Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины

Предмет и цель работы. В статье изложены результаты, достигнутые в последнее время в отделе вакуумной электроники Института радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины при создании компактных комплексов для генерации электромагнитного излучения в терагерцевом (ТГц)...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2019
Main Authors:	Лихачев, А.А., Даник, А.А., Ковшов, Ю.С., Кишко, С.А., Пономаренко, С.С., Хуторян, Э.М., Кулешов, А.Н., Тищенко, А.С., Завертанный, В.В., Забродский, А.Ф.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2019
Series:	Радіофізика та електроніка
Subjects:	Вакуумна та твердотільна електроніка
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167796
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:	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины / А.А. Лихачев, А.А., Ю.С. Ковшов, С.А. Кишко, С.С. Пономаренко, Э.М. Хуторян, А.Н. Кулешов, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, А.Ф. Забродский // Радіофізика та електроніка. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 33-48. — Бібліогр.: 54 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167796
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1677962025-02-10T01:11:24Z Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины Розроблення компактних генераторних комплексів на основі клинотронів терагерцового діапазону в ІРЕ ім. О. Я. Усикова НАН України Development of compact generator complexes based on terahertz clinotrons in O.Ya. Usikov IRE NAS of Ukraine Лихачев, А.А. Даник, А.А. Ковшов, Ю.С. Кишко, С.А. Пономаренко, С.С. Хуторян, Э.М. Кулешов, А.Н. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Забродский, А.Ф. Вакуумна та твердотільна електроніка Предмет и цель работы. В статье изложены результаты, достигнутые в последнее время в отделе вакуумной электроники Института радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины при создании компактных комплексов для генерации электромагнитного излучения в терагерцевом (ТГц) диапазоне частот. Данные комплексы, использующие клинотроны в качестве генератора электромагнитных колебаний, предназначены для проведения экспериментальных исследований в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса с применением техники динамической поляризации ядер. Предмет і мета роботи. У статті викладено результати, які були досягнуті останнім часом у відділі вакуумної електроніки Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України при створенні компактних комплексів для генерації електромагнітного випромінювання в терагерцовому (ТГц) діапазоні частот. Ці комплекси використовують клинотрони як генератори електромагнітних коливань і призначені для проведення експериментальних досліджень в області спектроскопії ядерного магнітного резонансу із застосуванням техніки динамічної поляризації ядер. Subject and purpose. This paper deals with the results recently obtained in Vacuum Electronics Department of O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine during the development of compact complexes for generation of electromagnetic radiation in the terahertz frequency range. These complexes with clinotrons as electromagnetic oscillators are intended for carrying out experimental researches in the field of nuclear magnetic resonance spectroscopy using the dynamic nuclear polarization technique. 2019 Article Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины / А.А. Лихачев, А.А., Ю.С. Ковшов, С.А. Кишко, С.С. Пономаренко, Э.М. Хуторян, А.Н. Кулешов, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, А.Ф. Забродский // Радіофізика та електроніка. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 33-48. — Бібліогр.: 54 назв. — рос. 1028-821X DOI: https://doi.org/10.15407/rej2019.02.033 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167796 621.385.6 ru Радіофізика та електроніка application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Вакуумна та твердотільна електроніка Вакуумна та твердотільна електроніка
spellingShingle	Вакуумна та твердотільна електроніка Вакуумна та твердотільна електроніка Лихачев, А.А. Даник, А.А. Ковшов, Ю.С. Кишко, С.А. Пономаренко, С.С. Хуторян, Э.М. Кулешов, А.Н. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Забродский, А.Ф. Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины Радіофізика та електроніка
description	Предмет и цель работы. В статье изложены результаты, достигнутые в последнее время в отделе вакуумной электроники Института радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины при создании компактных комплексов для генерации электромагнитного излучения в терагерцевом (ТГц) диапазоне частот. Данные комплексы, использующие клинотроны в качестве генератора электромагнитных колебаний, предназначены для проведения экспериментальных исследований в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса с применением техники динамической поляризации ядер.
format	Article
author	Лихачев, А.А. Даник, А.А. Ковшов, Ю.С. Кишко, С.А. Пономаренко, С.С. Хуторян, Э.М. Кулешов, А.Н. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Забродский, А.Ф.
author_facet	Лихачев, А.А. Даник, А.А. Ковшов, Ю.С. Кишко, С.А. Пономаренко, С.С. Хуторян, Э.М. Кулешов, А.Н. Тищенко, А.С. Завертанный, В.В. Забродский, А.Ф.
author_sort	Лихачев, А.А.
title	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины
title_short	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины
title_full	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины
title_fullStr	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины
title_full_unstemmed	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины
title_sort	разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ирэ им. а.я. усикова нан украины
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Вакуумна та твердотільна електроніка
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167796
citation_txt	Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины / А.А. Лихачев, А.А., Ю.С. Ковшов, С.А. Кишко, С.С. Пономаренко, Э.М. Хуторян, А.Н. Кулешов, А.С. Тищенко, В.В. Завертанный, А.Ф. Забродский // Радіофізика та електроніка. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 33-48. — Бібліогр.: 54 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT lihačevaa razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT danikaa razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT kovšovûs razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT kiškosa razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT ponomarenkoss razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT hutorâném razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT kulešovan razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT tiŝenkoas razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT zavertannyivv razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT zabrodskiiaf razrabotkakompaktnyhgeneratornyhkompleksovnaosnoveklinotronovteragercevogodiapazonaviréimaâusikovananukrainy AT lihačevaa rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT danikaa rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT kovšovûs rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT kiškosa rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT ponomarenkoss rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT hutorâném rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT kulešovan rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT tiŝenkoas rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT zavertannyivv rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT zabrodskiiaf rozroblennâkompaktnihgeneratornihkompleksívnaosnovíklinotronívteragercovogodíapazonuvíreímoâusikovananukraíni AT lihačevaa developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT danikaa developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT kovšovûs developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT kiškosa developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT ponomarenkoss developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT hutorâném developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT kulešovan developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT tiŝenkoas developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT zavertannyivv developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine AT zabrodskiiaf developmentofcompactgeneratorcomplexesbasedonterahertzclinotronsinoyausikovirenasofukraine
first_indexed	2025-12-02T09:52:11Z
last_indexed	2025-12-02T09:52:11Z
_version_	1850389699529539584
