vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-3-358-367vestift-396Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGИсследование перестраиваемого гиротрона на конусообразном волноводеInvestigation of tunable gyrotron on a cone-shaped waveguideКолосовС. В.KolosovS. V.

Колосов Станислав Васильевич – доктор физико- математических наук, профессор кафедры вычислительных методов и программирования.

Stanislaw V. Kolosov – D. Sс. (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Computational Methods and Programming.

6, P. Brovka Str., 220013, Minsk

kolosov@bsuir.byЗапеваловВ. Е.ZapevalovV. E.

Запевалов Владимир Евгеньевич – доктор физико- математических наук, профессор, заведующий лабораторией гиротронов для термоядерных исследований.

Ул. Ульянова, 46, БОКС-120, 603950, Нижний Новгород

Vladimir E. Zapevalov –  D. Sс. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Gyrotron Laboratory for Thermo nuclear Research.

46, Ulyanov Str., BOX-120, 603950, Nizhny Novgorod

zapev@appl.scinnov.ruЗайцеваИ. Е.ZaitsevaI. E.

Зайцева Ирина Евгеньевна – исследователь, ассистент кафедры вычислительных методов и программирования.

Irina E. Zaitseva – Researcher, Assistant of the Department of Computational Methods and Programming.

6, P. Brovka Str., 220013, Minsk

irina_zaitseva@list.ruБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsИнститут прикладной физики, Российская академия наукInstitute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences201801112018633358367Copyright © Колосов С.В., Запевалов В.Е., Зайцева И.Е., 20182018Колосов С.В., Запевалов В.Е., Зайцева И.Е.Kolosov S.V., Zapevalov V.E., Zaitseva I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/396

Приводятся результаты расчетов нелинейной модели перестраиваемого по частоте гиротрона на конусообразном волноводе и основной волне TE01. Показано, что диапазон перестройки может достигать 2,8 %. Чтобы расширить данную полосу, необходимо удлинить конусообразную часть волновода без изменения угла увеличения радиуса волновода.

Волновой КПД расширяющегося вдоль оси волновода составляет 21 % на рабочей частоте 10 ГГц. Чтобы достичь данных показателей, необходимо электромагнит гиротрона разделить на две части – основной электромагнит и вспомогательный, который имеет ограниченную длину и может перемещаться вдоль волновода. Второй магнит можно выполнить в виде набора отдельных электромагнитов ограниченной длины. Набор электромагнитов должен заполнять всю длину конусообразного волновода. Выполнение данного условия позволит перемещать резонансное магнитостатическое поле вдоль волновода путем переключения тока в катушках указанного набора электромагнитов, что позволит исключить механическое перемещение вспомогательного электромагнита. На частоте 200 ГГц волновой КПД уменьшается до 15 %, при этом омические потери в стенках волновода составляют 3 % от мощности электронного потока.

Была исследована зависимость КПД гиротрона от начального углового разброса скоростей электронов, сделан вывод о том, что начальный угловой разброс скоростей электронов очень слабо влияет на КПД перестраиваемого гиротрона.

Волновой КПД сужающегося по длине волновода может достигать 29 % на частоте 200 ГГц, омические потери в стенках медного волновода составляют 4 % от мощности электронного потока. Расчеты показали, что гиротронная лампа обратной волны с сужающимся вдоль оси волноводом более эффективна, чем вариант гиротронной лампы бегущей волны. Однако в обоих вариантах синхронное значение магнитостатического поля должно смещаться вдоль оси в зависимости от требуемой рабочей частоты, иначе происходит или перегруппировка электронного потока, или обратная отдача энергии высокочастотным полем электронному потоку.

The results of calculations of a nonlinear model of a tunable frequency gyrotron on a cone-shaped waveguide and the main wave TE01 are presented. It is shown that the adjustment range can reach 2.8 %. To extend this band, it is necessary to lengthen the cone-shaped part of the waveguide without changing the angle of increase in the radius of the waveguide.

The wave efficiency of a waveguide expanding along the axis is 21 % at a working frequency of 10 GHz. To achieve these parameters, it is necessary to divide the gyrotron electromagnet into two parts – the main electromagnet and auxiliary one, which has a limited length and can move along the waveguide. The second magnet can be made in the form of a set of individual electromagnets of limited length the set of electromagnets must fill the entire length of the cone-shaped waveguide. The fulfillment of this condition will allow to move the resonant magnetostatic field along the waveguide by switching the current in the coils of this set of electromagnets, which will exclude the mechanical movement of the auxiliary electromagnet. At a frequency of 200 GHz, the wave efficiency is reduced to 15 %, while the ohmic losses in the walls of the waveguide are 3 % of the power of the electron beam.

