility of achieving an electronic efficiency of about 20% in oscillators of this design when using the clynotronic effect. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой Терагерцовий клинооротрон із азимутальною гребінкою Terahertz clynoorotron with an azimuthal comb Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой
spellingShingle	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой Ерёмка, В.Д. Кураев, А.А. Матвеенко, В.В. Синицын, А.К. Вакуумная и твердотельная электроника
title_short	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой
title_full	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой
title_fullStr	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой
title_full_unstemmed	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой
title_sort	терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой
author	Ерёмка, В.Д. Кураев, А.А. Матвеенко, В.В. Синицын, А.К.
author_facet	Ерёмка, В.Д. Кураев, А.А. Матвеенко, В.В. Синицын, А.К.
topic	Вакуумная и твердотельная электроника
topic_facet	Вакуумная и твердотельная электроника
publishDate	2017
language	Russian
container_title	Радіофізика та електроніка
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Терагерцовий клинооротрон із азимутальною гребінкою Terahertz clynoorotron with an azimuthal comb
description	В работе представлены результаты математического моделирования энергетических характеристик элект-ронно-волнового взаимодействия в оротроне с дисковым электронным потоком, под которым на рабочей поверхности плоского зеркала двухзеркального открытого резонатора расположена отражательная дифракционная решетка – азимутальная гребенка. Результаты математического моделирования и оптимизации энергетических характеристик электронно-волнового взаимодействия в клинооротроне терагерцевого диапазона свидетельствуют о возможности повышения электронного КПД в генераторах такой конструкции до 20 % при применении клинотронного эффекта. У роботі представлені результати математичного моделювання енергетичних характеристик електронно-хвильової взаємодії в оротроні з дисковим електронним потоком, під яким на робочій поверх-ні плоского дзеркала двохдзеркального відкритого резонатора розташована відбивальна дифракційна решітка радіальної конструкції. Результати математичного моделювання та оптимізації енергетичних характеристик електронно-хвильової взаємодії в радіальному оротроні терагерцового діапазону свідчать про можливість досягнення електронного ККД близько 20 % в генераторах такої конструкції при застосуванні клинотронного ефекту. An effective way to increase the utilization factor of all partial cross-sectional layers of a spatially developed electron beam is to use the clynotronic effect. The results of mathematical modeling and optimization of the energy characteristics of electron-wave interaction in the radial orotron of the terahertz range indicate the possibility of achieving an electronic efficiency of about 20% in oscillators of this design when using the clynotronic effect.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130261
citation_txt	Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой / В.Д. Ерёмка, А.А. Кураев, В.В. Матвеенко, А.К. Синицын // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 4. — С. 62-68. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT eremkavd teragercevyiklinoorotronsazimutalʹnoigrebenkoi AT kuraevaa teragercevyiklinoorotronsazimutalʹnoigrebenkoi AT matveenkovv teragercevyiklinoorotronsazimutalʹnoigrebenkoi AT sinicynak teragercevyiklinoorotronsazimutalʹnoigrebenkoi AT eremkavd teragercoviiklinoorotronízazimutalʹnoûgrebínkoû AT kuraevaa teragercoviiklinoorotronízazimutalʹnoûgrebínkoû AT matveenkovv teragercoviiklinoorotronízazimutalʹnoûgrebínkoû AT sinicynak teragercoviiklinoorotronízazimutalʹnoûgrebínkoû AT eremkavd terahertzclynoorotronwithanazimuthalcomb AT kuraevaa terahertzclynoorotronwithanazimuthalcomb AT matveenkovv terahertzclynoorotronwithanazimuthalcomb AT sinicynak terahertzclynoorotronwithanazimuthalcomb
first_indexed	2025-11-25T21:51:41Z
last_indexed	2025-11-25T21:51:41Z
_version_	1850557285943738368
