A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space
The magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is the crossed field device developed for generation of microwave power at gigawatt level. We have used a numerical simulation method to investigate electromagnetic oscillations in MILO where a plane region of interaction between the flo...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147243 |
| 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: | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space / A.M. Gorban’, Yu.F. Lonin, G.E. Sarukhanyan // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 42-44. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860199640216895488 |
|---|---|
| author | Gorban’, A.M. Lonin, Yu.F. Sarukhanyan, G.E. |
| author_facet | Gorban’, A.M. Lonin, Yu.F. Sarukhanyan, G.E. |
| citation_txt | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space / A.M. Gorban’, Yu.F. Lonin, G.E. Sarukhanyan // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 42-44. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is the crossed field device developed for generation of microwave power at gigawatt level. We have used a numerical simulation method to investigate electromagnetic oscillations in MILO where a plane region of interaction between the flow of electrons and the field of the
slow-wave structure is installed. The system under study is a segment of the plane transmitting line of an infinite
width. The slow-wave structure in the form of a comb is placed on one of the electrodes (anode). The other electrode
(cathode) is an explosive electron-emitting source. The line areas on the left and on the right of the slow-wave structure are filled with absorbent to prevent the electromagnetic wave reflection. After the voltage application to the
transmission line, an electron flow magnetic self-insulation mode is installed. The slow-wave structure is exited by
an external signal. The results obtained for this model were used to calculate the transfer ratio as a function of the
exciting signal amplitude and signal frequency detuning with respect to the slow-wave structure principal mode. The
spectral characteristics of output signals have been estimated for different excitation modes. The spectral characteristics of output signals have been estimated for different excitation modes.
Осцилятор на магнітній самоізольованій передавальній лінії (MILO) - це пристрій на схрещених полях,
розроблений для генерації надвисокочастотної потужності гігаватного рівня. Методом чисельного моделювання ми досліджували посилення електромагнітних коливань у MILO з плоскою областю взаємодії електронного потоку з полем уповільнюючої структури. Досліджувана система є відрізком плоскої передавальної
лінії нескінченної ширини. На одному з електродів (аноді) поміщена уповільнююча структура у вигляді гребінки. Інший електрод (катод) є розподіленим джерелом електронів за рахунок ефекту вибухової емісії. Області лінії ліворуч і праворуч від уповільнюючої структури заповнені поглиначем для відвертання відображення електромагнітної хвилі. Після подання на лінію напруги в ній встановлюється режим магнітної самоізоляції електронного потоку. Система може збуджуватися зовнішнім струмом високої частоти. За результатами дослідження такої моделі отримані залежності коефіцієнта передачі від амплітуди збуджуваного сигналу і параметра розладу частоти сигналу відносно основної моди уповільнюючої структури. Визначені спектральні характеристики вихідних сигналів для різних режимів збудження.
Осциллятор на магнитоизолированной передающей линии (MILO) - это устройство на скрещенных полях, разработанное для генерации сверхвысокочастотной мощности гигаваттного уровня. Методом численного моделирования мы исследовали усиление электромагнитных колебаний в MILO с плоской областью
взаимодействия электронного потока с полем замедляющей структуры. Исследуемая система представляет
собой отрезок плоской передающей линии бесконечной ширины. На одном из электродов (аноде) помещена
замедляющая структура в виде гребенки. Другой электрод (катод) является распределенным источником
электронов за счет эффекта взрывной эмиссии. Области линии слева и справа от замедляющей структуры
заполнены поглотителем для предотвращения отражения электромагнитной волны. После подачи на линию
напряжения в ней устанавливается режим магнитной самоизоляции электронного потока. Система может
возбуждаться внешним током высокой частоты. По результатам исследования такой модели получены зависимости коэффициента передачи от амплитуды возбуждающего сигнала и параметра расстройки частоты
сигнала относительно основной моды замедляющей структуры. Определены спектральные характеристики
выходных сигналов для различных режимов возбуждения.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:10:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 42
NOVEL AND ADVANCED ACCELERATION TECHNOLOGIES
A STUDY OF THE MICROWAVE AMPLIFICATION IN MILO
WITH THE FLAT INTERACTION SPACE
A.M. Gorban’, Yu.F. Lonin, G.E. Sarukhanyan
National Science Center “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine
E-mail: gorban@kipt.kharkov.ua; lonin@kipt.kharkov.ua
The magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is the crossed field device developed for genera-
tion of microwave power at gigawatt level. We have used a numerical simulation method to investigate electromag-
netic oscillations in MILO where a plane region of interaction between the flow of electrons and the field of the
slow-wave structure is installed. The system under study is a segment of the plane transmitting line of an infinite
width. The slow-wave structure in the form of a comb is placed on one of the electrodes (anode). The other electrode
(cathode) is an explosive electron-emitting source. The line areas on the left and on the right of the slow-wave struc-
ture are filled with absorbent to prevent the electromagnetic wave reflection. After the voltage application to the
transmission line, an electron flow magnetic self-insulation mode is installed. The slow-wave structure is exited by
an external signal. The results obtained for this model were used to calculate the transfer ratio as a function of the
exciting signal amplitude and signal frequency detuning with respect to the slow-wave structure principal mode. The
spectral characteristics of output signals have been estimated for different excitation modes. The spectral character-
istics of output signals have been estimated for different excitation modes.
