СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ГИРОТРОНА ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНЕГО МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ИЛИ ОТРАЖЕННОЙ ОТ НАГРУЗКИ ВОЛНЫ: ОБЗОР
Образец для цитирования:
В работе исследована проблема захвата частоты гиротрона внешней монохроматической волной и стабилизация частоты гиротрона волной, отраженной от нерезонансной или резонансной нагрузки. Хотя в последние десятилетия воздействие внешнего монохроматического сигнала или отраженной волны на режим работы гиротрона исследовалось в ряде публикаций, конкретные схемы стабилизации частоты гиротрона не обсуждались. Задача стабилизации частоты сигналом, попадающим в резонатор из внешнего электродинамического тракта, стала особенно актуальной после разработки в Институте прикладной физики РАН квазиоптического преобразователя, который позволяет трансформировать большую часть поступающей из выходного тракта волны в рабочую моду мощного гиротрона.
В работе используется приближение фиксированной продольной структуры поля, справедливое при достаточно высокой добротности резонатора гиротрона. Указанное приближение позволяет получить аналитически ряд результатов для задачи о воздействии отраженной волны. При численном моделировании влияния внешнего монохроматического сигнала это приближение позволяет рассмотреть взаимодействие нескольких мод гиротрона, включая моды неэквидистантного спектра, частота которых существенно (вплоть до ширины полосы циклотронного резонанса) отличается от частоты рабочей моды. Численное моделирование воздействия внешнего сигнала и отраженной волны проведено на примере мегаваттного гиротрона с рабочей частотой 170 ГГц.
Построены области одномодовой одночастотной генерации на частоте внешнего сигнала (зоны захвата). Сценарий изменения во времени параметров электронного пучка на входе в пространство взаимодействия был близким к реально применяемому для достижения высоких КПД в данном гиротроне. В режиме захвата многомодового гиротрона могут достигаться более высокие значения КПД, а ширина полосы перестройки частоты генерации возрастает в несколько раз по сравнению с автономным режимом. Показано, что при воздействии отраженной волны на гиротрон частота генерации может удерживаться внутри узкой полосы, равной для нерезонансного отражателя расстоянию между модами длинной линии, а для резонансного – полосе внешнего резонатора. При этом автономная частота может варьировать в гораздо более широком интервале, в 5–6 раз превышающем интервал изменения частоты излучения.
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что воздействие внешнего монохроматического сигнала или узкополосной отраженной волны является перспективным способом стабилизации частоты гиротрона.
1. Litvak A., Denisov G., Myasnikov V., Tai E., Azizov E., Ilin V. Development in Russia of megawatt power gyrotrons for fusion // International Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2011. Vol. 32, Issue 3. P. 337–342.
2. Khutoryan E.M., Idehara T., Kuleshov A.N., Tatematsu Y., Yamaguchi Y., Matsuki Y., Fujiwara T. Stabilization of gyrotron frequency by PID feedback control on the acceleration voltage // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2015. Vol. 36, Issue 12. P. 1157–1163.
3. Idehara T., Mitsudo S., Ogawa I. Development of high-frequency, highly stable gyrotrons as millimeter to submillimeter wave radiation sources // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. Vol. 32, Issue 3. P. 910–916.
4. Голубятников Г.Ю., Крупнов А.Ф., Лубяко Л.В., Лучинин А.Г., Павельев А.Б., Петелин М.И., Fernandez Curto A. Прецизионное управление частотой гиротрона с помощью фазовой автоподстройки частоты // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, вып. 15. С. 13–17.
5. Glyavin M., Luchinin A., Morozkin M. The Ka-band 10-kW continuous wave gyrotron with wide-band fast frequency sweep // Review of Scientific Instruments. 2012. Vol. 83, Issue 7. P. 074706(1)–074706(3).
6. Ергаков В.С., Моисеев М.А., Хижняк В.И. К теории синхронизации МЦР-монотрона // Радиотехника и электроника. 1978. № 12. С. 2591–2599.
7. Nusinovich G.S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. Baltimore: The Johns Hopkins University Press, 2004. 335 p.
8. McCurdy A.H., Armstrong C.M. Mode selection by application of an external signal in an overmoded gyrotron oscillator // Physical Review Letters. 1988. Vol. 61, Issue 20. P. 2316–2319.