fulltext	ВВААККУУУУММННАА ТТАА ТТВВЕЕРРДДООТТІІЛЛЬЬННАА ЕЕЛЛЕЕККТТРРООННІІККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 © В. Д. Єрьомка, О. О. Кураєв, В. В. Матвеєнко, А. К. Сініцин, 2017 УДК 621.385.623/624 PACS 84.40.Fe В. Д. Ерѐмка, А. А. Кураев, В. В. Матвеенко, А. К. Синицын* Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НAH Украины 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники 6, ул. П. Бровки, Минск, 220285, Беларусь ТЕРАГЕРЦЕВЫЙ КЛИНООРОТРОН С АЗИМУТАЛЬНОЙ ГРЕБЕНКОЙ Результаты теоретических и экспериментальных исследований оротронов – генераторов дифракционного излучения с про- странственно развитыми электродинамическими системами, электромагнитные колебания в которых возбуждают, как правило, нерелятивистскими пространственно развитыми электронными потоками, свидетельствуют о потенциальных возможностях данно- го класса приборов при решении задач освоения терагерцевого интервала частот. Одна из основных проблем, возникающих при повышении КПД таких генераторов с укорочением длины их рабочей волны, связана с необходимостью обеспечения высокого коэффициента использования всех парциальных слоев высокопервеансного пространственно развитого электронного потока в зоне электронно-волнового взаимодействия. Указанную проблему решают путем увеличения напряженности высокочастотного поля в зоне энергообмена между электронами и электромагнитными волнами. Эффективным способом увеличения коэффициента исполь- зования всех электронных слоев поперечного сечения пространственно развитого электронного потока является применение кли- нотронного эффекта. В работе представлены результаты математического моделирования энергетических характеристик элект- ронно-волнового взаимодействия в оротроне с дисковым электронным потоком, под которым на рабочей поверхности плоского зеркала двухзеркального открытого резонатора расположена отражательная дифракционная решетка – азимутальная гребенка. Результаты математического моделирования и оптимизации энергетических характеристик электронно-волнового взаимодействия в клинооротроне терагерцевого диапазона свидетельствуют о возможности повышения электронного КПД в генераторах такой конструкции до 20 % при применении клинотронного эффекта. Ил. 4. Библиогр.: 14 назв. Ключевые слова: оротрон, генератор, клинотронный эффект, коэффициент использования электронного потока, терагерце- вый диапазон, математическое моделирование, оптимизация. Освоение терагерцевого (ТГц) диапазона час- тот – одно из наиболее интенсивно развиваю- щихся новых направлений современной приклад- ной физики – терагерцевой радиофизики и тера- герцевой электроники. «Терагерцевая лихорад- ка», охватившая многие исследовательские груп- пы в странах мира с высокоразвитой микровол- новой электроникой, обусловлена перспективами решения огромного круга фундаментальных и прикладных задач с помощью ТГц-излучения, которое иногда называют Т-лучами [1, 2]. Результаты теоретических и эксперимен- тальных исследований генераторов коротковол- новых электромагнитных колебаний (оротронов) свидетельствуют о потенциальных возможностях данного класса приборов при решении задач освоения терагерцевого интервала частот [3, 4]. Согласно данным экспериментальных исследова- ний и оценочных расчетов, одной из важных причин снижения эффективности электронно- волнового взаимодействия и мощности выходно- го сигнала оротронов с ленточным электронным потоком при освоении ТГц-интервала частот является невысокий коэффициент использования электронного потока. Для компенсации влияния этой причины предложены оригинальные прин- ципы построения пространства электронно- волнового взаимодействия в двухзеркальном открытом резонаторе: применение двухярусной конструкции периодической замедляющей струк- туры (ПЗС) в виде расположенных одна над дру- гой лестницы и гребенки, рабочие поверхности которых перпендикулярны оси открытого резона- тора (ОР) – в оротронах [5]; применение сдвоен- ных гребенок, рабочие поверхности которых расположены зеркально-симметрично в парал- лельных оси ОР плоскостях – в генераторах ди- фракционного излучения (ГДИ), в том числе в многопучковых ГДИ [6–8]; в орбиктронах [9]; клиноорбиктронах [10]. Одним из способов ре- шения проблемы повышения мощности элект- ронного потока оротрона является его коаксиаль- ная конструкция с трубчатым потоком заряжен- ных частиц [11–13]. Лучшим способом повыше- ния коэффициента использования всех электрон- ных слоев поперечного сечения пространственно развитого электронного потока является приме- нение клинотронного эффекта [13]. В данной статье представлены результаты математического моделирования энергетических характеристик электронно-волнового взаимодействия оротрона с толстым дисковым электронным потоком (ДЭП), под которым на рабочей поверхности плоского зеркала двухзеркального ОР расположена отра- жательная дифракционная решетка – азимуталь- ная гребенка. Результаты математического моде- лирования и оптимизации энергетических харак- теристик электронно-волнового взаимодействия в исследуемом ТГц-клинооротроне свидетельству- ют о целесообразности применения клинотронно- го эффекта в генераторах такой конструкции. 