fulltext	ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 33 ВАКУУМНА ТА ТВЕРДОТІЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА РРФФЕЕ ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2: 33–48 DOI: https://10.15407/rej2019.02.033 УДК 621.385.6 А.А. Лихачев 1, А.А. Даник 1, Ю.С. Ковшов 1, С.А. Кишко 1, С.С. Пономаренко 1, Э.М. Хуторян 1, А.Н. Кулешов 1, А.С. Тищенко 1 , В.В. Завертанный 1, А.Ф. Забродский 1, С.Н. Терехин 1, Т.В. Кудинова 1, Л.А. Кириченко 1, Л.А. Галушко 1, Ю.С. Клещева 1, Г.С. Безродная 1, С.А. Власенко 1,2 1 Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина 2 Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина 4, пл. Свободы, Харьков, 61077, Украина Е-mail: jeanalexkh@gmail.com Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины Предмет и цель работы. В статье изложены результаты, достигнутые в последнее время в отделе вакуумной элек- троники Института радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины при создании компактных комплексов для генерации электромагнитного излучения в терагерцевом (ТГц) диапазоне частот. Данные комплексы, использующие клинотроны в качестве генератора электромагнитных колебаний, предназначены для про- ведения экспериментальных исследований в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса с применением техники динамической поляризации ядер. Методы и методология работы. Для расчета частотных характеристик модель электронно-волнового взаимо- действия клинотрона дополнена алгоритмом учета взаимных преобразований и отражений на неоднородностях электродинамической системы, распространяющихся поверхностной и высших волн. Для уточнения полученных ре- зультатов применены методы статистического анализа экспериментальных параметров известных клинотронов. Установлены значения оптимального сдвига фаз колебаний на период замедляющей системы (ЗС), параметров про- странственного заряда, длины ЗС и усиления по Пирсу в зависимости от частоты. Результаты работы. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов транспортировки интенсивных электронных пучков (ЭП) в слабонеоднородных магнитных фокусирующих полях, электронно-волнового взаимодействия ЭП с высокочастотными (ВЧ) полями ЗС, распространения поверхностных и высших волн, их вза- имной трансформации на неоднородностях электродинамической системы. Исследованы омические ВЧ-потери, вы- званные шероховатостью поверхности ЗС и тепловым воздействием со стороны падающего ЭП. Экспериментально получена генерация колебаний в пакетированных клинотронах в диапазоне частот от 120 до 410 ГГц. Разработанные комплексы демонстрируют стабильность частоты генерируемого электромагнитного излучения на уровне 1…30 мд в диапазоне частот 120…410 ГГц и обеспечивают уровень выходной мощности порядка 100 мВт на частоте 300 ГГц. Заключение. Предложены пути повышения мощности и стабильности генерации клинотронов ТГц-диапазона частот. Рассмотрены методы снижения влияния омических ВЧ-потерь на процесс электронно-волнового взаимо- действия в клинотронах ТГц-диапазона путем применения многоступенчатых ЗС, а также систем с малым пара- метром длины. Ключевые слова: клинотрон, терагерцевое излучение, динамическая поляризация ядер, ядерно-магнитный резонанс, спектроскопия, высоковольтные источники питания, высокочастотные омические потери, замедляющая система. 34 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. Актуальность разработки компактных источ- ников электромагнитного излучения в тера- герцевом (ТГц) диапазоне частот определяет- ся обилием существующих на данном участке спектра технологий, которые призваны решать современные задачи дистанционного зондиро- вания, коммуникации, спектроскопии, неразру- шающего контроля соединений, безопасности и др. [1–5]. Для множества задач, особенно свя- занных с исследованием биологических объек- тов, являются избыточными уровни мощности электромагнитного излучения, создаваемые та- кими мощными приборами как мазеры на цик- лотронном резонансе [3, 6, 7]. В тоже время полупроводниковые генераторы электромаг- нитного излучения позволяют достигать мощ- ности порядка 50 мВт на частоте около 300 ГГц [8, 9]. Для работы на более высоких частотах применяются умножители частоты, что приво- дит к значительному снижению уровня мощно- сти – до нескольких десятков или сотен мик- роватт [10]. В силу этого обстоятельства та- кие электронно-вакуумные приборы (ЭВП), в частности, лампы обратной волны (ЛОВ) и их модификации [11–14], являются более пригод- ными для создания компактных комплексов для генерирования ТГц-излучения, в том чис- ле и благодаря возможности электронной пе- рестройки частоты ускоряющим напряжением. Особенно перспективной является модифика- ция резонансной ЛОВ – клинотрон, осново- полагающие принципы работы которого были предложены в ИРЭ НАНУ в 1950-х годах [15– 17]. Клинотроны, разработанные в последние годы в ИРЭ НАНУ для частот 200…400 ГГц, характеризуются широким частотным диапазо- ном работы благодаря электронной перестрой- ке частоты (порядка 10…20 %) и уровнем мощ- ности 20…600 мВт [18–22]. В данной статье представлены результаты, полученные при решении задачи создания ком- пактных модулей для генерации электромаг- нитного излучения в ТГц-диапазоне частот на основе клинотронов. Работа состоит из трех основных разделов. В первом разделе рассмот- рены вопросы теории клинотронов ТГц-диа- пазона частот. Изложены используемые теоре- тические методики и результаты расчетов. Во втором разделе представлены результаты экс- периментального исследования клинотронов, пакетированных в компактные фокусирующие системы на постоянных магнитах, в ТГц-диапа- зоне частот. В третьем разделе представлены результаты, полученные при создании ком- пактных высоковольтных источников питания, источников питания накальных цепей, а также рассмотрены вопросы стабилизации выход- ных параметров таких источников с использо- ванием техники пропорционально-интеграль- но-дифференциального (ПИД) контроля. 1. Разработка клинотронов непрерывного действия в ТГц-диапазоне частот. При разра- ботке клинотронов ТГц-диапазона частот при- ходится решать вопросы, связанные как с физи- ческими особенностями работы ЭВП О-типа, так и с технологическими ограничениями, воз- никающими в результате необходимости созда- ния мелкоструктурных гребенчатых замедляю- щих систем (ЗС). Важным физическим ограничением являет- ся уменьшение локализации высокочастотного (ВЧ) электромагнитного поля вблизи поверх- ности ЗС при уменьшении периода и глубины щелевого резонатора гребенки. Так, толщина эффективного слоя ВЧ-поля на частоте 400 ГГц составляет 15 мкм [18, 20]. В отличие от ЛОВ традиционной конструк- ции, применение наклонного электронного потока (ЭП) в клинотроне позволяет ввести практически все электроны пучка в область ВЧ-поля. Тем не менее, при продвижении в ТГц-диапазоне необходимо использовать более тонкие ЭП по сравнению с пучками для кли- нотронов миллиметрового диапазона волн. Так, для клинотронов 8-мм диапазона волн толщина эмитирующей поверхности состав- ляет 0,3…0,4 мм, а индукция фокусирующего магнитного поля составляет 0,34…0,36 Тл [15]. В ТГц-диапазоне частот данные параметры со- ставляют 0,12…0,15 мм и 0,8…1,1 Тл соответ- ственно [16, 18]. Важной особенностью процесса электрон- но-волнового взаимодействия в клинотроне яв- ляется повышение выходной мощности и элек- тронного КПД при работе в слабонеоднород- ном магнитном фокусирующем поле [15, 23]. Данный эффект достигается в результате сни- жения стартовых токов за счет увеличения дли- ны пролета электронов в ВЧ-поле, а также за счет увеличения количества электронов, участ- ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 35 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... вующих во взаимодействии [15, 20, 24]. В ра- ботах [20, 25] описано моделирование движе- ния заряженных частиц в системе клинотрона путем интегрирования уравнений движения в заданном магнитном поле. Полученные резуль- таты были использованы для определения оп- тимального распределения магнитного поля в пространстве взаимодействия [20]. По резуль- татам исследований были созданы магнит- ные фокусирующие системы (МФС) на осно- ве сплава неодима с сегментами в виде коль- цевых секторов, намагниченных в радиальном направлении, обеспечивающие необходимый профиль магнитного поля для эффективной работы клинотронов в ТГц-диапазоне частот. Расчет фокусирующих систем [20, 26] осу- ществлялся как при моделировании уравнений магнитостатики [27], так и при использовании пакета программ SuperFish [28]. Разработанные МФС были успешно применены при создании пакетированных клинотронов в диапазоне час- тот 280…410 ГГц [18, 20]. На рис. 1 представ- лены фотографии разработанных клинотронов ТГц-диапазона. Значительное влияние на выходные харак- теристики клинотрона оказывает методы из- готовления ЗС [15]. Дело в том, что чистота поверхности ЗС определяет величину омиче- ских ВЧ-потерь поверхностной волны, рас- пространяющейся вдоль системы. Кроме того, различные структурные дефекты приводят к возникновению дифракционных потерь рабо- чей моды, связанных с перекачкой энергии в высшие типы колебаний электродинамической системы. В настоящие время чаще всего применяются следующие технологии изготовления замедля- ющих систем [6]: обработка высокоскоростны- ми малоразмерными фрезами (nano-CNC-Mill- ing), электроэрозионная обработка (EDM), разновидности фотолитографии и глубокого ионного травления (LIGA и DRIE). Из-за осо- бенности последних двух технологий, заклю- чающейся в осаждении примесей из раствора электролита с последующей связью с медной поверхностью формируемой ЗС, их примене- ние в клинотронах может встретить техноло- гические трудности, связанные с очисткой ЗС. В противном случае осаждение электронного потока на ЗС будет способствовать вырыва- нию ионов примесей из металла и приводить к ионной бомбардировке катода, снижающей его эмиссионные свойства. Исследование па- раметров ЗС, изготовленных с применением технологии nano-CNC-Milling, представляет значительный интерес, однако в силу стоимос- ти технологии является невозможным в дан- ный момент. В работе [29] методом оптической микроскопии были проведены исследования шероховатости поверхностей ЗС, изготовлен- ных по технологии EDM. Электропроводность материала пересчитывалась согласно модели Хаммерштеда [30] и учитывалась в дисперси- онном анализе при расчете затухания рабочей