Бородкін А. В., Онищенко І. Н., Сотников Г. В., Хорунжий В. М. ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» Академічна, 1, Харків 61108, Україна


Анотація Проведено теоретичне дослідження коаксіальної лампи на зворотному хвилі, що використовує резонанс електронного пучка із зворотного хвилею на нормальному ефекті Доплера (гіро-ЛОВ). Побудована лінійна теорія збудження. Знайдена залежність величин стартових струмів генерації від довжини коаксіального хвилеводу і енергії пучка електронів.

I. Вступ

Гіро-ЛОВ є ВЧ-генератором, в якому використовується взаємодія електронного пучка із зворотного хвилею, порушуємо на нормальному ефекті Доплера. Перші дослідження можливості генерації ВЧ-коливань в гіро-пристроях були представлені в [1]. Вельми активно в даний час проводяться експериментальні дослідження гіро-ЛОВ [2-5]. Сучасний стан приведено в оглядах [7-8]. Гіро-генератори дозволяють отримати великі значення потужності генерованого випромінювання до ~ 1 ГВт (10 ГГц) в імпульсному [4] та 340 кВт (28 ГГц) в безперервному [6, 7] режимах. Отримане ВЧ випромінювання може бути використано, наприклад, для ЕЦР (електронного циклотронного резонансу) нагрівання плазми для керованого синтезу, зв’язку з далеким космосом, спектроскопічних досліджень, радарів високого дозволу та ін

Теоретичні дослідження для гіро-ЛОВ в лінійному [8-10] та нелінійному [11] наближеннях проведені для круглого і прямокутного хвилеводів.

У цій роботі розглядається гіро-ЛОВ генератор, який використовує коаксіальний хвилевід. Вибір коаксіального хвилеводу пов’язаний з тим, що граничний струм і ккд в коаксіальному хвилеводі вище в порівнянні з іншими дослідженими типами хвилеводів [12].

У представленому тут доповіді наведені результати лінійного наближення. Знайдено стартові струми і частоти генерації в залежності від довжини коаксіального хвилеводу і енергії пучка електронів.

Електронний пучок і хвилевід незалежно підтримують коливання які можуть бути описані дисперсійними співвідношеннями відповідно

Рис. 2. Залежність стартового струму ist (суцільна лінія) і частоти ш (переривчаста лінія) від релятивістського фактора у при довжині коаксіального хвилеводу гіро-ЛОВ рівною L = 100cm

Fig. 2. Starting current 1st (solid line) and frequency ш (dash line) against reiativistic factor у at coaxial waveguide length L = 100 cm

Залежності стартового струму /st і частоти ш від релятивістського фактора у при довжині коаксіального хвилеводу гіро-ЛОВ рівній / _ = 100см представлені на рис. 2. При збільшенні релятивістського фактора у = (1.1 * 2) відбувається збільшення в кінцевому підсумку стартового струму ist = (11-і5) А і зменшення частоти генерації о) = (186 – * -84) х109 рад / сек при зміні розладу в межах \ / = (-0.0025-;–0.008).

Наведені залежності для стартового струму 1st, частоти генерації ш і розладу v показують їх суттєву залежність від довжини системи L і енергії пучка електронів £ Отримані результати досліджень в лінійному наближенні дають можливість сформулювати конкретні вимоги до струму пучка електронів, коаксіальному волноводу та постійному магнітному полю Але для реалізації генерації в гіро-ЛОВ на заданій частоті ш.

I. Список літератури

1. Гапонов А. В., Петелин М. І., Юлпатов В. К.

Изв. вузів. РФ, 10, № № 9,10, 1967, стор 1414-1453.

2. М. A. hasten, W. С. Guss, К. Е. Kreischer, М. Caplan.

Int. J. Infrared and Millimeter Waves, 16 , pp. 880-805 (1995).

3.     C. S. Kou, S. H. Chen, L. R. Barnett, K. R. Chu.

Phys. Rev. Lett., 70, N 7, pp. 924-927 (1993).

4.     V. L. Bratman, A. E. Fedotov, A. V. Savilov. A new type of gyro-BWO (gyro-BWT-TWT). — Conf. Digest 24th Int.

Conf. On Infrared and Millimeter Waves, 1999, Monterey, California, USA, TH-E6.