1. Устройство клинооротрона с азимутальной гребенкой. Схематическое изображение клино- оротрона-генератора представлено на рис. 1. В. Д. Ерёмка и др. / Терагерцевый клинооротрон с азимутальной… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 63 r 9 5 8 1 6 1 2 3 4 2 7 7 5 z r 2 1 5 Lr Рис. 1. Схематическое изображение ТГц-клинооротрона с азимутальной гребенкой Здесь 1 – кольцевая электронная пушка, форми- рующая сходящийся к оси z под небольшим уг- лом  к рабочей поверхности азимутальной гре- бенки ДЭП 2 с диском толщиной z; 3 – круглый волновод вывода высокочастотной энергии на моде Е01; 4 – подвижное зеркало ОР со сфериче- ской рабочей поверхностью; 5 – неподвижное плоское зеркало, в теле которого выполнены концентрические азимутальные щелевые резона- торы ПЗС – азимутальной гребенки (радиальный период – dv, количество периодов – nv, глубина щелевого резонатора – hv, отношение ширины щели к периоду –  ); 6 – внешний стакан магнито- провода; 7 – обмотка соленоида электромагнита; 8 – сердечник магнитопровода; 9 – головка меха- низма настройки магнитной системы. Открытый резонатор, образованный зеркала- ми 4 и 5, настроен на резонанс на азимутально- симметричной объемной моде E01n, связанной с поверхностной модой Е01 ПЗС – азимутальной гребенки. Дисковый электронный поток 2 форми- руют и направляют с помощью магнитного поля, создаваемого магнитной системой прибора таким образом, что его парциальные слои последова- тельно падают на рабочую поверхность ПЗС – ази- мутальной гребенки. Каждый слой ДЭП падает на рабочую поверхность ПЗС под небольшим углом . При выполнении условия синхронизма каждый слой ДЭП эффективно взаимодействует с макси- мальным по интенсивности высокочастотным полем поверхностной волны ПЗС (интенсивность поля поверхностной волны экспоненциально уменьшается в направлении z от рабочей поверх- ности азимутальной гребенки). Таким образом, применение клинотронного эффекта обеспечива- ет для каждого слоя ДЭП максимально благопри- ятные условия взаимодействия с интенсивным полем поверхностной волны азимутальной гре- бенки. Оптимизацию угла падения ДЭП на рабо- чую поверхность азимутальной гребенки обеспе- чивают путем подстройки распределения поля магнитной системы с помощью винта 9. Вследствие большой добротности ОР пред- ставленного клинооротрона допустимо решить вначале задачу электродинамики, а затем рассчи- тать движение электронов в заданном ВЧ-поле. 2. Решение электродинамической задачи. Безразмерное волновое уравнение потенциала симметричных Е-волн цилиндрического волново- да можно преобразовать к скалярному дифферен- циальному уравнению Гельмгольца для ком- плексной функции двух переменных ),( zru : . 11   rot r u W r u rrz u rz                     (1) При этом компоненты Е-волны можно выразить через потенциал u по формулам: , rr u W j Ez    , zr u W j E     . r u B   (2) Граничные условия для (1) ставятся следующим образом: на металлических границах – ;0   n u  (3) на оси симметрии – при r  0, u  0; на открытой границе – при r  Lr, u  0. 3. Метод и результаты решения электроди- намической задачи. Для расчета возбуждения поля зададим пробный ток 1  yrot в области [2,5 < z < 2,6, h – Lr / 2 < r < Lr / 2 + 0,1] (возбужде- ние петлей). Такой ток при условии резонанса практически не оказывает влияния на распределе- ние поля искомой собственной моды резонатора. Распределение поля ),( zxu находим в резуль- тате решения задачи (1)–(3) с использованием стандартных пакетов PDE Matlab. Методом оп- тимизационной процедуры подбиралась высота резонатора hz, при которой реализуется резонанс. По найденному распределению ),( zxu рассчиты- вали компоненты Ez и Er в области их взаимо- действия с электронами ДЭП. На рис. 2 представ- лены линии уровня потенциала ),( zru при нали- чии резонанса. В этом случае функция u является действительной. Период гребенки на рисунке соответствует синхронному рабочему напряже- нию пучка U0  5 кВ (dv  0,9). В. Д. Ерёмка и др. / Терагерцевый клинооротрон с