волны на периоде ЗС [31]. В частности, было установлено, что возрастание омических ВЧ- потерь в клинотронах частотных диапазонов выше 140 ГГц обусловлено именно существен- ным перепадом профиля поверхности ЗС, пре- вышающим глубину скин-слоя. Таким обра- зом, определение действительных величин ВЧ- потерь и их учет в моделировании являются одной из важных проблем разработки прибо- ров в ТГц-диапазоне. Рис. 1. Клинотроны, пакетированные в МФС с индукцией поля 0,88…1,1 Тл, для работы в диапазонах частот: а – 280…320 ГГц; б – 350…410 ГГц; в – 300…350 ГГц а б в 36 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. Достоверное моделирование процесса элек- тронно-волнового взаимодействия, происхо- дящего в ЭВП, является сложной задачей, тре- бующей рассмотрения множества физических эффектов. Очевидно, что при постановке зада- чи принимается целый ряд упрощений, кото- рые могут включать: неточности, допущенные при изготовлении и сборке узлов прибора; ре- альные значения проводимости, теплопровод- ности, диэлектрической проницаемости и ве- личины ВЧ-потерь материалов, используемых в конструкции, и т. п. Тем не менее, численные эксперименты необходимы для определения рабочих характеристик и последующей опти- мизации параметров прибора. В настоящее время моделирование парамет- ров ЭВП производится путем решения систе- мы самосогласованных уравнений Максвелла и уравнений движения. Решение данной задачи методом частиц в ячейках реализовано во мно- жестве коммерческих программных пакетах [32, 33]. Однако такая реализация требует зна- чительных вычислительных ресурсов. В работах [34–39] развиты одномерные и двумерные модели приборов О-типа, учиты- вающие конечную величину магнитного фо- кусирующего поля, ВЧ-потери, коэффициент и фазу отражения рабочей волны от концов ЗС. Эти модели основаны на решении нелинейных нестационарных уравнений возбуждения элек- тродинамических систем токами с использова- нием метода крупных частиц. Несмотря на то, что в таких приборах взаимодействие пучка осуществляется с полем поверхностной волны, рабочие параметры (частота, мощность и КПД) в значительной степени зависят от конструк- ции электродинамической системы, в которой размещается ЗС. В миллиметровом диапазоне волн резонанс- ное возбуждение электродинамической систе- мы клинотрона осуществляется из-за отраже- ний поверхностной волны от концов ЗС [40]. В результате электродинамическая система, представляющая собой волновод П-образного сечения с гребенчатой ЗС, становится резонато- ром поверхностной волны [15]. Сечение тако- го волновода одинаково для клинотронов всех диапазонов [15] и соответствует 7,2  1,8 мм. Ширина выступа в волноводе и, соответствен- но, ширина гребенки могут составлять 2,5 или 3,5 мм, в зависимости от диапазона частот. Расстояние между плоскостью ЗС и экраном составляет около 0,8 мм. Даже в двумерном приближении данные параметры обеспечива- ют одномодовый режим резонатора на частотах менее 187 ГГц. При рассмотрении трехмерной системы граница существования одномодового режима снижается почти до 60 ГГц. Таким об- разом, упомянутые выше модели не пригодны для проведения расчетов многомодовых сис- тем клинотронов в ТГц-диапазоне [41]. Для уточнения выходных данных, получае- мых в моделях клинотронов, в работе [42] было предложено использовать статистическую об- работку эксплуатационных параметров экспе- риментальных клинотронов. Численный ана- лиз позволил уточнить значение сдвига фаз ко- лебаний на период системы, соответствующий максимальному КПД приборов в 2-мм диапазо- не длин волн. Также в модели клинотрона были установлены пусковые и частотные характе- ристики. Полученные данные позволили со- здать клинотрон с рабочим диапазоном частот 115…135 ГГц и максимумом выходной мощнос- ти на заданной частоте, равной 130 ГГц [43]. В клинотроне значительное влияние на от- ражение и преобразование волн на концах ЗС [44] оказывают неоднородности в виде слож- ных волноводных тройников, образованные плечами пространства взаимодействия, вывода энергии и канала ввода электронного потока – с одной стороны, а также пространства взаимо- действия и канала волновода с подстроечным короткозамкнутым поршнем – с другой сторо- ны [15, 45]. В этой связи в работах [46, 47] было предложено комбинированное решение задачи рассеяния волн на неоднородностях электродинамической системы клинотрона и задачи возбуждения колебаний ЭП. Учет отра- жений поверхностной волны, взаимодействую- щей с электронным потоком, а также ее преоб- разование в высшие объемные моды и наобо- рот, позволил существенно повысить точность расчетов частотных характеристик генератора. Результаты моделирования, полученные для клинотронов в диапазоне частот 300…400 ГГц, показали хорошее соответствие с результатами экспериментальных исследований [21, 48]. В разработанной модели клинотрона был также произведен учет ВЧ омических потерь, ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 37 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... вызванных как шероховатостью поверхнос- ти ЗС, так и нагревом ЗС за счет осаждения ЭП на ее поверхность. Моделирование температур- ной нагрузки осуществлялось при рассмотрении трехмерных и двумерных уравнений теплопро- водности с учетом внутренних тепловых источ- ников и граничных условий первого и третьего рода [29, 48]. На частотах 136 и 301 ГГц было показано [29], что учет ВЧ-потерь даже в линей- ной теории ЛОВ показывает хорошее количест- венное соответствие между значениями модели- руемой выходной мощности и КПД и экспери- ментальными значениями для клинотронов, ра- ботающих в режиме пусковых токов. При создании клинотронов в ТГц-диапазоне частот важной задачей также является сниже- ние влияния омических ВЧ-потерь на процесс электронно-волнового взаимодействия. С этой целью нами было предложено использование многоступенчатых ЗС в резонаторе клинотрона [19, 20]. Ранее такие системы использовались для вывода электромагнитной энергии из про- странства взаимодействия [49, 50]. В работах [20, 51] был экспериментально про- демонстрирован уровень выходной мощнос- ти более 2 Вт в режиме возбуждения поверх- ностных колебаний в клинотроне с трехступен- чатой ЗС. Полный рабочий диапазон прибора составил 80…108 ГГц. Для работы на частоте 130 ГГц и вблизи оптимального сдвига фаз ко- лебаний в статье [52] была предложена схема клинотрона с четырехступенчатой ЗС. Данная ЗС была оптимизирована для работы кли- нотрона на второй составляющей второй поло- сы пропускания с эффективным обменом энер- гией между пучком и ВЧ-полем при отношении глубины большого резонатора к малому, равно- му 1,1. Отстройка от режимов конкуренции ко- лебаний осуществлялась путем изменения вы- соты положения экрана над ЗС. Рабочий диапа- зон частот генератора составил 122…132 ГГц. Для снижения влияния омических ВЧ- потерь нами также рассматривается возмож- ность уменьшения длины ЗС клинотронов в диапазоне частот более 300 ГГц. Используя из- ложенные выше методы моделирования, в диа- пазоне частот 320…360 ГГц авторы разрабо- тали клинотрон, длина ЗС которого укорочена на 30 % по сравнению с аналогичными прибо- рами в данном диапазоне. Уменьшение длины системы позволило уменьшить габариты при- бора и зазор магнитного поля (с 32 до 27 мм). Экспериментальные исследования такого при- бора установили возбуждение колебаний при токе пучка 100 мА и ускоряющем напряжении 4,5…5,8 кВ. 2. Экспериментальное исследование кли- нотронов непрерывного действия ТГц-диа- пазона частот. В клинотронах применяется ленточный электронный пучок, формируемый диодной электронной пушкой с импрегниро- ванным или L-катодом. Электронная пушка рассчитана для работы в диапазоне ускоря- ющих напряжений до 5…6 кВ. Работа като- да осуществляется в режиме температурного ограничении эмиссии, при этом рабочая плот- ность тока ЭП обычно составляет порядка 20…50 А/см2. Фокусировка ЭП в пакетированных клино- тронах диапазона частот от 100 до 400 ГГц осуществляется в магнитном поле с индук- цией 0,45…1,0 Тл. При этом зазор магнитной системы составляет 32 мм, а масса пакетиро- ванного изделия варьируется от 2 до 10 кг. Исследования полей рассеяния разработанных МФС показывают затухание магнитного поля до 1 × 10–3…2 × 10–3 Тл по оси системы на рас- стоянии 250 мм от края полюса, что является достаточным для применения пакетированно- го клинотрона совместно с сверхпроводящими магнитами, используемыми для динамической поляризации ядер в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ДПЯ-ЯМР). Детектирование генерируемого электромаг- нитного излучения осуществляется в импульс- ном режиме питания клинотрона ускоряю- щим напряжением с длительностью импуль- сов 10 мс и частотой повторения 50 Гц. В ка- честве детектора используются диоды с барье- ром Шоттки типа QuinStar QEA. Схема детек- тирования приведена на рис. 2. На экране ос- циллографа регистрируется временная раз- вертка сигнала с СВЧ-детектора и делителя Рис. 2. Схема детектирования электромагнитного излуче- ния клинотрона Диод с барьером Шоттки Клинотрон Осциллограф 38 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. высоковольтного напряжения, что позволяет устанавливать значения напряжения для каж- дой зоны генерации. На рис. 3 приведен пример изменения ам- плитуды выходного сигнала в зависимости от тока ЭП, полученный для пакетированного клинотрона, работающего в диапазоне частот 280…310 ГГц. Для измерения частоты генерации в кли- нотронах используются следующие методы: прямой метод измерения длины волны с ис- пользованием квазиоптического резонато- ра