PACS: 533.9; 538.311
INTRODUCTION
The MILO-type devices are typical models of rela-
tivistic oscillators designed for producing very high-
power microwave pulses. In that capacity they are con-
stantly studied and developed in the form of experi-
mental setups [1 - 3].
At the same time, to study a possibility of amplifica-
tion of the radio-wave radiation, including the broad-
band one, in such devices, is a very important task. In
the previous study [4] we have obtained the results
showing that it is possible to use the MILO-type devices
in the amplification mode. However, the computational
model, we have applied, was inconvenient for systemat-
ic investigations. Generally, it was because of high re-
quirements to the computer system.
In this connection we have developed a new model
requiring a less computation volume and providing a
softer control of PC parameters.
1. COMPUTATION MODEL
The calculation spacing (Fig. 1) is a planar diode in-
finitely extended along the z axis and confined along the
y axis by the cathode and anode planes. In the longitu-
dinal direction (along the x axis) it is confined by the
regions filled with “ideal” radio absorber. Thus, there
are boundaries in the model being opened for micro-
waves. A slow-wave structure in the form of a comb
resonator is placed on the internal surface of the anode.
There is a region of an explosion electron-emitting
source on the cathode. An external transverse magnetic
field is applied (a magnetic bias field) along the z axis
so that the electron flow coincides with the wave propa-
gation direction. The external excitation of the system is
realized by passing modulate current throughout the
absorber taking place on the left of the interaction space.
The amplified radiation with increase of phase ve-
locity in the area of a "wedge-shaped" profile of a comb
is directed to the area filled with an absorber (on the
right in drawing). Thus, we approximately model its
output from the system.
Fig. 1. Schematic representation of the model
As the system is infinitely extended in the direction
of axis Z, all fields in this direction are uniform. There-
fore, the problem phase space is limited to two coordi-
nates yx, and two components of velocity yx vv .
Fields have three other than zero components
zyx HEE ,, and in system may exist TE type electro-
magnetic oscillations.
Fields have three components external electric and
magnetic fields, fields of the electromagnetic waves
propagating in system and electric field of a volume
charge.
The external static magnetic field 0ZH is uniform
on all area of system. External electric field 0E
is cal-
culated by integration of the Laplace equation with the
boundary conditions determined by the set geometry of
the slow-wave structure and value of anode potential
(and structures). An integration method sequential
overrelaxation. Momentary values of the electromagnet-
ic wave field are determined by the integration of the
Maxwell rotor equations
j
ct
E
c
Hrot
t
H
c
Erot
41
;
1
. (1)
Here we assume that 1 (vacuum, Gaussian
system of units). For the TE waves in the Cartesian co-
ordinates in the mesh (Fig. 2), the difference equations
set (Yee [5]) is as follows
mailto:gorban@kipt.kharkov.ua
mailto:lonin@kipt.kharkov.ua
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 43
1 2 1 2
1 1 2 1 2 1 2
1
1 2, 1 2 1 2, 1 2 1, 1 2 , 1 2
1 2, 1 1 2, ;
1 2, 1 2, 1 2, 1 2 1 2, 1 2 4 ( 1 2, );
, 1 2 , 1 2
n nn n
z z y y
n n
x x
n n n n n
x x z z x
n n
y y
H j i H j i E j i E j i
x
E j i E j i
y
E j i E j i H j i H j i J j i
y
E j i E j i
1 2 1 2 1 21 2, 1 2 1 2, 1 2 4 ( , 1 2).n n n
z z yH j i H j i J j i
x
(2)
Fig. 2. Computation mesh
Here 1 2 1 2, 1 2n
zH j i is the transverse mag-
netic field induction in the displaced node
21,21 ij at instant of time 212 nt ;
yx EE , the electric field component;
yx JJ , the
electron current density components (of the excitation
source), and yx , are the mesh sizes in the corre-
sponding directions.