5.     K. Kamada, K. Nawashiro, C.-Y. Lee, H. Yoshida, S. Kawasaki, R. Ando, M. Masuzaki. Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 21 , pp. 1441-1449 (2000).

6.     M. Thumm. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers. Update 2000. FZKA 6588, Forschungszentrum Karlsruhe, 2001.

7. K.L. Felch, B. G. Danly, H. R. Jory, К. E. Kreischer,

W. Lawson, B. Levush, R. J. Temkin. Proc. ofthe IEEE, 1999, 87, pp. 752-781.

8.     S. Y. Park, V. L. Granatstein, R. K. Parker. Int. J. Electronics, 1984, 57, N 6, pp. 1109-1123 (1984).

9.     J. M. Wachtel, E. J. Wachtel. Appl. Phys. Lett. 37(12), pp. 1059-1061 (1980).

10.   C. S. Kou. Phys. Plasmas, 1, N 9, pp. 3093-3099 (1994)

11. A. До Ganguly and S. Ahn. Intl. J. of Electronics. 67, N 2, pp. 261-276 (1989).

12.   V. E. Zapevalov, V. I. Khizhnyak, M. A. Moiseev,

A. V. Pavelyev, N. I. Zavolsky. Advantages of coaxial cavity gyrotrons. — V International Workshop “Strong Microwaves in Plasmas” (Abstracts). Nizhny Novgorod, Russia, August 1-9, 2002, S1.

STARTING CURRENTS IN COAXIAL GYRO-BWO

A. Borodkin, V. Khoruzhiy, I. Onishchenko, G. Sotnikov National Science Center "Kharkov Institute of Physics and Technology"

Academicheskaya str.,1, Kharkov 61108, Ukraine

Abstract -We conducted theoretical investigation of coaxial BWO, operating at resonance of relativistic electron beam (REB) with back wave on the normal Doppler effect (gyroBWO). Linear theory of exciting process is presented. The dependence of starting current values upon the coaxial waveguide length and the electron beam energyis investigated.

Побудована лінійна теорія збудження. Знайдена залежність величин стартових струмів генерації від довжини коаксіального хвилеводу і енергії пучка електронів.

I.  Introduction

The gyro-BWO is a HF oscillator in which a REB coupling with a backward wave on normal Doppler effect is used. The first research of gyro-devices was proposed in IAP (Nizhy Novgorod, Russia). Gyro-BWO allows to generate HF radiation power (up to ~1 GW at 10 GHz in short pulse and 340kW at 28 GHz in CW regime . Possible applications ofthe HF radiation of obtained levels are the followings: electronic cyclotron resonance heating of plasma for controlled fusion, communication, spectroscopic researches, high-resolution radars etc.

II.  Main part

Analytical investigations for gyro-BWO in linear and nonlinear approximations have been carried out only for circular and rectangular waveguides. In this paper the case of coaxial waveguide is investigated for gyro-BWO elaboration. The choice of it is conditioned by more value of vacuum limiting current of REB for the coaxial waveguide comparatively to the other types of waveguide. Besides, in some recently appeared numerical and experimental researches of coaxial gyrotrons it was shown that coaxial device possesses the additional capability of increasing its efficiency by applying independently an appropriate constant voltage to outer and inner cylinders. Inner radius of the coaxial waveguide was taken 6=0.9cm, outer radius a = 3cm, the inner radius ofthe annular electron beam is Rbi =1 ,6cm , its outer radius is Rbe =2.3cm. Length ofthe coaxial waveguide was L=100cm

The results of coaxial gyro-BWO investigation in linear approximation are presented. Starting currents and eigen frequencies of HF-generation in dependence on the coaxial waveguide length and the electron beam energy are obtained.

III.  Conclusion

Obtained expressions for the starting current /ї, Eigen frequency ш and detuning v demonstrate their essential dependence to the system length L and electron beam energy S. The obtained results of the researches in a linear approximation enable to formulate the concrete requirements to the electron beam current, length of the coaxial waveguide and constant magnetic field for operation of powerful gyro-BWO at given frequency u>.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.