типа Фабри–Перро; пересчет длины вол- ны излучения по резонансной характеристике камерного волномера, работающего на моде круглого резонатора ТЕ111; измерение часто- ты с помощью спектроанализатора. Точность прямого метода, в зависимости от добротнос- ти измерительной линии, составляет порядка 1 0000…100 мд. В тоже время использование калиброванного камерного волномера совмест- но с техникой цифровой градуировки позволя- ет достигать точности порядка 1000…100 мд. Для измерения частоты в разрыв тракта между клинотроном и детектором помеща- ется измерительное устройство (волномер). Согласование выходного волновода клинотро- на с измерительным трактом может осуществ- ляться как при помощи волноводных перехо- дов, так и при помощи рупоров прямоугольно- го сечения. На рис. 4 представлена схема изме- рения частоты в случае использования спектро- анализатора. Данные измерения были проведе- ны совместно с Far-Infrared Research Center of Fukui University (Япония) в рамках выполнения партнерского проекта. Смешение сигнала клинотрона, работающе- го на центральной частоте 300 ГГц, осуществ- лялось вместе с сигналом задающего генера- тора Agilent N5183A на смесительном диоде VDI WR-2.8 EHM. Диод осуществляет смеше- ние на четных гармониках сигнала задающе- го генератора с выделением промежуточной частоты, которая регистрировалась спектроа- нализатором Anritsu MS710C. При детектиро- вании излучения клинотрона использовался рупор прямоугольного сечения, осуществляю- щего плавный переход с сечения 3,6  1,8 мм2 на 26  21 мм2 на длине 50 мм. Техника СВЧ, использованная для детектирования излучения и проведения частотных измерений, представ- лена на рис. 5. Измерение мощности генерируемого излу- чения осуществлялось с помощью болометра, включенного по мостовой схеме. Также для из- мерений использовались измеритель мощнос- ти типа AV2436 и спектроанализатор AV4051Н совместно со смесительным диодом. На рис. 6 приведены характерные зависимос- ти выходной мощности от частоты генерации для пакетированных клинотронов, работающих в диапазоне частот от 120 до 410 ГГц. Рабочие величины тока электронного пучка в клинотро- нах составляют 80…150 мА. Стартовые режи- мы достигаются при токе пучка до 30 мА – на частотах до 150 ГГц, до 90 мА – в диапазоне частот до 410 ГГц. Диапазоны ускоряющего напряжения составляют 2…4 кВ и 3,5…5,5 кВ соответственно. Приведенные на рис. 6 зависимости демон- стрируют резонансный характер как в низкоча- стотной области ТГц-диапазона, так и на час- тотах близких к 400 ГГц, где значения омиче- ских ВЧ-потерь достаточно велики [21, 29]. Результаты некоторых исследований [46, 47] позволяют утверждать, что данные резонансы вызваны высшими типами волн, распростра- няющимися в сверхразмерном резонаторе кли- нотрона, а также частотными характеристи- ками узла вывода электромагнитной энергии. Данные характеристики определяют условия трансформации поверхностной и высших волн пространства взаимодействия в волны волно- водного вывода энергии. Проведенные экспериментальные исследо- вания [43] показали, что зависимость выходной мощности от тока ЭП носит квадратичный ха- рактер в клинотронах для фиксированной час- тоты генерации. Это объясняется большей эф- фективностью электронно-волнового взаимо- действия при проявлении клинотронного эф- фекта в режиме больших амплитуд. Так, на- пример, для клинотрона с центральной часто- той 130 ГГц выходная мощность составляет 95 мВт в стартовом режиме. С увеличением тока до 120 мА мощность растет до 750 мВт. Дальнейшее повышение тока ЭП до 160 мА со- ответствует выходной мощности около 1,5 Вт. Следовательно, для увеличения мощности ге- нерации в диапазоне частот выше 200 ГГц при ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 39 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... Рис. 4. Схема детектирования электромагнитного излуче- ния клинотрона и измерения частоты генерации при по- мощи спектроанализатора Рис. 3. Осциллограммы излучения, демонстрирующие ре- зонансный характер возбуждения колебаний в клинотро- не с диапазоном частот 280…310 ГГц при ускоряющем напряжении 3,5 кВ и токах пучка: а – 80 мA; б – 112 мА а б а б Рис. 5. Техника СВЧ для детектирования излучения и про- ведения частотных измерений в ТГц-диапазоне частот: а – узел со смесительным диодом VDI WR-2.8 EHM и при- емным рупором; б – диод с барьером Шоттки QuinStar QEA с приемным рупором Смеситель Задающий генератор Клинотрон Анализатор спектра Рис. 6. Выходная мощность как функция частоты для клинотронов в диапазоне частот 100…410 ГГц, пакетированных в компактные МФС на постоянных магнитах Частота, ГГц 10000 1000 100 10 1 0,1 120 160 200 240 280 320 360 400 М ощ но ст ь, м В т 40 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. неизменной конструкции существующих кли- нотронов необходимо переходить к рабочим токам более 200 мА. Однако достижение в кли- нотронах тока пучка свыше уже 180 мА явля- ется трудной задачей, связанной со значитель- ным усилением эффекта бомбардировки катода ионами остаточных газов при воздействии ЭП на поверхность ЗС. Таким образом, актуаль- ной задачей для клинотронов, как и для любого другого электронно-вакуумного прибора, явля- ется разработка эффективных катодов и при- менение современных технологий обезгажива- ния приборов. Также не маловажным является разработка катодно-подогревательных узлов и электронных пушек для стабильной работы при ускоряющих напряжениях до 6 кВ. Для применения ТГц-клинотронов в ДПЯ- ЯМР спектроскопии необходимо знать спек- тральные характеристики генерируемого элек- тромагнитного излучения. Спектр генерации электромагнитного излучения клинотрона, ра- ботающего на центральной частоте 300 ГГц, представлен на рис. 7. Как видно на фотогра- фии, ширина спектральной лини по уровню –3 дБ составляет менее 8 МГц. В диапазоне час- тот 280…320 ГГц ширина спектральной линии изменяется в пределах 7…10 МГц. Крутизна электронной перестройки часто- ты в пределах одной зоны генерации данно- го клинотрона составила 19 МГц/В, при этом нестабильность источника питания ускоряю- щего напряжения составляла менее 100 мВ. Аналогичное расчетное значение, полученное с помощью модели клинотрона [47], составило 13 МГц/В. Исследование частотных характеристик кли- нотрона с помощью спектроанализатора позво- ляет определить добротность установившегося вида колебаний как Q  f / df, где f – централь- ная частота, df – ширина зоны. Установлено, что ширина зоны генерации с центральной час- тотой 300 ГГц составляет 1,17 ГГц, что соот- ветствует Q  256. 3. Стабилизированные источники пита- ния клинотронов в ТГц-диапазоне частот. В ДПЯ-ЯМР спектроскопии к источникам элек- тромагнитного излучения, кроме спектральных характеристик, выдвигаются особые требова- ния по частотной стабильности, а также ста- бильности падающей СВЧ-мощности. При использовании клинотрона стабильность частоты генерируемого излучения в большей или меньшей мере (в зависимости от крутиз- ны электронной перестройки частоты) зависит от стабильности напряжения высоковольтного источника питания. Стабильность генерируе- мой СВЧ-мощности также зависит от стабиль- ности источника питания накала. Источник пи- тания также должен обладать минимальными электромагнитными шумами в высоковольт- ной и накальных цепях, так как повышенный уровень шумов может значительно ухудшить спектральные характеристики генерируемого Рис. 7. Спектр генерации клинотрона на частоте 300 ГГц, при разрешении по частоте 300 кГц Рис. 9. Схема ПИД-стабилизации мощности и частоты излучения ПК с ПИД Измеритель мощности Клинотрон Измеритель частоты P U Рис. 8. Функциональная схема высоковольтного источни- ка питания Входной фильтр Выпрямитель Блок конденсаторов Блок плавного запуска Защита от низкого/ высокого входного напряжения ШИМ инвертор Повышающий трансформатор Высоковольтный выпрямитель ФНЧ Блок стабилизации Блок накала Блок управления Блок защиты от КЗ Блок питания Блок индикации Выход: 6 кВ 200 мА ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 41 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... излучения. Поскольку клинотрон обладает до- статочно широкой электронной перестройкой частоты, то еще одним важным требованием, предъявляемым к высоковольтному источнику питания, является стабильность выходных ха- рактеристик в диапазоне выходных напряже- ний 1…6 кВ при различных нагрузках. Для удовлетворения всех этих требований был разработан высоковольтный источник пи- тания с повышенной стабильностью выходных характеристик. Функциональная схема источ- ника питания показана на рис. 8. Преобразование сетевого напряжения в вы- соковольтное происходит с помощью инвер- тора с широтно-импульсной модуляцией, со- бранного по схеме «полный мост», высоко- вольтного трансформатора и двухполупери- одного выпрямителя со сложением напряже- ния. Уменьшение размеров и веса источника питания стало возможным благодаря работе на частоте 30 кГц, что позволило значитель- но уменьшить габариты повышающего транс- форматора. Далее для снижения уровня высо- кочастотных шумов расположены LC-фильтр и блок стабилизации на проходном MOSFET транзисторе. Блок стабилизации позволяет уменьшить пульсации высоковольтного на- пряжения до 50…100 мВ во всем диапазоне нагрузок 10…200 мА и ускоряющих напряже- ний 500…6000 В. Для защиты клинотрона от высоковольтных пробоев в источнике питания реализован дополнительный контур защиты от короткого замыкания (КЗ). Данный контур, помимо защиты внутренних цепей источника питания, разряжает на внутреннюю нагрузку энергию, запасенную в выходных