азимутальной… _________________________________________________________________________________________________________________ 64 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 Рис. 2. Распределение поля u(r, z) в поперечном сечении резонатора: hv  1,57(0 / 4); hz  4,9456; Lr  20; Lv  18; nv  20; dv  0,9; dh  0,2 На рис. 3 представлено рассчитанное измене- ние компонент Ez и Er вблизи рабочей поверх- ности гребенки (в области взаимодействия с час- тицами ДЭП). Величина компоненты B вблизи гребенки, где происходит основное взаимодействие электро- магнитного поля с ДЭП, близка к нулю, поэтому она в дальнейшем не учитывается. Полученные на основе вышеприведенных расчетов нормированные распределения компо- нент высокочастотного поля в области над гре- бенкой (z > 0) хорошо аппроксимируются форму- лами, близкими к используемым в [10]: ___________________________________________          ,)sin(expsincos/ 2 1 111111 0 tzkrkzJ L r vJE zr r r                 ,)sin(expcos/ 2 1 111111 0 tzkrk k k J L r vJE zr z r r z                 (4) ,vvv dnL  ,22 Wkk rz  .2 vr dk  z=0,3 z=0,5 Рис. 3. Распределение электрических составляющих Er и Ez высокочастотного электромагнитного поля на различных расстояниях от рабочей поверхности азимутальной гребенки: а) z  0,05; б) z  0,1; в) z  0,2; г) z  0,3; д) z  0,4; е) z  0,5 ___________________________________________ Здесь ,zk rk – поперечное и продольное вол- новые числа замедленной пространственной гар- моники. Распределения полей заданы как ,, 00 zzrr ЕАЕЕАE  .АВ  6 4 2 0 –2 0 5 10 15 20 r 500 0 –500 –1000 z а) в) д) б) г) е) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 –0,2 E r E z 0 5 10 15 20 r 0,8 0,6 0,4 0,2 0 –0,2 E r E z 0 5 10 15 20 r 0,8 0,6 0,4 0,2 0 –2 E r E z 0 5 10 15 20 r 0,8 0,6 0,4 0,2 0 –2 E r E z 0 5 10 15 20 r 1 0,5 0 –0,5 0 5 10 15 20 r E r E z 1 0,5 0 –0,5 0 5 10 15 20 r E r E z В. Д. Ерёмка и др. / Терагерцевый клинооротрон с азимутальной… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 65 Нормировка полей выполняется по макси- мальному значению ,maxmax rEЕ  которое достигается при z  0 (см. рис. 3). 3.1. Условия синхронизма электронов ДЭП с замедленной гармоникой выполняются при ра- венстве средней относительной скорости элект- ронов сverеr  и фазовой относительной ско- рости сvpp  одной из замедленных про- странственных гармоник высокочастотного поля. Относительные фазовые скорости гармоник опи- сывает уравнение , 20 n dvn р     где 0 – набег фазы на период гребенки. Например, в нашем случае (рис. 2) значение 0 можно определить из соотношения ; 20    vd vL2 ( 0  0,17). От- сюда видно, что значения фазовой скорости пря- мой и обратной пространственных гармоник 139,0,147,0 11   pp  немного отличаются, что оправдывает аппроксимацию фиксированной структуры поля (4) и соответствует напряже- нию U0 примерно 5,0…5,6 кВ синхронного ДЭП. 3.2. Решение задачи электроники. Взаимо- действие ДЭП с высокочастотным полем (4) мо- делировали на основе метода крупных частиц. Электроны ДЭП влетают в резонатор при r  rL и двигаются в направлении, противоположном оси r, поэтому для удобства расчетов введем коорди- нату ,rLr  направление которой совпадает с направлением движения электронов. Безразмер- ные релятивистские уравнения движения круп- ных частиц запишем в виде [11]:                                                 ;1 1 1 ,,, , 1 , 1 , 1 222 2 2 zlilirli li li lilili rli li rli zlili rlirliz rli zli zrlirzli r lirlili rli li zlizlir r lili li rli РРР P W d d d dz FВЕ d dP FF Ld dP ВFЕ Ld dP                           (5)   ,cos0  rli   ,sin0 0  zli ,)1( 12 )0( 0       l N zz zz s li (6) ,...1 еsNi  ....1 sNl  Здесь rL 0 ( ,rLr  rL – внешний радиус азимутальной дифракционной решетки); Ns – ко- личество рассматриваемых парциальных элект- ронный слоев; l – номер электронного слоя, i – но- мер частицы в слое; z0, z – координата входа и толщина ДЭП при ;rLr  сvelili   и lili t  – относительная скорость и время про- лета частицей сечения z. По мере осаждения каж- дого парциального слоя ДЭП на рабочую поверх- ность азимутальной гребенки электроны выво- дятся из процесса электронно-волнового взаимо- действия и не влияют в дальнейшем на инте- гральные энергетические характеристики. Безразмерные компоненты фокусирующего магнитного поля задавались как ,cos0    r r L F F ,sin0    r z L F F 0B – зна- чение магнитного поля вблизи сердечника (при r  1). В клинооротроне основные процессы группи- ровки электронов и отбора их энергии происхо- дят вблизи