The dependence of the gyrotron efficiency on the initial angular spread of electron velocities was investigated. It was concluded that the initial angular spread of the electron velocities has very little effect on the efficiency of the tunable gyrotron.

The wave efficiency of a waveguide narrowing in length can reach 29 % at a frequency of 200 GHz, ohmic losses in the walls of a copper waveguide amount to 4 % of the power of the electron beam. Calculations have shown that a lamp backward wave gyrotron with a waveguide narrowing along the axis is more efficient than the version of the gyrotron traveling wave tube. However, in both cases, the synchronous value of the magnetostatic field must be displaced along the axis, depending on the required operating frequency, otherwise there occurs either a rearrangement of the electron beam or a return of the energy to the high-frequency field by the electron beam.

перестраиваемый гиротронконусообразный волноводКПДэлектронный потокнелинейная модельtunable gyrotroncone-shaped waveguideefficiencyelectron flownonlinear modelReferencesГапонов, А. В. Мазеры на циклотронном резонансе / А. В. Гапонов, М. И. Петелин, В. К. Юлпатов // Изв. вузов. Радиофизика. – 1967. – Т. 10, № 9/10. – С. 1414–1453.Gaponov A. V., Petelin M. I., Yulpatov V. K. Mathers at cyclotron resonance. Izvestiya vuzov. Radiofizika [News of Universities. Radiophysics], 1967, vol. 10, no. 9–10, pp. 1414–1453 (in Russian).Братман, В. Л. Теория гиротронов с низкодобротными электродинамическими системами / В. Л. Братман, М. А. Моисеев, М. И. Петелин // Гиротрон: сб. науч. тр. – Горький: ИПФ АН СССР, 1981. – C. 122–145.Bratman V. L., Moiseev M. A., Petelin M. I. The theory of gyrotrons with low-QD electrodynamic systems. Girotron: sbornik nauchnyh trudov [Gyrotron: collection of scientific papers]. Gorky: Institute of Applies Physics of the Academy of Scien ces of the USSR, 1981, pp. 122–145 (in Russian).Братман, В. Л. Перестройка частоты в гиромонотроне с электродинамической системой в виде конического волновода / В. Л. Братман, С. Л. Новожилов, М. И. Петелин // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. – 1976.– № 11. – C. 46–49.Bratman V. L., Novozhilov S. L., Petelin M. I. Frequency tuning in a gyromonotron with an electrodynamic system in the form of a conical waveguide. Elektronnaya tekhnika. Seriya 1, Elektronika SVCh [Electronic Engineering. Series 1: Micro wave electronics], 1976, no. 11, pp. 46–49 (in Russian).Колосов, С. В. Компьютерная программа Gyro-K для разработки и проектирования гирорезонансных приборов / С. В. Колосов, И. Е. Зайцева // СВЧ электроника. – 2017. – № 2.– C. 44–46.Kolosov S. V., Zaitseva I. E. Computer program Gyro-K for the development and design of gyro-resonance devices. SVCh elektronika [Microwave Electronics], 2017, no. 2, pp. 44–46 (in Russian).Колосов, С. В. Уравнения возбуждения нерегулярных волноводов с конечной проводимостью стенок / С. В. Колосов, А. А. Кураев, А. В. Сенько // Техника и приборы СВЧ. – 2009. – № 2. – C. 8–13.Kolosov S. V., Kuraev A. A., Sen’ko A. V. Equations of excitation of irregular waveguides with finite wall conductivity. Tekhnika i pribory SVCh [Appliances and Devices of Microwave], 2009, no. 2. pp. 8–13 (in Russian).Свешников, А. Г. К обоснованию метода расчета распространения электромагнитных колебаний в нерегулярных волноводах / А. Г. Свешников // Журн. вычисл. математики и мат. физики. – 1963. – Т. 3, № 2. – C. 314–326.Sveshnikov A. G. To the substantiation of the method for calculating the propagation of electromagnetic oscillations in irregular waveguides. Zhurnal vychislitel’noi matematiki i matematicheskoi fiziki [Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics], 1963, vol. 3, no. 2, pp. 314–326 (in Russian).Никольский, В. В. Теория электромагнитного поля / В. B. Никольский. – М.: Высш. шк., 1961. – 372 с.Nikol’skii V. V. Theory of the electromagnetic field. Moskow, Vysshaya shkola Publ., 1961. 372 p. (in Russian).Ландау, Л. Д. Теоретическая физика: в 10 т. / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. – М.: Наука, 1988. – Т. 2: Теория поля. – 512 с.Landau L. D., Lifshits E. M. Theoretical physics. Volume 2: Field theory. Moskow, Nauka Publ., 1988. 512 p. (in Rus sian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.