конденсато- рах, тем самым максимально уменьшая энер- гию высоковольтного пробоя. Для питания цепей подогрева эмиттера кли- нотрона разработан источник питания накала с повышенным уровнем стабильности и низким уровнем шума. Источник питания накала за- щищен от перенапряжения и КЗ, а также имеет запрограммированный алгоритм включения и выключения накала, что позволяет максималь- но продлить срок службы электронной пушки. Все цепи источника питания ТГц-комплекса имеют дополнительную защиту от электромаг- нитных всплесков. Стабильность частоты и выходной мощнос- ти генерируемого излучения, помимо харак- теристик источника питания, зависит еще от многих факторов, таких как температура окру- жающей среды и охлаждающей жидкости, со- гласование клинотрона с внешней нагрузкой, изменение параметров нагрузки в процессе эксперимента и т. д. В связи с этим необходи- ма возможность дополнительной корректиров- ки высоковольтного напряжения и напряжения накала в источнике питания. Для осуществле- ния такой корректировки в течение длительно- го времени необходим дополнительный кон- троль параметров клинотрона и возможность управления источником питания от ПК. Для связи с ПК источник питания имеет ми- кропроцессор, который через протокол обще- ния управляет выходными параметрами источ- ника питания. Стабилизация частоты и мощности выход- ного излучения реализована с использованием Рис. 10. Источник питания высоковольтных и накальных цепей клинотрона (а). Компактный комплекс для генерации электромагнитного излучения ТГц-диапазона, включающий источник питания и генераторный блок, управляемый через ПК (б). а б 42 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. ПИД-регулировки ускоряющего напряжения и напряжения накала, как было показано в рабо- тах [53, 54]. Схема для ПИД-стабилизации по- казана на рис. 9. В данной схеме сигнал с электронного час- тотомера и измерителя мощности поступает в ПК, где сравнивается с заданными значениями. Далее разница между измеренными и задан- ными значениями подставляется в уравнение 0( ) ( )be t I I t  для определения вольт-добавки к ускоряющему напряжению для стабилизации частоты и добавки к напряжению накала для стабилизации мощности. 0 ( )( ) ( ) , t p i d de tI K e t K e d K dt      где ( )e t – разница между измеренным и задан- ным значением; ,pK ,iK dK – пропорциональ- ный, интегральный и дифференциальный ко- эффициенты соответственно; I – результиру- ющая добавка для стабилизируемой величины. Полученная поправка передается в высоко- вольтный источник питания, что приводит к кор- ректировке выходных напряжений источника. Разработанный высоковольтный источник питания и ТГц-комплекс изображены на рис. 10. В этом источнике возможно управление в руч- ном режиме и с ПК. Благодаря дополнитель- ному экранированию сильношумящих цепей и наличию дополнительной фильтрации входно- го и выходного напряжений, источник питания не создает электромагнитных помех, которые могут помешать работе высокоточного изме- рительного оборудования и других приборов. Масса источника питания для ТГц-комплекса не превышает 15 кг, габаритные размеры со- ставляют 200 × 400 × 400 мм. Выводы. Теоретические и эксперименталь- ные исследования процессов транспортировки интенсивных ЭП в слабо неоднородных магнит- ных фокусирующих полях, электронно-волно- вого взаимодействия ЭП с ВЧ-полями ЗС, рас- пространения поверхностных и высших волн, взаимной трансформации на неоднородностях электродинамической системы, а также иссле- дования омических ВЧ-потерь, вызванных ше- роховатостью поверхности ЗС и тепловым воз- действием со стороны падающего ЭП, позво- лили разработать пакетированные клинотроны в диапазоне частот до 410 ГГц. Для расчета частотных характеристик в ТГц- диапазоне частот модель электронно-волново- го взаимодействия клинотрона была дополнена учетом взаимного преобразования и отражений на неоднородностях электродинамической си- стемы распространяющихся поверхностной и высших волн. Для уточнения полученных результатов при- менены методы статистического анализа экспе- риментальных параметров известных клинотро- нов. Были установлены значения оптимального сдвига фаз колебаний на период ЗС, параметров пространственного заряда, длины и усиления по Пирсу в зависимости от частоты. Экспериментально получена генерация коле- баний в пакетированных клинотронах диапазо- на частот 120…410 ГГц. Продемонстрированы результаты исследования спектральных харак- теристик клинотронов на частотах до 410 ГГц. Показано отсутствие паразитных колебаний в соответствующих рабочих диапазонах. Также продемонстрирована кратковременная стабиль- ность частоты генерируемого излучения вели- чиной 8 МГц на частоте генерации клинотро- на 300 ГГц и определена нагруженная доброт- ность «горячей» электродинамической системы ТГц-клинотрона, которая составляет величину 256. Определены пути дальнейшей разработ- ки клинотронов ТГц-диапазона частот. Рас- смотрены вопросы создания эффективных ка- тодов, обеспечивающих стабильную работу электронно-оптической системы при ускоряю- щем напряжении до 6 кВ. Продемонстрирова- ны недостатки применяемой в настоящее вре- мя EDM технологии изготовления ЗС клино- тронов, заключающиеся в низкой чистоте по- верхностей. В частности показано, что в диапа- зоне частот 150…500 ГГц при улучшении суще- ствующей величины чистоты поверхности до 10 раз величина ВЧ-потерь снижается лишь на 5…6 %. Рассмотрены методы снижения влия- ния омических ВЧ-потерь на процесс электрон- но-волнового взаимодействия в клинотронах ТГц-диапазона путем применения многосту- пенчатых ЗС, а также систем с малым парамет- ром длины. ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 43 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Siegel P.H. THz technology: An overview. Int. J. High Speed Electron. Syst. 2003. Vol. 13, N 2. P. 351–394. 2. Romanenko S., Begley R., Harvey A.R., Hool L., Wallace V.P. The interaction between electromagnetic fi elds at megahertz, gigahertz and terahertz frequencies with cells, tissues and organisms: risks and potential. J. R. Soc. Interface. 2017. Vol. 14, N 137. P. 20170585. 3. Вертий А.А., Карнаухов И.М., Шестопалов В.П. Поляризация атомных ядер миллиметровыми волнами. Киев: Наук. думка, 1990. 232 с. 4. Idehara T., Kosuga K., Agusu L., Ikeda R., Ogawa I., Saito T., Matsuki Y., Ueda K., Fujiwara T. Continuously frequency tunable high power sub-THz radiation source − gyrotron FU CW VI for 600 MHz DNP−NMR spectroscopy. J. Infrared Millimeter Waves. 2010. Vol. 31, N 7. P. 775–790. 5. Yamazaki T., Miyazaki A., Suehara T., Namba T., Asai S., Kobayashi T., Saito H., Ogawa I., Idehara T., Sabchevski S. Direct observation of the hyperfi ne transition of ground-state positronium. Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108, N 25. P. 253401(5 p.). 6. Booske J.H., Dobbs R.J., Joye C.D., Kory C.L., Neil G.R., Park G.-S., Park J., Temkin R.J. Vacuum electronic high power terahertz sources. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1, N 1. P. 54–75. 7. Gorshunov B., Volkov A., Spektor I., Prokhorov A., Mukhin A., Dressel M., Uchida S., Loidl A. Terahertz BWO-spectrosopy. J. Infrared Millimeter Terahz Waves. 2005. Vol. 26, N. 9. P. 1217–1240. 8. Razavi B. A 300-GHz fundamental oscillator in 65-nm CMOS technology. IEEE J. Solid-State Circuits. 2011. Vol. 46, N 4. P. 894–903. 9. Terasense Group, Inc. Sub-Terahertz Sources. San Jose CA, USA 2018. URL: http://terasense.com/wp-content/ uploads/2018/02/Terahertz-Source-Datasheet.pdf 10. Virginia Diodes, Inc. VDI-733-Broadband-tripler-product-manual. Charlottesville VA, USA 2018. URL: http://www. datasheetarchive.com/whats_new/488be148cc0495e067ed3381eb6f74f0.html 11. Гершензон Е.М., Голант М.Б., Негирев А.А., Савельев В.С. Лампы обратной волны миллиметрового и субмилли- метрового диапазонов длин волн. Под ред. Н.Д. Девяткова. Москва: Радио и связь, 1985. 136 с. 12. Bratman V.L., Dumesh B.S., Fedotov A.E., Makhalov P.B., Movshevich B.Z., Rusin F.S. Terahertz orotrons and oromultipliers. IEEE Trans. on Plasma Science. 2010. Vol. 38, N 6. P. 1466–1471. DOI: 10.1109/TPS.2010.2041367. 13. Mizuno K., Ono S. and Shibata Y. Two diff erent mode interaction in electron tube with a Fabry-Perot resonator – The ledatron. IEEE Trans. Electron Devices. 1973. Vol. 20, N 8. Р. 749–752. 14. Вертий А.А., Ермак Г.П., Скрынник Б.К., Хлопов Г.И., Цвык А.И. Генераторы дифракционного излучения. Под ред. В.П. Шестопалова. Киев: Наук. думка, 1991. 320 c. 15. Левин Г.Я., Бородкин А.И., Кириченко А.Я., Чурилова С.А. Клинотрон. Под ред. А.Я. Усикова. Киев: Наук. думка, 1992. 157 с. 16. Лысенко Е.Е., Паньков С.В., Пишко О.Ф., Чумак В.Г., Чурилова С.А. Разработка клинотронов непрерывного действия для диапазона 400…500 ГГц. Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. T. 15, № 11. С. 63–71. 17. Ефимов Б.П. Многоволновый резонансный клинотрон миллиметрового диапазона. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2007. Т. 12, спецвып. С. 71–80. 18. Ponomarenko S.S., Kishko S.A., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N., Zavertanniy V.V., Lopatin I.V., Yefi mov B.P. 400 GHz continuous-wave clinotron oscillator. IEEE Trans. Plasma Sci. 2013. Vol. 41, N 1. P. 82–86. 19. Ponomarenko S.S., Kishko S.A., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N., Yefi mov B.P. Development of 94 GHz BWO –klynotron with 3-stage grating. Telecommunications and Radio Engineering. 2014. Vol. 73, N 3. P. 271–281. 20. Пономаренко С.