металлической поверхности ПЗС, которая за счет экранирования существенно сни- жает действие сил поля пространственного заряда. К тому же традиционный учет сил поля пространст- венного заряда на основе функции Грина [10] вбли- зи рабочей поверхности азимутальной гребенки вообще неприменим. В этом случае необходимо применить строгие уравнения возбуждения [11]. Поскольку при рассматриваемом резонансном взаимодействии величина поля пространственно- го заряда значительно меньше, чем величина поля ОР, в данной модели силы пространственно- го заряда не учитывались. Электронные КПД каждого парциального слоя и суммарный КПД Ns рассчитаны по формулам               s es N l е l s е N i li еs е L N r r N r 1 1 0 0 . 1 , 1 1     (7) Фазовую группировку в l-м слое электронов на частоте W определяет функция группировки:   .sincos 1 21 2 1 2 1                                eses N i i N i i es l N rG   (8) Нагруженную добротность можно оценить по формуле В. Д. Ерёмка и др. / Терагерцевый клинооротрон с азимутальной… _________________________________________________________________________________________________________________ 66 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 . 102 02 00 29 022 3 0 2 000 2 0 00 0             DD mv rdrdzВ UІ А rdrdzВА с сUI Е UI W Q       (9) Здесь Wv – энергия поля, запасенная в резонаторе; D – расчетная область; I0 – ток ДЭП; значение интеграла  D rdrdzВ02  рассчитывали при решении задачи электродинамики. 4. Результаты расчета. Для типичного в та- ких приборах напряжения электронного потока U0  2,9 кВ ( 0  0,105) условие синхронизма выполняется при 02/  vd и в нашем случае при vd  0,625. При заданных vn  40, vL  25 ( vvv nLd /   0,625), z0  1,0, z  0,8 на основе оптимиза- ционной процедуры произведем поиск парамет- ров ,0 ,0F , ,А обеспечивающих максималь- ный КПД. В расчетах зададим Ns  10 электрон- ных слоев и Nes  12 электронов в периоде для каждого слоя. Расчеты показали, что при отсутст- вии ограничений на величину нагруженной доб- ротности, которая возрастает с увеличением А, максимальный КПД может достичь 20 %. На рис. 4 представлены типичные характеристики одного из оптимальных вариантов генератора, в котором расчетный КПД равен 21 %. Траектории одного электрона каждого из 10 слоев в сечении (r, z) и огибающие электрон- ного потока показаны на рис. 4, a. Характер этих траекторий является типичным для движения электронов вдоль силовых линий магнитного поля. Непосредственно вблизи рабочей поверх- ности азимутальной гребенки траектории сильно искривляются, электронные слои перемешиваются. Это объясняется существенным влиянием попе- речной составляющей электрического поля Ez (при ее отключении электронные слои не пере- мешиваются). При уменьшении магнитного поля действие этой компоненты приводит к резкому «разбрызгиванию» первых оседающих электро- нов (рис. 4, а) и даже появлению «обратных» электронов, хотя КПД при этом остается на уровне 20 %, так как последующие слои попада- ют в более сильное магнитное поле. Как следует из рис. 4, б, в оптимальном вари- анте все слои довольно равномерно отдают энер- гию полю. Первыми достигают насыщения КПД слои электронов, ближайшие к рабочей поверх- ности гребенки, при этом сразу после насыщения они на нее осаждаются и выходят из дальнейшего взаимодействия. Электронные слои начинают эффективно отдавать энергию по мере вхождения в нарастающее поле достаточной амплитуды (на расстоянии )2/(2,0  от рабочей поверхности гребенки). Максимальный КПД достигается в первых слоях (некоторые электроны по два раза приближаются к поверхности гребенки). 242220181614121086420 1,5 1 0,5 0 а) 242220181614121086420 0,2 0,1 0 б) 242220181614121086420 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 в) 242220181614121086420 0,2 0,15 0,1 0,05 0 г) Рис. 4. Характеристики оптимизированного по КПД варианта клинооротрона с азимутальной гребенкой: a) траектории электронных слоев; б) КПД по слоям; в) функции группиров- ки по слоям; г) суммарный КПД и функция группировки U0  3,1 кВ (0  0,11), z0  1, nv  40, dv  0,625, F0  0,09 (B0  0,32T при,   3мм),   0,08, A  0,011, max  0,21, Q  2 500 при I0  10 A При увеличении толщины z > 0,8 ДЭП КПД медленно убывает, однако если угол наклона обеспечивает равномерное оседание всех элект- ронов на азимутальную решетку, то даже при толщине 0,5 он остается на уровне 10 %, а если не ограничивать амплитуду, то 18 %. Как следует из рис. 4, в, функция группировки электронов