When the emission and escape of electrons occur,
equations (1) do not provide the fulfillment of a law.
Therefore, to determine the complete electric field com-
ponents it is necessary to make a correction in the right
part of (2) for the space charge (Boris’s correction [6])
so that
oldnew EE , (3)
where is found from the Poisson equation
E
, (4)
where is the electron flow density. The integral
method (4) is the successive overrelaxation.
The mesh values of the charge density and cur-
rent densities Jx, Jy were calculated by the area
weighting method (CIC model). The integration of elec-
tron motion equations is performed by the Boris’s
method [6]. When the particle reaches any of the region
boundaries, it is excluded (absorbed) from the calcula-
tion.
2. BASIC RESULTS FOR TWO-FREQUENCY
EXCITATION
We have investigated the behavior of the system un-
der the simultaneous action of two harmonic signals for
different values of the frequency spacing and their am-
plitudes. To keep, as long as possible, the system from
the π-mode self-oscillation development and change
into the saturation condition, the magnetizing field has
been set at a rather high level for the electron flow pre-
pression to the cathode. The exciting radiation has been
introduced into the system before the explosive emis-
sion arising. The results obtained are reduced to the fol-
lowing.
For the effective amplification, the amplitude of the
exciting wave should be much higher than the amplitude
of noises of the space charge noises at the stage of the
electron flow instability development.
Fig. 3. Cold system. f2 = 1.3∙f1
Fig. 4. Warm system. f2 = 1.3∙f1
The two-frequency amplification is possible at a rel-
ative signal frequency spacing > 0.1. The same concerns
the exciting signal frequency from the frequency corre-
sponding to the π-mode of oscillations.
Fig. 2 presents the amplitude spectrum of the cold
system oscillations (without emission) under the action
of the two-frequency excitation with frequency spacing
of 0.3. Here the lower frequency is close to the slow-
wave structure eigenfrequency. Fig. 4 presents the ef-
fective amplification of the two signals. Different width
of peaks in Fig. 4 and in Fig. 3 is explained by different
lengths of samples. The ratio of the signal amplitudes in
Fig. 4 in respect to Fig. 3 is of about 3 (the same is for
Figs. 6 and 5).
Figs. 4 and 5 show the case when the signal frequen-
cy spacing is equal to 0.1 (and when the second signal
also is close to the slow-wave eigenfrequency). As is
seen form Fig. 5 in this case the second wave practically
is not amplified.
Time mesh Space mesh
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 44
The presented examples demonstrate complex be-
havior of the system under two-frequency excitation,
which is externally pronounced/defined in the strong
dependence of the amplification coefficient on the sig-
nal frequency and possibility of suppressing close
spaced (by frequency) signals.
Fig. 5. Cold system. f2 = 1.1∙f1
Fig. 6. Warm system. f2 = 1.1∙f1
To describe in more detail the mechanisms of these
phenomena, to all appearance, further more thorough
research is required.
REFERENCES
1. R.W. Lemke, S.E. Calico and M. Collins Clark //
IEEE Trans. Plasma Sci. 1997, v. 25, p. 364.
2. J.W. Eastwood, K.C. Hawkins, and M.P. Hook //
IEEE Trans. Plasma Sci. 1998, v. 26, p. 698.
3. Y.W. Fan, C.W. Yuan, H.H. Zhong, T. Shu, and
L. Luo // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007, v. 35,
p. 379.
4. A.M. Gorban`, Yu.F. Lonin. Externally Excited
MILO // Problems of Atomic Science and Technolo-
gy. Ser. “Plasma Electronics and New Methods of
Acceleration” (86). 2013, № 4, p. 13-14.
5. K.S. Yee. Numerical Solution of Initial Boundary
Value Problems Involving Maxwell’s Evaluations in
Isotropic Media // IEEE Trans. Antennas Prop.
1966, v. 14, p. 302-307.
6. J.P. Boris. Relativistic plasma simulation-optimization
of a hybrid code // Proc. IV Conf. Num. Sim. Plasmas,
Naval Res. Lab. D.C. Wash. 3-67, 2-3 Nov. 1970.