С. Ефективність взаємодії електронних потоків з об’ємно-поверхневими полями в генераторах О-типу: дис. канд. фіз.-мат. наук: Ін-т радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України. Харків, 2014. 200 с. 21. Kovshov Y., Ponomarenko S., Kishko S., Vlasenko S., Lihachev A., Lukash A., Danik A., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N. 0.1–0.4 THz clinotron table-top modules for spectroscopy applications. IEEE Int. Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF 2017) (October 2017, Lviv): conf. proc. Lviv, 2017. DOI:10.1109/ysf.2017.8126665. 22. Kuleshov A., Ponomarenko S., Kishko S., Zavertanniy V., Khutoryan E., Yefi mov B. Sub-THz CW clinotron oscillators with increased output power. IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2014) (April 2014, Monterey CA): conf. proc. Monterey CA, 2014. DOI:10.1109/ivec.2014.6857496. 23. Бородкин А.И., Кириченко А.Я., Левин Г.Я. Об улучшении условий взаимодействия электронного потока с полем поверхностной волны в клинотроне при работе в слабо неоднородном магнитном поле. Труды Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. Харьков: ИРЭ АН УССР, 1961. Т. 9. С. 273–277. 24. Кириченко А.Я., Ефимов Б.П. К вопросу о работе ЛОВ О-типа с нежесткофокусированным электронным потоком в неоднородном магнитном поле. Труды Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. Харьков: ИРЭ АН УССР, 1967. Т. 15. С. 130–140. 25. Пономаренко С.С., Кишко С.А., Кулешов А.Н., Хуторян Э.М., Завертанный В.В, Кириченко Л.А., Тищенко А.С., Ефимов Б.П. Транспортировка нерелятивистских электронных потоков в слабонеоднородных магнитных фокусирующих полях клинотронов субмиллиметрового диапазона. Вестник ХНУ имени В.Н. Каразина. Сер. Радиофизика и электроника. 2012. Т. 21, № 1038. С. 77–82. 26. Завертанный В.В., Кишко С.А., Пономаренко С.С., Ефимов Б.П., Забродский А.Ф., Кириченко Л.А., Кудинова Т.В., Кулешов А.Н. Магнитная фокусирующая система интенсивных электронных пучков для клинотронов субмилли- метрового диапазона. Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2012. Т. 20, №. 5. С. 112–120. DOI: 10.18500/0869- 6632-2012-20-5-112-120. 44 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. 27. Molokovsky S.I., Sushkov A.D. Methods of fi elds calculations. Intense Electron and Ion Beams. Berlin, Germany: Springer, 2005. P. 27–45. 28. Poisson Superfi sh is a collection of programs for calculating static magnetic and electric fi elds and radio-frequency electromagnetic fi elds in either 2-D Cartesian coordinates or axially symmetric cylindrical coordinates. 2018. URL: http:// laacg.lanl.gov/laacg/services/download_sf.phtml 29. Ковшов Ю.С., Пономаренко С.С., Кишко С.А., Лихачев А.А., Власенко С.А., Завертанный В.В., Хуторян Э.М., Кулешов А.Н. Высокочастотные омические потери в клинотронах непрерывного действия терагерцевого диапазона частот. Радиофизика и электроника. 2017. Т. 8(22), № 1. С. 68–76. 30. Kirley M.P., Booske J.H. The physics of conductivity at terahertz frequencies. IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2015) (April 2015, Beijing): conf. proc. Beijing, 2015. DOI: 10.1109/IVEC.2015.7223746. 31. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Москва: Высшая школа, 1972. Т. 1. 405 с. 32. CST Computer Simulation Technology. CST Studio Suite. 2018. URL: https://www.cst.com/products/csts2 33. Woods A.J., Ludeking L.D., Cavey L.W., Rhoades D.L. MAGIC Build 3D graphical input builder. 19th IEEE Pulsed Power Conf. (PPC 2013) (March 2013, San Francisco CA): conf. proc. San Francisco CA, 2013. DOI:10.1109/ppc.2013.662760. 34. Вайнштейн Л.А. Солнцев В.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. Москва: Сов. радио, 1973. 593 с. 35. Levush B., Antonsen T.M., Bromborsky A., Lou W.R., Carmel Y. Theory of relativistic backward wave oscillator with end refl ections. IEEE Trans. Plasma Sci. 1992. Vol. 20, N 3. P. 263–280. 36. Гинзбург Н.С., Кузнецов С.П., Федосеева Т.Н. Теория переходных процессов в релятивистской ЛОВ. Изв. вузов. Радиофизика. 1978. Т. 21, № 7. С. 1052–1052. 37. Khutoryan E., Sattorov M., Lukin, K.A., Kwon O.-J., Min S.-H., Bhattacharya R., Baek I.-K., Seontae K., Yi M., So J., Park G.-S. Theory of multimode resonant backward-wave oscillator with an inclined electron beam. IEEE Trans. Electron Devices. 2015. Vol. 62, N 5. P. 1628–1634. 38. Амиров Р.Ш., Безручко Б.П., Булгакова Л.В., Захарченко Ю.Ф., Зборовский А.В., Исаев В.А., Кузнецов С.П., Сини- цын Н.И., Трубецков Д.И. (ред.), Шараевский Ю.П., Шевчик В.Н. (ред.). Электроника ламп с обратной волной. Саратов: Саратовский Университет, 1975. 195 с. 39. Евдокименко Ю.И., Лукин К.А., Шестопалов В.П. К двумерной нелинейной нестационарной теории генератора дифракционного излучения. Электронная техника. Электроника СВЧ. 1981. Т. 10, № 334. С. 35–40. 40. Ефимов Б.П., Кириченко А.Я., Бужинский А.П. Экспериментальное исследование влияния отражений на частотные характеристики ЛОВ миллиметрового диапазона. Труды Ин-та радиофизики и электрон. АН УССР. Харьков: ИРЭ АН УССР, 1967. Т. 15. С. 141–157. 41. Ефимов Б.П., Лукин К.А., Ракитянский В.А., Шестопалов В.П. Стохастическое взаимодействие мод в электронно- волновой автоколебательной системе с двумя каналами обртной связи. Письма в Журн. техн. физики. 1989. Т. 15, № 18. С. 9–12. 42. Ковшов Ю.С., Кишко С.А., Пономаренко С.С., Власенко С.А. Новикова-Коротун Ю.С., Завертанный В.В., Кулешов А.Н. Моделирование и экспериментальное исследование характеристик клинотронов непрерывного действия в диапазоне частот 125…135 ГГц. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 2. С. 45–52. 43. Ponomarenko S.S., Kovshov Y.S., Kishko S.A., Novikova-Korotun Y.S., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N. Development of compact CW clinotrons for DNP-NMR spectroscopy. 9th Int. Kharkiv Symp. Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW 2016) (June 2016, Kharkiv): conf. proc. Kharkiv, 2016. 44. Nusinovich G.S., Bliokh Yu.P. Mode interaction in backward-wave oscillators with strong end refl ections. Phys. Plasmas. 2000. Vol. 7, N 4. P. 1294–1301. 45. Пишко О.Ф., Чумак В.Г., Чурилова С.А. Электродинамические характеристики выходного устройства клинотрона. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2007. Т. 12, спецвып. С. 130–133. 46. Kovshov Y.S., Ponomarenko S.S., Kishko S.A., Likhachev A., Danik A., Mospan L., Steshenko S., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N. Demonstration of a mode transformation eff ect in 300-GHz CW clinotron. 17th Int. Conf. Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET 2018) (June 2018, Kyiv): conf. proc. Kyiv, 2018. DOI: 10.1109/MMET.2018.8460346. 47. Kovshov Y.S., Ponomarenko S.S., Kishko S.A., Likhachev A., Danik A., Mospan L., Steshenko S., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N. Eff ect of Mode Transformation in THz Clinotron. J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2018. Vol. 39, Iss. 11. P. 1055–1064. DOI: 10.1007/s10762-018-0534-y. 48. Kovshov Yu.S., Ponomarenko S.S., Kishko S.A., Khutoryan E.M., Kuleshov A.N. Numerical simulation and experimental study of Sub-THz and THz CW clinotron oscillators. IEEE Trans. Electron Devices. 2018. Vol. 65, N. 6. P. 2177–2182. 49. Лысенко Е.Е., Пишко О.Ф., Чурилова С.А. Экспериментальное исследование клинотрона с распределенным квазиоптическим выводом энергии. Радиофизика и радиоастрономия. 1999. Т. 4, № 1. С. 13–20. 50. Бородкин А.И., Бузик Л.М., Лысенко Е.Е. Исследование многоступенчатых замедляющих систем гребенчатого типа. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН УССР, 1980. 39 с. (Препринт АН УССР, Ин-т радиофизики и электроники; № 151). 51. Хуторян Э.М., Пономаренко С.С., Кишко С.А., Лукин К.А., Кулешов А.Н., Ефимов Б.П. Колебания в генераторе О-типа при возбуждении объемно-поверхностной моды резонатора с периодически неоднородной гребенкой. Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2013. Т. 21, №. 2. С. 9–19. 52. Kovshov Yu.S., Khutoryan E.M., Likhachev A.S., Ponomarenko S.S., Kishko S.A., Lukin K.A., Zavertanniy V.V., Kudinava T.V., Vlasenko S.A., Kuleshov A.N., Idehara T. Excitation of hybrid space-surface waves in clinotrons with non-uniform grating. J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2018. Vol. 39, N 3. P. 236–249. ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 45 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... 53. Idehara T., Kuleshov A.N., Ueda K., Khutoryan E.M. Power-stabilization of high frequency gyrotrons using a double PID feedback control for applications to high power THz spectroscopy. J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2014. Vol. 35, N 2. P. 159–168. 54. Ковшов Ю.С., Кишко С.А., Иванов А.И., Пономаренко С.С., Кулешов А.Н., Ефимов Б.П. Стабилизация частоты электромагнитных колебаний в ЛОВ-генераторах субмиллиметрового диапазона. Вестник ХНУ имени В.Н. Каразина. Сер. Радиофизика и электроника. 2013. Т. 23, № 1094. С. 77–83. Стаття надійшла 17.12.2018 REFERENCES 1. Siegel, P.H., 2003. THz technology: An overview. Int. J. High Speed Electron. Syst., 13(2), pp. 351–394. 2. Romanenko, S., Begley, R., Harvey, A.R., Hool, L., Wallace, V.P., 2017. The interaction between electromagnetic fi elds at megahertz, gigahertz and terahertz frequencies with cells, tissues and organisms: risks and potential. J. R. Soc. Interface, 14(137), pp. 20170585. 3. Vertiy, А.А., Karnaukhov, I.М., Shestoplov, V.P., 1990 Polarization of atomic nuclei using millimeter waves. Kiev: Naukova dumka Publ. (in Russian). 