в каждом слое достигает максималь- ного значения 0,4…0,6. Полный КПД увеличива- ется практически по линейному закону (рис. 5, г) при незначительной суммарной группировке в электронном потоке. l  10 l  1 z  l G rl G r  l  1 l  10 1,5 1 0,5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24  0,2 0,1 0 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,2 0,15 0,1 0,05 0 G r 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24  0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24  0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24  В. Д. Ерёмка и др. / Терагерцевый клинооротрон с азимутальной… _________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 67 В приведенном варианте амплитуда не огра- ничивалась (A  0,011), поэтому нагруженная добротность при токе I0 = 10 A довольно значи- тельна (Q  2 500). Если уменьшить амплитуду до A  0,005, то реализуется КПД 14 % при вполне приемлемой добротности Q  780 и токе 10 А. Результаты математического моделирования и оптимизации процессов электронно-волнового взаимодействия в клинооротроне с азимутальной гребенкой указывают на существенное влияние клинотронного эффекта на величину коэффи- циента использования электронов толстых ДЭП с повышенной величиной рабочего тока. При дви- жении электронов каждого парциального слоя ДЭП под углом к рабочей поверхности ПЗС уве- личивается интенсивность синхронной с электро- нами медленной пространственной гармоники ВЧ-поля. Электроны эффективно отдают энергию волне при выполнении условия синхронизма на небольшом участке траектории, перед оседанием на рабочую поверхность ПЗС. Клинотронный эффект способствует созданию примерно одина- ковых условий электронно-волнового взаимо- действия для всех заряженных частиц парциаль- ных слоев ДЭП, толщина которого значительно превосходит масштаб поперечного спадания по экспоненте интенсивности медленной пространст- венной гармоники высокочастотного поля. Выводы. Результаты математического моде- лирования и оптимизации процессов взаимодейст- вия нерелятивистского электронного потока с высокочастотным электромагнитным полем ПЗС в клинооротроне с азимутальной гребенкой сви- детельствуют о возможности создания генерато- ров терагерцевого излучения непрерывного действия со значительными, приемлемыми для практических применений уровнями КПД и мощ- ности выходного сигнала. Терагерцевое коге- рентное электромагнитное излучение, генерируе- мое в клинооротроне ДЭП, падающее на рабо- чую поверхность ПЗС – азимутальной гребенки под острым углом   (0,5…1,5) следует рас- сматривать в виде суммы вкладов следующих физических механизмов: переходного излучения, резонансного дифракционного излучения – излу- чения Смита–Парселла, излучения на эффекте Вавилова–Черенкова. Следует отметить, что из- лучение на эффекте Вавилова–Черенкова может возникать одновременно с дифракционным излу- чением Смита–Парселла и переходным излуче- нием. Гауссово распределение высокочастотного поля в ОР клинооротрона с азимутальной гребен- кой способствует группировке заряженных час- тиц и нарастанию электронного КПД на пути от эмиттера электронов до оси ОР. Фазовая синхро- низация сигнала переходного излучения и сиг- нала резонансного дифракционного излучения сигналом излучения Вавилова–Черенкова спо- собствует увеличению мощности выходного сиг- нала клинооротрона. Детального сравнения экс- периментальных даннях с результатами расчетов переходного излучения, дифракционного излуче- нием Смита–Парселла, излучения на эффекте Вавилова–Черенкова при наклонном падении пространственно развитого электронного потока на рабочую поверхность ПЗС оротрона в научной литературе авторам выявить не удалось. Библиографический список 1. Siegel P. H. Terahertz Technology. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2002. Vol. 50, N 3. P. 910–928. 2. Koch M. Terahertz technology: Quo vadis? Photonik Int. 2006. P. 14–17. 3. Вайнштейн Л. A., Исаев В. A, Tрубецков Д. И. Электрон- ный генератор с открытым резонатором. Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, № 7. С. 1232–1248. 4. Цейтлин М. Б., Мясин Е. А. Oротрон. Aнализ эффектив- ных режимов. Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38, № 6. С. 961–981. 5. Мясин Е. А., Евдокимов В. В., Ильин А. Ю. Оротрон с двухрядной периодической структурой диапазона 140…300 ГГц. Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56, № 4. С. 454–467. 