в д Еремка, М А Копоть, О П Кулагін,

Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України, вул Академіка Проскури, 12, м Харків, 61085, Україна E-mail: yeryomka@irekharkov иа В Д Науменко Інститут радіоастрономії НАН України вул Червонопрапорна, 4, Харків, 61002, Україна E-mail: naumenko @ rian kharkov иа

1                                      Введення

Електромагнітні коливання в інтервалі частот (0,1 – 10,0) ТГц відносять до діапазону терагерц В останні роки здійснюється як пошук нових принципів генерації та посилення електромагнітного випромінювання в зазначеному діапазоні, так і вдосконалення за допомогою сучасних нанотехнологій відомих вакуумних джерел міліметрових хвиль, зокрема, відбивних кпістронов, ЛОВ, оротрона [1-7] В інтервалі частот (0,1-0,3) ТГц створені і знаходять широке застосування магнетрони поверхневої хвилі (МПВ) як з термоелектронним, таки з холодним катодом [8-13]

Метою даної роботи є дослідження за допомогою чисельного моделювання можливості створення малогабаритних імпульсних МПВ з холодним катодом на ТГц – частотах Такі джерела з вихідною потужністю сотні мВт – одиниці кВт можуть знайти застосування, наприклад, при створенні радарів з високою роздільною здатністю, а також у техніці настільних прискорювачів заряджених частинок, в лініях звязку між надшвидкодіючі компютерами, в ТГц-пристроях виявлення хімічних і біологічних реагентів

2                              Основна частина

21         Результати розробки МПВ діапазону ТГц в ІРЕ ім А Я Усикова НАНУ і Радіоастрономічному інституті НАНУ МПВ з термоелектронним катодом були створені в ІРЕ ім А Я Усикова НАН України в 60-х роках XX століття під керівництвом І Д Трутня в інтервалі частот (0,1-0,375) ТГц Параметри цих магнетронов представлені в табл1 Параметри МПВ з холодним вторинно-емісійним катодом (ВЕК) і бічним додатковим термокатодом (ДТК), створених в ІРЕ НАНУ в інтервалі частот (01-015) ТГц під керівництвом І М Вигдорчик в 70-х роках представлені в табл2 (№ 1,2, а створені в РІ НАНУ під керівництвом В Д Науменко в 1985 – 2005 рр (№ 3, 4)

22         3-D моделювання МПВ ТГц діапазону За допомогою розробленої математичної 3-D моделі проведено тестування характеристик створених МПВ діапазону ТГц з термоелектронним катодом Проведені чисельні експерименти, дозволяють перевірити адекватність створеної математичної моделі процесів електронно-хвильової взаємодії в схрещених полях фізичним процесам в реальних МПВ Результати тестування МПВ з термоелектронним катодом, проведеного з метою отримання відповідей на ключові питання, що стосуються концепції МПВ діапазону ТГц з оптимальними умовами для ефективної взаємодії, що проявляються в їх вихідної потужності, ккд, стабільності роботи, представлені на рис1 і в табл1 Порівняння результатів експерименту фізичного (ЕФ) і експерименту чисельного (ЕЧ) показують, що застосування 3-D моделі МПВ буде корисним при розробці експериментальних зразків МПВ субміліметрового діапазону хвиль

Рис 1 Зміна вихідної потужності МПВ із зростанням числа NSHF періодів НВЧ коливань на частоті 0,24 ТГц (чисельний експеримент)

Fig 1 Variations in the SWM output power for a growing number NSHF of microwave oscillation periods

at the 024GHz frequency (numerical experiment)

Ha рис2 представлені результати тестування експериментального зразка МПВ, що генерує на частоті 0375 ТГц Результати фізичного і чисельного експерименту (табл1) мають задовільний відповідність

3-D модель МПВ діапазону ТГц з холодним вторічноеміссіонним катодом знаходиться в стадії розробки

23 МПВ діапазону ТГц на просторових гармоніках в режимі дрейфово-орбітального резонансу Проведена аналітична оцінка реалізації МПВ діапазону ТГц, що працюють на просторових гармоніках в режимі орбітальнодрейфового резонансу Оцінки на основі концепції дрейфово-орбітальних резонансів показують, що для порушення автоколебаний в приладах М-типу діапазоні ТГц перспективно застосування високоорбітних електронних пучків, формованих бічній гарматою [14] На рис 3 представлена ​​залежність робочої різниці потенціалів і ^ [в) при числі варіацій поля р = 27 (число резонаторів N = 36) = 1,0 мм

= 0,45 / 1 = 1,25 мм для високоорбітного

дрейфово-орбітального резонансу в схрещених полях при п = 1 (безперервна лінія 1) Робоча мода

– Ν/4-2 (π / 2-режим) Крупним штрихом на

рісЗ позначена – парабола 2 критичних режимів Халла, дрібним штрихом 3 – потенціал формування високоорбітного електронного пучка [14,15]: Значення Ua (В) розраховано за формулою:

Як бачимо результати даної аналітичної оцінки характеристик МПВ-ТЧ на частоті 0,24 ТГц не мають суттєвих розбіжностей з результатами фізичного і чисельного експерименту (рис1, Табл1)

На рис4 представлені результати оцінки режиму роботи МПВ, розроблюваного для – генерації випромінювання на частоті 0,263 ТГц з вихідною потужністю (05-1,0) кВт при P = 2Q (N = 36) ^ ^ = 1,0 мм

РісЗ, 4 ілюструють перевага застосування високоорбітних електронних потоків в приладах М-типу У порівнянні з існуючими МПВ мм і субмм діапазону при ідентичному числі резонаторів ЗС анодного блоку взаємодія обертового трубчастого пучка з полем в режимі дрейфово-орбітального резонансу може бути реалізовано при істотно менших анодній напрузі (майже в 1,5 рази) і магнітному полі (в 3 рази)

Рис 3 Залежність для високоорбітного

режиму дрейфово-орбітального резонансу в МПВ при п = 1 (безперервна лінія)

Штрихова лінія – парабола відсічення Халла Трикутником позначений режим роботи МПВ

Fig 3 The (5) dependence for the large-orbit mode

of drift-orbital resonance in SWMs at n=1 (continuous cun/e) The dashed line shows the Hull cutoff parabola The triangle denotes the SWM operating mode (A=125mm, Ua=15kV, B=101T)

Puc 4 Залежність високоорбітного

режиму дрейфово-орбітального резонансу в МПВ при п = 1 (безперервна лінія) Штрихова лінія – парабола відсічення Халла Трикутником позначений режим роботи експериментального зразка МПВ

Fig 4 The (5) dependence for the large-orbit mode

of drift-orbital resonance in SWMs at n=1 (continuous cun/e) The dashed line shows the Hull cutoff parabola The triangle denotes the SWM operating mode (A=114mm, Ua=15kV, B=11T)

III                                  Висновок

за допомогою чисельного моделювання визначено орієнтовні параметри МПВ субміллі-метрового діапазону Про достовірність створених 3 – D моделей імпульсних МПВ свідчать задовільні результати тестування діючих лабораторних макетів МПВ діапазону ТГц з термоелектронного катодами

Створені 3-D моделі можуть бути застосовані при розробці малогабаритних МПВ діапазону ТГц з холодним вторічноеміссіонним катодом

Концепція дрейфово-орбітальних резонансів в МПВ також дозволяє тестувати основні параметри МПВ діапазону ТГц І може бути застосована при створенні магнетронов субміліметрового діапазону хвиль на просторових гармоніках

IV                         Список літератури

[1] Електроніка та радіофізика міліметрових і субміл-ліметрових радіохвиль / Под ред А Я Усикова – Київ: Наук, думка, 1986-336с

[2] Лампи зворотної хвилі міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль / Є М Гершензон,

М Б Голант, А А Негірев, В С Савельєв Под ред

Н Д Девяткова М: Радіо і звязок 1985 136 с

[3] Клінотрон I Г Я Левін, А І Бородкін,

А Я Кириченко А Я Усиков С А Чурилова I Под ред

А Я Усикова АН України ІРЕ -Київ: Наукова думка

1992 200с

[4] VI Bratman, В S Dumesh, А Е Fedotov, F S Rusln «Millimeter and Submillimeter Wave Orotron with Broadband Frequency Tuning» The 28th Int Conf on Infrared and Millimeter Waves Conf Dig Ed: N Hiromoto Shiga Japan, pp257-258, 2003

[5]           R Lawrence Ives «Microfabrication of High-Frequency Vacuum Electron Devices» IEEE Trans On Plasma Science/Vol32, No3, pp1277-1291, 2004

[6]           Seong-Tae-Han, Seok-Gy Jeon, Yeong-Mln Shin, Kyu-Ha Jang, JIn-kyu So, Jong-Hyun Kim, Suk-Sang Cnang, and

Gun-Sik Park «Experimental investigations on IVIiniaturized High-Frequency Vacuum Electron Devices», IEEE Trans On Plasma Science/Vol33, No2, pp679-684, 2005

[7]               K H Jang, S G Jeon, J K So, J I Kim, Y M Sliin,

J 14 Won and G S Park «Experimental investigations on High Order Mode Reflex Klystron using cold cathode»

IVEC / IVESC 2006 Conf Dig Monterey, CA, USA, April 25-27,2006 -P 189-190

[8] Еремка В Д, Кулагін О П, Науменко В Д «Розробка та дослідження магнетронов в Інституті радіофізики та електроніки ім А Я Усикова і Радіоастрономічному інституті НАН України »Радіофізика та електроніка – Харків: Ін-т радіофізики та електроніки НАН України Том 9 Спец вип pp 42-67, 2004