4. Idehara, T., Kosuga, K., Agusu, L., Ikeda, R., Ogawa, I., Saito, T., Matsuki, Y., Ueda, K., Fujiwara, T., 2010. Continuously frequency tunable high power sub-THz radiation source − gyrotron FU CW VI for 600 MHz DNP−NMR spectroscopy. J. Infrared Millimeter Waves, 31(7), pp. 775–790. 5. Yamazaki, T., Miyazaki, A., Suehara, T., Namba, T., Asai, S., Kobayashi, T., Saito, H., Ogawa, I., Idehara, T., Sabchevski, S., 2012. Direct observation of the hyperfi ne transition of ground-state positronium. Phys. Rev. Lett., 108(25), pp. 253401(5 p.). 6. Booske, J.H., Dobbs, R.J., Joye, C.D., Kory, C.L., Neil, G.R., Park, G.-S., Park, J., Temkin, R.J., 2011. Vacuum electronic high power terahertz sources. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 1(1), pp. 54–75. 7. Gorshunov, B., Volkov, A., Spektor, I., Prokhorov, A., Mukhin, A., Dressel, M., Uchida, S., Loidl, A., 2005. Terahertz BWO- spectrosopy. J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 26(9), pp. 1217–1240. 8. Razavi, B., 2011. A 300-GHz fundamental oscillator in 65-nm CMOS technology. IEEE J. Solid-State Circuits, 46(4), pp. 894–903. 9. TERASENSE GROUP, INC., 2018. Sub-Terahertz Sources. San Jose CA, USA. URL: http://terasense.com/wp-content/ uploads/2018/02/Terahertz-Source-Datasheet.pdf 10. VIRGINIA DIODES, INC., 2018. VDI-733-Broadband-tripler-product-manual. Charlottesville VA, USA. URL: http://www. datasheetarchive.com/whats_new/488be148cc0495e067ed3381eb6f74f0.html 11. Gershenzon, E.М., Golant, М.B., Negirev, A.А., Savel’ev, V.S., Devyatkov, N.D. ed., 1985. Millimeter and submillimeter backward wave oscillators. Moscow: Radio i svyaz’ Publ. (in Russian). 12. Bratman, V.L., Dumesh, B.S., Fedotov, A.E., Makhalov, P.B., Movshevich, B.Z., Rusin, F.S., 2010. Terahertz orotrons and oromultipliers. IEEE Trans. on Plasma Science. Vol. 38, N 6. pp. 1466–1471. DOI: 10.1109/TPS.2010.2041367 13. Mizuno, K., Ono, S. and Shibata, Y., 1991. Two diff erent mode interaction in electron tube with a Fabry-Perot resonator – The ledatron. IEEE Trans. Electron Devices, 20(8), pp. 749–752. 14. Vertiy, A.A., Ermak, G.P., Skrynnik, B.K., Khlopov, G.I., Tsvyk, A.I., Shestopalov, V.P. ed., 1991. Diff raction radiation oscillators. Kiev: Naukova dumka Publ. (in Russian). 15. Levin, G.Ya., Borodkin, А.I., Kirichenko, А.Ya., Churilova, S.А., Usikov, А.Ya. ed., 1992. Clinotron. Kiev: Naukova dumka Publ. (in Russian). 16. Lysenko, E.Е., Pan’kov, S.V., Pishko, О.F., Chumakov, V.G., Churilova, S.А., 2010. Development of CW clinotrons for the 400...500 GHz range. Elektromagnitnye volny I elektronnye sistemy, 15(11), pp. 63–71 (in Russian). 17. Yefi mov, B.P., 2007. Multi-wave resonant clinotron for millimeter range. In: V.M. Yakovenko, ed. 2007. Radiofi zika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ. 12(spec. iss.), pp. 71–80 (in Russian). 18. Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., Zavertanniy, V.V., Lopatin, I.V., Yefi mov, B.P., 2013. 400 GHz continuous-wave clinotron oscillator. IEEE Trans. Plasma Sci., 41(1), pp. 82–86. 19. Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., Yefi mov, B.P., 2014. Development of 94 GHz BWO– klynotron with 3-stage grating. Telecommunications and Radio Engineering, 73(3), pp. 271–281. 20. Ponomarenko, S.S., 2014. Interaction effi ciency of the electron beam with the volume-surface fi elds in O-type oscillators. PhD thesis ed., O.Ya. Usikov Institute for Radiphysics and Electronics, NASU (in Russian). 21. Kovshov Y., Ponomarenko, S., Kishko, S., Vlasenko, S., Lihachev, A., Lukash, A., Danik, A., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., 2017. 0.1–0.4 THz clinotron table-top modules for spectroscopy applications. In: IEEE Int. Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF 2017): conf. proc. Lviv, October. DOI:10.1109/ysf.2017.8126665. 22. Kuleshov, A., Ponomarenko, S., Kishko, S., Zavertanniy, V., Khutoryan, E., Yefi mov, B., 2014. Sub-THz CW clinotron oscillators with increased output power. In: IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2014): conf. proc. Monterey CA, April. DOI:10.1109/ivec.2014.6857496. 23. Borodkin, А.I., Kirichenko, А.Ya., Levin, G.Ya., 1961. Improving the conditions for the interaction of the electron beam with the surface wave fi eld in the clinotron when operating in a weakly inhomogeneous magnetic fi eld. In: A.Ya. Usikov, ed. 1961. Trudy Instituta radiofi ziki i elektroniki AN UkrSSR, 9, pp. 273–277 (in Russian). 24. Kirichenko, А.Ya., Yefi mov, B.P., 1967. On the question of the operation of an BWO O-type with a non-focused electron beam in a non-uniform magnetic fi eld. In: A.Ya. Usikov, ed. 1967. Trudy Instituta radiofi ziki i elektroniki AN UkrSSR, 15, pp. 130–140 (in Russian). 46 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. 25. Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Kuleshov, A.N., Khutoryan, E.М., Zavertanniy, V.V., Kirichenko, L.А., Tishchenko, А.S., Yefi mov, B.P., 2012. Transporting of the nonrelativistic electron beams in weak inhomogeneous magnetic focusing fi elds for submillimeter clinotrons. Karazin HNU Vestnik. Ser. Radiofi zika i elektronika, 21(1038), pp. 77–82 (in Russian). 26. Zavertanniy, V.V., Kishko, S.A., Ponomarenko, S.S., Yefi mov, B.P., Zabrodskiy, А.F., Kirichenko, L.А., Kudinova, T.V., Kuleshov, A.N., 2012. Magnetic focusing system for intense electron beams of submillimeter clinotrons. Prikladnaya nelineynaya dinamika. Commun. Syst., 20(5), pp. 112–120 (in Russian). DOI: 10.18500/0869-6632-2012-20-5-112-120. 27. Molokovsky, S.I., Sushkov, A.D. 2005. Methods of fi elds calculations. Intense Electron and Ion Beams. Berlin, Germany: Springer. 28. 2018. Poisson Superfi sh is a collection of programs for calculating static magnetic and electric fi elds and radio-frequency electromagnetic fi elds in either 2-D Cartesian coordinates or axially symmetric cylindrical coordinates. URL: http://laacg. lanl.gov/laacg/services/download_sf.phtml 29. Kovshov, Yu.S., Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Lihachev, А.А., Vlasenko, S.А., Zavertanniy, V.V., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., 2017. High frequency ohmic losses in terahertz frequency range CW clinotrons. Radiofi z. elektron., 8(22) (1), pp. 68–76 (in Russian). 30. Kirley, M.P., Booske, J.H., 2015. The physics of conductivity at terahertz frequencies. In: IEEE Int. Vacuum Electronics Conf. (IVEC 2015): conf. proc. Beijing, April. DOI: 10.1109/IVEC.2015.7223746. 31. Lebedev, I.B., 1972. Microwave equipment and devices. Moscow: Vysshaya shkola Publ. Vol. 1 (in Russian). 32. CST Computer Simulation Technology. 2018. CST Studio Suite. URL: https://www.cst.com/products/csts2 33. Woods, A.J., Ludeking, L.D., Cavey, L.W., Rhoades, D.L., 2013. MAGIC Build 3D graphical input builder. In: 19th IEEE Pulsed Power Conf. (PPC 2013): conf. proc. San Francisco CA, March. DOI:10.1109/ppc.2013.662760. 34. Weinshtein, L.А., Solntsev, V.А., 1973. Lectures on microwave electronics. Moskow: Sovetskoe radio Publ. (in Russian). 35. Levush, B., Antonsen, T.M., Bromborsky, A., Lou, W.R., Carmel, Y., 1992. Theory of relativistic backward wave oscillator with end refl ections. IEEE Trans. Plasma Sci., 20(3), pp. 263–280. 36. Ginsburg, N.S., Kuznetsov, S.P., Fedoseeva, Т.N., 1978. Theory of transients in a relativistic BWO. Radiofi zika. Commun. Syst., 21(7), pp. 1052–1052 (in Russian). 37. Khutoryan, E., Sattorov, M., Lukin, K.A., Kwon, O.-J., Min, S.-H., Bhattachary, A.R., Baek, I.-K., Seontae, K., Yi, M., So, J., Park, G.-S., 2015. Theory of multimode resonant backward-wave oscillator with an inclined electron beam. IEEE Trans. Electron Devices, 62(5), pp. 1628–1634. 38. Amirov, R.Sh., Bezruchko, B.P., Bulgakova, L.V., Zakharchenko, Yu.F., Zborovskiy, A.V., Isaev, V.A., Kuznetsov, S.P., Sinitsyn, N.I., Trubetskov, D.I. (ed.), Sharaevskiy, Yu.P., Shevchik, V.N. (ed.), 1975. Electronics backward wave oscillators. Saratov: Saratov University Publ. (in Russian). 39. Yevdokimenko, Yu.I., Lukin, K.A., Shestopalov, V.P., 1981. On the two-dimensional nonlinear unsteady-state theory of diff racion-radiation oscillator. Elektronnaya Tekhnika. Elektronika SVCH, 10(334), pp. 35–40 (in Russian). 40. Yefi mov, B.P., Kirichenko, А.Ya., Buzhinsky, А.P., 1967. Experimental study of the infl uence of refl ections on the frequency characteristics of BWO in millimeter range. In: A.Ya. Usikov, ed. 1967. Trudy Instituta radiofi ziki i elektroniki AN UkrSSR, 15, pp. 141–157 (in Russian). 41. Yefi mov, B.P., Lukin, K.A., Rakitianskii, V.A., Shestopalov, V.P., 1989. Stochastic mode interaction in an electron-wave self- oscillating system with two feedback channels. Pis’ma Zh. Tekh.Fiz., 15(18), pp. 9–12 (in Russian). 42. Kovshov, Yu.S., Kishko, S.A., Ponomarenko, S.S., Vlasenko, S.А., Novikova-Korotun, Yu.S., Zavertanniy, V.V., Kuleshov, A.N., 2016. Simulation and experimentalResearch on CW Klynotron in Frequency Range 125–135 GHz. Radiofi z. elektron., 7(21)(2), pp. 45–52 (in Russian). 43. Ponomarenko, S.S., Kovshov, Yu.S., Kishko, S.A., Novikova-Korotun, Yu.S., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., 2006. Development of compact CW clinotrons for DNP-NMR spectroscopy. In: 9th Int. Kharkiv Symp. Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW 2016): conf. proc. Kharkiv, June. DOI: 10.1109/ msmw.2016.7538043. 44. Nusinovich, G.S., Bliokh, Yu.P., 2000. Mode interaction in backward-wave oscillators with strong end refl ections. Phys. Plasmas, 7(4), pp. 1294–1301. 45. Pishko, О.F., Chumak, V.G., Churilova, S.