6. А. с. 830946 СССР. МКИ H01J 25/00. Генератор дифрак- ционного излучения / В. Д. Ерѐмка, А. В. Стадник, В. П. Шестопалов. № 2866452: заявл. 04.01.80; опубл. 1981, Бюл. № 41. 3 с. 7. Ерѐмка В. Д., Кравченко В. Ф., Кураев А. А., Пустовойт В. И., Синицын А. К. Атомарные функции в задаче оптимиза- ции по КПД двухпучкового оротрона с нерегулярной сдвоенной гребенкой. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2000, № 3. С. 58–62. 8. Гуревич А. В., Ерѐмка В. Д., Кравченко В. Ф., Кураев А. А., Синицын А. К. Двухкаскадный орбиктрон – усилитель и умножитель частоты. Успехи современной радиоэлектро- ники. 2007. № 10. С. 64–69. 9. Ерѐмкa В. Д., Kураев A. A., Синицын A. K. Орбиктроны – многопучковые генераторы мм и субмм волн. 14-я Меж- дунар. Крымская конф. “СВЧ-техника и телекоммуника- ционные технологии.” (КрыМиКо'2004) (13–17 cент. 2004): труды конф. Севастополь Крым, Украина: 2004. С. 199–202. 10. Yeryomka V. D., Gurevich A. V., Kurayev A. A., Sinitsyn A. K. Clinoorbictron – Terahertz Range Oscillator. XIIth IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVECʼ2011) (21–24 Feb. 2011, Bangalore): conf. digest. India, Bangalore, 2011. P. 253–254. 11. Гуляев Ю. В., Кураев А. А., Нефедов Е. И., Оленин В. Д., Слепян Г. Я., Слепян А. Я. К задаче оптимизации коакси- ального оротрона. Докл. АН СССР. 1981. Т. 257, № 2. С. 349–352. 12. A. с. № 1129670, СССР. МКИ Н01 J 23\|24. Коаксиальный оротрон / Д. И. Ежов, A. A. Kураев, Е. И. Нефѐдов и др. № 3210105: заявл. 10.01.83; опубл. 1986, Бюл. № 10. 2 с. 13. Yeryomka V. D., Kuraye A. A., Rak O. A., Sinitsyn A. K. Terahertz range coaxial klinoorotron oscillator. Proc. of the 7th Int. Kharkіv Symp. Physics and Engineering of Micro- waves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'2010) (21–26 June 2010). Kharkіv, Ukraine. Р. 1–3. 14. Батура М. П., Kураев A. A., Синицын A. K. Основы тео- рии, расчета и оптимизации современных приборов СВЧ. Mинск: БГУИР, 2007. 246 с. REFERENCES 1. Siegel, P. H., 2002. Terahertz Technology. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 50(3), pp. 910–928. http://ieeexplore.ieee.org/search/srchabstract.jsp?tp=&arnumber=5546038&searchWithin%3DAuthors%3A.QT.Yeryomka%2C+V.D..QT.%26openedRefinements%3D%26filter%3DAND%28NOT%284283010803%29%29%26searchField%3DSearch+All В. Д. Ерёмка и др. / Терагерцевый клинооротрон с азимутальной… _________________________________________________________________________________________________________________ 68 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 4 2. Koch, M., 2006. Terahertz technology: Quo vadis? Photonik Int., pp. 14–17. 3. Weinstein, L. A., Isaev, V. A., Trubetskov, D. I., 1983. Elec- tronic oscillator with open resonator. Radiotekhnika i Elektronika, 28(7), pp. 1232–1248 (in Russian). 4. Zeitlin, M. B., Myasin, E. A., 1993. Orotron. Analysis of effective modes. Radiotekhnika i Elektronika, 38(6), pp. 961– 981 (in Russian). 5. Myasin, E. A., Evdokimov, V. V., Ilyin, A. Y., 2011. Orotron with double-row periodic structure of the 140…300 GHz band. Radiotekhnika i Elektronika, 56(4), pp. 454–467 (in Russian). 6. Yeryomka, V. D., Stadnik, A. V., Shestopalov, V. P., 1980. Difraction Radiation Oscillator. USSR Autorsʼ Certificate 830946 (in Russian). 7. Yeryomka, V. D., Kravchenko, V. F., Kurayev, A. A., Pustovoit, V. I., Sinitsyn, A. K., 2000. Atomic functions in the optization problem of two-beam orotron efficiency with in irregular dual comb. Zarubezhnaya radioelektronika. Uspekhi sovremennoy radioelektroniki, 3, pp. 58–62 (in Russian). 8. Gurevich, А. V., Yeryomka, V. D., Кurayev, А. А., Kravchenko, V. F., Sinitsyn, A. K., 2007. Two-stage orbictron – amplifier and frequency multiplier. Uspekhi sovremennoy radioelektroniki, 10, pp. 64–69 (in Russian). 9. Yeryomka, V. D., Kurayev, A. A., Sinitsyn, A. K., 2004. Orbictrons – multi-beam oscillators of mm- and submm- waves. In: 14th Int. Crimean Conf. Microwave & Telecommu- nication Technology (CriMiCoʼ2004): conf. proc. Sevastopol, Ukraine. 13–17 Sept. 2004, pp. 199–202 (in Russian). 10. Yeryomka, V. D., Gurevich, A. V., Kurayev, A. A., Sinitsyn, A. K., 2011. Сlinoorbictron – Terhertz Range Oscillator. In: XIIth IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVECʼ2011): conf. digest. India, Bangalore, 21–24 Feb., 2011, pp. 253–254. 11. Gulyaev, Y. V., Kurayev, A. A., Nefedov, E. I., Olenin, V. D., Slepyan, G. Ya., Slepyan, A. Ya., 1981. The optimization problem of a coaxial orotron. Dok. Akad. Nayk SSSR, 257(2), pp. 349–352 (in Russian). 