Article received 23.11.2017
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В MILO
С ПЛОСКОЙ ОБЛАСТЬЮ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонин, Г.Э. Саруханян
Осциллятор на магнитоизолированной передающей линии (MILO) это устройство на скрещенных по-
лях, разработанное для генерации сверхвысокочастотной мощности гигаваттного уровня. Методом числен-
ного моделирования мы исследовали усиление электромагнитных колебаний в MILO с плоской областью
взаимодействия электронного потока с полем замедляющей структуры. Исследуемая система представляет
собой отрезок плоской передающей линии бесконечной ширины. На одном из электродов (аноде) помещена
замедляющая структура в виде гребенки. Другой электрод (катод) является распределенным источником
электронов за счет эффекта взрывной эмиссии. Области линии слева и справа от замедляющей структуры
заполнены поглотителем для предотвращения отражения электромагнитной волны. После подачи на линию
напряжения в ней устанавливается режим магнитной самоизоляции электронного потока. Система может
возбуждаться внешним током высокой частоты. По результатам исследования такой модели получены зави-
симости коэффициента передачи от амплитуды возбуждающего сигнала и параметра расстройки частоты
сигнала относительно основной моды замедляющей структуры. Определены спектральные характеристики
выходных сигналов для различных режимов возбуждения.
ДОСЛІДЖЕННЯ ПОСИЛЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ У MILO
З ПЛОСКОЮ ОБЛАСТЮ ВЗАЄМОДІЇ
А.М. Горбань, Ю.Ф. Лонін, Г.Е. Саруханян
Осцилятор на магнітній самоізольованій передавальній лінії (MILO) це пристрій на схрещених полях,
розроблений для генерації надвисокочастотної потужності гігаватного рівня. Методом чисельного моделю-
вання ми досліджували посилення електромагнітних коливань у MILO з плоскою областю взаємодії елект-
ронного потоку з полем уповільнюючої структури. Досліджувана система є відрізком плоскої передавальної
лінії нескінченної ширини. На одному з електродів (аноді) поміщена уповільнююча структура у вигляді гре-
бінки. Інший електрод (катод) є розподіленим джерелом електронів за рахунок ефекту вибухової емісії. Об-
ласті лінії ліворуч і праворуч від уповільнюючої структури заповнені поглиначем для відвертання відобра-
ження електромагнітної хвилі. Після подання на лінію напруги в ній встановлюється режим магнітної самоі-
золяції електронного потоку. Система може збуджуватися зовнішнім струмом високої частоти. За результа-
тами дослідження такої моделі отримані залежності коефіцієнта передачі від амплітуди збуджуваного сиг-
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №3(115) 45
налу і параметра розладу частоти сигналу відносно основної моди уповільнюючої структури. Визначені спе-
ктральні характеристики вихідних сигналів для різних режимів збудження.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147243 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:10:06Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Gorban’, A.M. Lonin, Yu.F. Sarukhanyan, G.E. 2019-02-13T19:45:29Z 2019-02-13T19:45:29Z 2018 A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space / A.M. Gorban’, Yu.F. Lonin, G.E. Sarukhanyan // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 3. — С. 42-44. — Бібліогр.: 6 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 533.9; 538.311 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147243 The magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) is the crossed field device developed for generation of microwave power at gigawatt level. We have used a numerical simulation method to investigate electromagnetic oscillations in MILO where a plane region of interaction between the flow of electrons and the field of the
 slow-wave structure is installed. The system under study is a segment of the plane transmitting line of an infinite
 width. The slow-wave structure in the form of a comb is placed on one of the electrodes (anode). The other electrode
 (cathode) is an explosive electron-emitting source. The line areas on the left and on the right of the slow-wave structure are filled with absorbent to prevent the electromagnetic wave reflection. After the voltage application to the
 transmission line, an electron flow magnetic self-insulation mode is installed. The slow-wave structure is exited by
 an external signal. The results obtained for this model were used to calculate the transfer ratio as a function of the
 exciting signal amplitude and signal frequency detuning with respect to the slow-wave structure principal mode. The
 spectral characteristics of output signals have been estimated for different excitation modes. The spectral characteristics of output signals have been estimated for different excitation modes. Осцилятор на магнітній самоізольованій передавальній лінії (MILO) - це пристрій на схрещених полях,