А., 2007. Electrodynamic characteristics of the output device of the clinotron. In: V.M. Yakovenko, ed. 2007. Radiofi zika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine. 12(spec. iss.). pp. 130–133 (in Russian). 46. Kovshov, Yu.S., Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Likhachev, A., Danik, A., Mospan, L., Steshenko, S., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., 2018. Demonstration of a mode transformation eff ect in 300-GHz CW clinotron. In: 17th Int. Conf. Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET 2018): conf. proc. Kyiv, June. DOI: 10.1109/MMET.2018.8460346. 47. Kovshov, Yu.S., Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Likhachev, A., Danik, A., Mospan, L., Steshenko, S., Khutoryan, E.М., Kuleshov, A.N., 2018. Eff ect of Mode Transformation in THz Clinotron. J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 39(11), pp. 1055–1064. DOI: 10.1007/s10762-018-0534-y. 48. Kovshov, Yu.S., Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Khutoryan, E.M., Kuleshov, A.N., 2018. Numerical simulation and experimental study of Sub-THz and THz CW clinotron oscillators. IEEE Trans. Electron Dev., 65(6), pp. 2177–2182. 49. Lysenko, Ye.Ye., Pishko, O.F., Churilova, S.A., 1999. Experimental Research of Clinotron with Distributed Quasioptical Power Output. Radio phys. radio astron., 4(1), pp 13–20 (in Russian). 50. Borodkin, А.I., Buzik, L.М., Lysenko, E.Е., 1980. The study of multi-stage slow wave systems grating type. Preprint Institute for radiophysics and electronics AS UkrSSR. No 151. Kharkov: Institute for radiophysics and electronics Publ. (in Russian). ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 24, № 2 47 Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов... 51. Khutoryan, E.М., Ponomarenko, S.S., Kishko, S.А., Lukin K.A., Kuleshov A.N., Efi mov B.P., 2013. Autooscillations in O-type oscillator at excitation of space-surface mode in resonator with a periodically inhomogeneous grating. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Prikladnaya nelineynaya dinamika, 21(2), pp. 9–19 (in Russian). 52. Kovshov, Yu.S., Khutoryan, E.M., Likhachev, A.S., Ponomarenko, S.S., Kishko, S.A., Lukin, K.A., Zavertanniy, V.V., Kudinova, T.V., Vlasenko, S.A., Kuleshov, A.N., Idehara, T., 2018. Excitation of hybrid space-surface waves in clinotrons with non-uniform grating. J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 39(3), pp. 236–249. 53. Idehara, T., Kuleshov, A.N., Ueda, K., Khutoryan, E.M., 2014. Power-stabilization of high frequency gyrotrons using a double PID feedback control for applications to high power THz spectroscopy. J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 35(2), pp. 159–168. 54. Kovshov, Yu.S., Kishko, S.A., Ivanov, А.I., Ponomarenko, S.S., Kuleshov, A.N., Yefi mov, B.P., 2013. Stabilization of radiation frequency in submillimeter wavelenght range BWO-oscillators. Karazin HNU vestnik. Ser. Radiofi zika i elektronika, 23(1094), pp. 77–83 (in Russian). Received 17.12.2018 A.A. Likhachev 1, A.A. Danik 1, Yu.S. Kovshov 1, S.A. Kishko 1, S.S. Ponomarenko 1, E.M. Khutoryan 1, A.M. Kuleshov 1, A.S. Tischenko 1 , V.V. Zavertanniy 1, A.F. Zabrodskiy 1, S.M. Terekhin 1, T.V. Kudinova 1, L.A. Kirichenko 1, L.A. Galushko 1, Yu.S. Klescheva 1, G.S. Bezrodnaya 1, S.A. Vlasenko 1,2 1 O.Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics NAS of Ukraine 12, Acad. Proskura St., Kharkov, 61085, Ukraine 2 V.N. Karazin Kharkiv National University 4, Svobody Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine DEVELOPMENT OF COMPACT GENERATOR COMPLEXES BASED ON TERAHERTZ CLINOTRONS IN O.Ya. USIKOV IRE NAS OF UKRAINE Subject and purpose. This paper deals with the results, those were recently obtained in Vacuum Electronics Department of O.Ya. Usikov Institute of Radio Physics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, in the development of compact complexes generating electromagnetic radiation in the terahertz frequency range. These complexes are intended to carry out experimental researches in the fi eld of nuclear magnetic resonance spectroscopy using the dynamic nuclear polarization technique. Methods and methodology. In order to simulate the frequency characteristics, the model of the beam-wave interaction was improved by taking into account mutual transformations and refl ections of the surface and highest waves in clinotron electromagnetic system. The methods of statistical analysis of the experimental data of developed and tested clinotrons were applied to clarify the obtained results. The values of the space charge, the oscillation optimum phase shift for the SWS period, the length and Pierce gain parameter were determined in respect to the operating frequency. Results. Theoretical and experimental investigation results of the intense electron beams transport in weakly inhomogeneous magnetic focusing fi elds have been obtained; the interaction of EB with RF fi elds of SWS was studied; the propagation of surface and highest waves and their mutual transformations on in homogeneities of clinotron electromagnetic systems were simulated; and also the RF ohmic losses caused by the surface roughness of the SWS and thermal eff ects caused by falling EB were studied. The generation of oscillations in packaged clinotrons in the frequency range 120…410 GHz was experimentally obtained. The developed systems demonstrate the frequency stability of the generated electromagnetic radiation at a level of 1...30 ppm in the frequency range of 120...410 GHz and provide levels of output power about 100 mW at a frequency of 300 GHz. Conclusions. The ways of both output power and stability increase in THz clinotrons are proposed. Methods for a reduction of the eff ect of RF ohmic losses on the effi ciency of beam-wave interaction in THz clinotrons by using multi-stage SWS and electromagnetic systems with a small length parameter have been investigated. Key word: clinotron, terahertz radiation, DNP-NMR spectroscopy, high-voltage power supplies, RF ohmic losses, slow-wave system. 48 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 24, No. 2 А.А. Лихачев, А.А. Даник, Ю.С. Ковшов и др. О.О. Ліхачев 1, О.О. Данік 1, Ю.С. Ковшов 1, С.О. Кишко 1, С.С. Пономаренко 1, Е.М. Хуторян 1, О.М. Кулешов 1, А.С. Тищенко 1 , В.В. Завертанний 1, О.Ф. Забродський 1, С.М. Терехин 1, Т.В. Кудінова 1, Л.О. Кириченко 1, Л.О. Галушко 1, Ю.С. Клещева 1, Г.С. Безродна 1, С.О. Власенко 1,2 1 Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України 12, вул. Акад. Проскури, Харків, 61085, Україна 2 Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна 4, майдан Свободи, Харків, 61022, Україна РОЗРОБЛЕННЯ КОМПАКТНИХ ГЕНЕРАТОРНИХ КОМПЛЕКСІВ НА ОСНОВІ КЛИНОТРОНІВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДІАПАЗОНУ В ІРЕ ім. О.Я. УСИКОВА НАН УКРАЇНИ Предмет і мета роботи. У статті викладено результати, які були досягнуті останнім часом у відділі вакуумної електро- ніки Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України при створенні компакт- них комплексів для генерації електромагнітного випромінювання в терагерцовому (ТГц) діапазоні частот. Ці комплекси використовують клинотрони як генератори електромагнітних коливань і призначені для проведення експериментальних досліджень в області спектроскопії ядерного магнітного резонансу із застосуванням техніки динамічної поляризації ядер. Методи і методологія роботи. Для розрахунку частотних характеристик модель електронно-хвильової взаємодії клинотрона було доповнено алгоритмом урахування взаємних перетворень і відбиттів на неоднорідностях електроди- намічної системи поширюваних поверхневої і вищих хвиль. Для уточнення отриманих результатів застосовано методи статистичного аналізу експериментальних параметрів відомих клинотронів. Встановлено значення оптимального зсуву фаз коливань на період сповільнювальної системи (СС), параметрів просторового заряду, довжини СС і посилення за Пірсом залежно від частоти. Результати роботи. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження процесів транспортування інтенсивних електронних пучків (ЕП) у слабонеоднорідних магнітних фокусуючих полях, електронно-хвильової взаємодії ЕП з ви- сокочастотними (ВЧ) полями СС, поширення поверхневих і вищих хвиль, їх взаємної трансформації на неоднорідностях електродинамічної системи. Досліджено омічні ВЧ-втрати, що викликані шорсткістю поверхні СС і тепловим впливом з боку падаючого ЕП. Експериментально отримано генерацію коливань у пакетованих клинотронах у діапазоні частот від 120 до 410 ГГц. Розроблені комплекси демонструють стабільність частоти генерованого електромагнітного випромі- нювання на рівні 1...30 мд у діапазоні частот 120...410 ГГц і забезпечують рівень вихідної потужності близько 100 мВт на частоті 300 ГГц. Висновок. Запропоновано шляхи підвищення потужності і стабільності генерації клинотронів ТГц-діапазону частот. Розглянуто методи зниження впливу омічних ВЧ-втрат на процес електронно-хвильової взаємодії в клинотронах ТГц-ді- апазону шляхом застосування багатоступеневих СС, а також систем з малим параметром довжини. Ключові слова: клинотрон, терагерцове випромінювання, динамічна поляризація ядер, ядерно-магнітний резонанс, спектроскопія, високовольтні джерела живлення, високочастотні омічні втрати, сповільнювальна система.

Разработка компактных генераторных комплексов на основе клинотронов терагерцевого диапазона в ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины

Institution

Similar Items