12. Yezhov, D. I., Kurayev, A. A., Nefedov, E. I. et al., 1986. Coaxial Orotron. USSR Autorsʼ Certificate 1129670 (in Russian). 13. Yeryomka, V. D., Kurayev, A. A., Rak, O. A., Sinitsyn, A. K., 2010. Terahertz range coaxial klinoorotron oscillator. In: 7th Int. Kharkіv Symp. Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'2010): Proc. Kharkіv, Ukraine, June 21–26, 2010, pp. 1–3. 14. Batura, M. P., Kurayev, A. A, Sinitsyn, A. K., 2007. Funda- mentals of the Theory, Calculation and Optimization of Mod- ern Microwave Devices. Minsk: BSUIR Publ. (in Russian). Рукопись поступила 19.10.2017. V. D. Yeryomka, A. A. Kurayev, V. V. Matveenko, A. K. Sinitsyn TERAHERTZ CLYNOOROTRON WITH AN AZIMUTHAL COMB The results of theoretical and experimental studies of oro- trons – oscillators of diffraction radiation with spatially developed electrodynamic systems, electromagnetic oscillations in which are excited, as a rule, by nonrelativistic spatially developed electron flows, attests to the potential capabilities of this class of devices when solving problems of mastering the terahertz frequency range. One of the main problems arising when the efficiency of such oscillators increases with the length of their working wave is associated with the need to ensure a high utilization factor of all partial layers of a highly perveance spatially developed electron beam in the electron-wave interaction zone. This problem is solved by increasing the intensity of the microwave field in the energy exchange zone between electrons and electromagnetic waves. An effective way to increase the utilization factor of all partial cross- sectional layers of a spatially developed electron beam is to use the clynotronic effect. The results of mathematical modeling and optimization of the energy characteristics of electron-wave interac- tion in the radial orotron of the terahertz range indicate the possi- bility of achieving an electronic efficiency of about 20% in oscilla- tors of this design when using the clynotronic effect. Key words: orotron, oscillator, “clynotronic effect”, coeffi- cient of use of electron flow, terahertz range, mathematical model- ing, optimization. В. Д. Єрьомка, О. О. Кураєв, В. В. Матвеєнко, А. К. Сініцин ТЕРАГЕРЦОВИЙ КЛИНООРОТРОН ІЗ АЗИМУТАЛЬНОЮ ГРЕБІНКОЮ Результати теоретичних і експериментальних дослід-жень оротронів – генераторів дифракційного випромінювання з просторово розвиненими електродинамічними системами, електромагнітні коливання в яких збуджують, як правило, нерелятивістськими просторово розвиненими електронними потоками, свідчать про потенційні можливості даного класу приладів при вирішенні завдань освоєння терагерцового інтервалу частот. Одна з основних проблем, що виникають при підвищенні ККД таких генераторів з укороченням довжи- ни робочої хвилі, повʼязана з необхідністю забезпечення високого коефіцієнта використання всіх парціальних шарів високопервеансного просторово розвиненого електронного потоку в зоні електронно-хвильової взаємодії. Зазначену проблему вирішують шляхом збільшення напруженості висо- кочастотного поля в зоні енергообміну між електронами і електромагнітними хвилями. Ефективним способом підви- щення коефіцієнта використання всіх електронних шарів поперечного перерізу просторово розвиненого електронного потоку є застосування клинотронного ефекту. У роботі пред- ставлені результати математичного моделювання енергетич- них характеристик електронно-хвильової взаємодії в оротроні з дисковим електронним потоком, під яким на робочій поверх- ні плоского дзеркала двохдзеркального відкритого резонатора розташована відбивальна дифракційна решітка радіальної конструкції. Результати математичного моделювання та оптимізації енергетичних характеристик електронно- хвильової взаємодії в радіальному оротроні терагерцового діапазону свідчать про можливість досягнення електронного ККД близько 20 % в генераторах такої конструкції при засто- суванні клинотронного ефекту. Ключові слова: оротрон, генератор, клинотронний ефект, коефіцієнт використання електронного потоку, терагерцовий діапазон, математичне моделювання, оптимізація. http://ieeexplore.ieee.org/search/srchabstract.jsp?tp=&arnumber=5546038&searchWithin%3DAuthors%3A.QT.Yeryomka%2C+V.D..QT.%26openedRefinements%3D*%26filter%3DAND%28NOT%284283010803%29%29%26searchField%3DSearch+All

Терагерцевый клинооротрон с азимутальной гребенкой

Institution

Similar Items