 розроблений для генерації надвисокочастотної потужності гігаватного рівня. Методом чисельного моделювання ми досліджували посилення електромагнітних коливань у MILO з плоскою областю взаємодії електронного потоку з полем уповільнюючої структури. Досліджувана система є відрізком плоскої передавальної
 лінії нескінченної ширини. На одному з електродів (аноді) поміщена уповільнююча структура у вигляді гребінки. Інший електрод (катод) є розподіленим джерелом електронів за рахунок ефекту вибухової емісії. Області лінії ліворуч і праворуч від уповільнюючої структури заповнені поглиначем для відвертання відображення електромагнітної хвилі. Після подання на лінію напруги в ній встановлюється режим магнітної самоізоляції електронного потоку. Система може збуджуватися зовнішнім струмом високої частоти. За результатами дослідження такої моделі отримані залежності коефіцієнта передачі від амплітуди збуджуваного сигналу і параметра розладу частоти сигналу відносно основної моди уповільнюючої структури. Визначені спектральні характеристики вихідних сигналів для різних режимів збудження. Осциллятор на магнитоизолированной передающей линии (MILO) - это устройство на скрещенных полях, разработанное для генерации сверхвысокочастотной мощности гигаваттного уровня. Методом численного моделирования мы исследовали усиление электромагнитных колебаний в MILO с плоской областью
 взаимодействия электронного потока с полем замедляющей структуры. Исследуемая система представляет
 собой отрезок плоской передающей линии бесконечной ширины. На одном из электродов (аноде) помещена
 замедляющая структура в виде гребенки. Другой электрод (катод) является распределенным источником
 электронов за счет эффекта взрывной эмиссии. Области линии слева и справа от замедляющей структуры
 заполнены поглотителем для предотвращения отражения электромагнитной волны. После подачи на линию
 напряжения в ней устанавливается режим магнитной самоизоляции электронного потока. Система может
 возбуждаться внешним током высокой частоты. По результатам исследования такой модели получены зависимости коэффициента передачи от амплитуды возбуждающего сигнала и параметра расстройки частоты
 сигнала относительно основной моды замедляющей структуры. Определены спектральные характеристики
 выходных сигналов для различных режимов возбуждения. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Новые и нестандартные ускорительные технологии A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space Дослідження посилення електромагнітних коливань у MILO з плоскою областю взаємодії Исследование усиления электромагнитных колебаний в MILO с плоской областью взаимодействия Article published earlier |
| spellingShingle | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space Gorban’, A.M. Lonin, Yu.F. Sarukhanyan, G.E. Новые и нестандартные ускорительные технологии |
| title | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space |
| title_alt | Дослідження посилення електромагнітних коливань у MILO з плоскою областю взаємодії Исследование усиления электромагнитных колебаний в MILO с плоской областью взаимодействия |
| title_full | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space |
| title_fullStr | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space |
| title_full_unstemmed | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space |
| title_short | A study of the microwave amplification in MILO with the flat interaction space |
| title_sort | study of the microwave amplification in milo with the flat interaction space |
| topic | Новые и нестандартные ускорительные технологии |
| topic_facet | Новые и нестандартные ускорительные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147243 |
| work_keys_str_mv | AT gorbanam astudyofthemicrowaveamplificationinmilowiththeflatinteractionspace AT loninyuf astudyofthemicrowaveamplificationinmilowiththeflatinteractionspace AT sarukhanyange astudyofthemicrowaveamplificationinmilowiththeflatinteractionspace AT gorbanam doslídžennâposilennâelektromagnítnihkolivanʹumilozploskoûoblastûvzaêmodíí AT loninyuf doslídžennâposilennâelektromagnítnihkolivanʹumilozploskoûoblastûvzaêmodíí AT sarukhanyange doslídžennâposilennâelektromagnítnihkolivanʹumilozploskoûoblastûvzaêmodíí AT gorbanam issledovanieusileniâélektromagnitnyhkolebaniivmilosploskoioblastʹûvzaimodeistviâ AT loninyuf issledovanieusileniâélektromagnitnyhkolebaniivmilosploskoioblastʹûvzaimodeistviâ AT sarukhanyange issledovanieusileniâélektromagnitnyhkolebaniivmilosploskoioblastʹûvzaimodeistviâ AT gorbanam studyofthemicrowaveamplificationinmilowiththeflatinteractionspace AT loninyuf studyofthemicrowaveamplificationinmilowiththeflatinteractionspace AT sarukhanyange studyofthemicrowaveamplificationinmilowiththeflatinteractionspace |