. Гоіцаенко С В, Еремка В Д, Копоть М А, Кулагін О П, Науменко В Д, Суворов А Н «Многорезона-торні магнетрони з холодним вторинно-емісійним катодом: досягнення, проблеми , перспективи » Радіофізика і електроніка – Харків: Ін-т радіофізики та електроніки НАН України – 2005 Т10, спец вип С 3-37

[9] Naumenko VD, Suvorov А N, and Sirov А P «Tunable magnetron of a two-millimeter-wavelength band» / Microwave and Optical Technology Letters – 1996 – 12, No3 – P 129-131

[10]         Naumenko V D, Schunemann K and VavrivD M «Miniature 1 kW, 95 GHz magnetrons» Electronics Letters- 1999, V 35, No22/- – P 1960-1961

2003 Моісеєнко AE, Науменко В Д, Суворов А Н, Сиров А Р «Магнетрон на частоту 94 ГГц з великим терміном служби» / Радіофізика та радіоастрономія – 8, № 4 – С 421-428

[11] Naumenko VD, Semenuta V У, VavrivD М, and Voikov V А «ММ-wave transmitters using magnetrons with cold secondary-emission cathode» Proc of MSMW98 Symposium Kharkov, Ukraine, September 15- 17- 1998-P76-81

[12]         Kuiagin O P, Yeryomka V D «The Large-Orbit M-type Oscillator with the Adiabatic Electron-Optical System» IEEE Trans Plasma Science -2002 -vol30 No 6 – P2107-2112

[13]         Kuiagin O P, Yeryomka V D «Optimal Conditions for Drift-Orbital Resonance in M-type Devices» IEEE Trans Plasma Science, vol32, 3, pp 1181-1186, June, 2004

SURFACE-WAVE MAGNETRONS: ELECTROMAGNETIC RADIATION OSCILLATORS IN THZ RANGE

V D Yeryomka, M A Kopot’, O P Kulagin Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine,

12 Akademika Proskury St, Kharkiv, 61085, Ukraine e-mail: yeryomka@ire kharkov ua

V D Naumenko Institute of Radio Astronomy,

National Academy of Sciences of Ukraine,

4 Krasnoznamennaya St, Kharkiv, 61002, Ukraine e-mail: naumenko@rian kharkov ua

Surface-wave magnetrons (SWM) having both thermionic and cold cathodes [5-9] have been developed and find extensive applications in the 01·ί·03ΤΗζ frequency range

The present paper is focused on the possibility of designing small-size pulsed cold-cathode SWMs for THz frequencies using 3D numerical simulation Such sources with an output power varying between hundreds of mW and units of kW may be employed, for example, in the development of high- resolution radars, as well as in the desktop charged-particle accelerator technology, in communication links between ultraspeed computers, and in THz devices to detect chemical and biological agents

The results of numerical SWM-TF concept analysis which has been performed to address the key issues related to the oscillator design, its output power, efficiency, and operating stability are shown in Figures 1 and 2 The mm-and submm SWMs designed under the supervision of Dr ID Truten at the Usikov IRE NASU in the 1960s have been tested using the developed 3D model Results of physical (ФЕ) and numerical (ЧЕ) experiments are presented in Table 1

Figures 3 and 4 illustrate the advantage of using high-orbit electron beams in M-type devices compared to the existing mm- and submm SWMs having the identical number of cavities in the anode unit slow-wave structure The interaction between the rotating tubular beam and microwave field in the drift-orbital resonance mode may be achieved at significantly lower (almost 15 times) anode voltages and at three times weaker magnetic fields

Таблиця 1 / Table 1

Робоча частота,

ТГц

Число

резонаторів,

N

Число

варіацій,

Р

Робоче

напруга,

кВ

Робочий струм, А

Робоче магнітне поле, Тл

Вихідні

потужність

кВт,

ККД,

%

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

0,1

0,1

24

15

20

0,625

30

12

0,136

28

13

12,4

12,5

0,8

9,0

5,8

0,24

0,24

36

36

27

27

15

15

12

12

101

11

1,0

1,1

0,375

0,375

44

44

35

35

12

114

14

14,5

11

114

1,0

1,0

0,6

0,6

Таблиця 2 / Table 2

N

Робоча частота, ГГц

Число резонаторів,

N

Число

варіацій,

Р

Робоча напруга, кВ

Робочий струм, А

Робоче магнітне поле, Тл

Вихідна

потужність

кВт,

ККД,

%

ФЕ

Ч

Е

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

ФЕ

ЧЕ

1

0,1

24

18

18

16

0,750

23

8

2

0,136

28

21

12,7

11,5

0,800

10

7

3

0,1

24

19

13,3

8,5

0,700

14

12

4

0,1

28

22

6,5

5,0

0,750

1

3

Рис2 Зміна з ростом числа NSHF періодів СВЧ коливань: а) – робочого струму

Б) – вихідний потужності: В) – ККД

Fig 2 Variations in microwave oscillation periods with a growing number of NSHF:

A) operating current B) output power C) efficiency

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р