9. Antonsen T.M., Cai S.Y., Nusinovich G.S. Effect of window reflection on gyrotron operation // Phys. Fluids B. 1992. Vol. 4, Issue 12. P. 4131–4139.
10. Airila M., Dumbrajs O., Kall P., Piosczyk B. Influence of reflections on the operation of the 2 MW, CW 170 GHz coaxial cavity gyrotron for ITER // Nuclear Fusion. 2003. Vol. 43, Issue 11. P. 1454–1457.
11. Гинзбург Н.С., Глявин М.Ю., Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Моисеев М.А., Новожилова Ю.В. Использование отражения с запаздыванием для получения автомодуляционных и стохастических режимов генерации в гиротронах миллиметрового диапазона // Письма в ЖТФ. 1998. T. 24, № 11. С. 53–59.
12. Dumbrajs O., Idehara T., Watanabe S., Kimura A., Sasagawa H., Agusu L., Mitsudo S., Piosczyk B. Reflections in gyrotrons with axial output // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. Vol. 32, Issue 3. P. 899–902.
13. Borie E. Effect of reflection on gyrotron operation // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. Vol. 49, Issue 7. P. 1342–1345.
14. Grudiev A., Schunemann K. Nonstationary behavior of a gyrotron in the presence of reflections // Int. J. IRMM Waves. 2003. Vol. 24, Issue 4. P. 429–449.
15. Glyavin M.Yu., Zapevalov V.E. Reflection influence on the gyrotron oscillation regimes // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1998. Vol. 19, Issue 11. P. 1499–1511.
16. Dumbrajs O. Influence of possible reflections on the operation of European ITER gyrotrons // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2010. Vol. 31, Issue 8. P. 892–898.
17. Новожилова Ю.В., Рыскин Н.М., Чумакова М.М. Влияние отражения от удалённой нагрузки на конкуренцию мод в гиротроне квазиоптическим выходным преобразователем // Изв. вузов. ПНД. 2012. Т. 20, № 6. С. 136–147.
18. Батанов Г.М., Колик Л.В., Новожилова Ю.В., Петелин М.И., Петров А.Е., Сарксян К.А., Скворцова Н.Н., Харчев Н.К. Реакция гиротрона на слабое от- ражение волн от плазмы, промодулированное низкочастотными колебаниями // ЖТФ. 2001. Т. 71, вып. 5. С. 90–95.
19. Chirkov A.V., Denisov G.G., and Kuftin A.N. Perspective gyrotron with mode converter for co- and counter-rotation operating modes // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 106. P. 263501. DOI: 10.1063/1.4923269
20. Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V. Time-domain self-consistent theory of frequency-locking regimes in gyrotrons with low-Q resonators // Physics of Plasmas. 2015. Vol. 22. P. 033101-1-5.
21. Зотова И.В., Гинзбург Н.С., Денисов Г.Г., Розенталь Р.М., Сергеев А.С. Режимы захвата и стабилизации частоты генерации в мощных гиротронах с низкодобротными резонаторами // Изв. вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 9. С. 759–769.
22. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Стабилизация частоты и фазы многомодового гиротрона мегаваттного уровня мощности внешним сигналом // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, № 9. С. 41–47.
23. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Зоны захвата частоты многомодового гиротрона мегаваттного уровня мощности внешним сигналом // Изв. вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 12. С. 999–1011.
24. Melnikova M.M., Rozhnev A.G., Ryskin N.M., Tyshkun A.V., Glyavin M.Yu., Novozhilova Yu.V. Frequency stabilization of a 0.67-THz gyrotron by self-injection locking // IEEE Transactions on Electron Devices. 2016. Vol. 63, Issue 3. P. 1288–1293. DOI:10.1109/TED.2015.2512868
25. Глявин М.Ю., Денисов Г.Г., Кулыгин М.Л., Мельникова М.М., Новожилова Ю.В., Рыскин Н.М. Стабилизация частоты гиротрона слабой отраженной волной // Изв. вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 9. С.747–758.
26. Бакунин В.Л., Денисов Г.Г., Новожилова Ю.В. Влияние конкуренции мод на режим захвата частоты многомодового гиротрона внешним монохроматическим сигналом // Изв. вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59, № 8–9. С. 709–719.
27. Myasnikov V., Agapova M., Kuftin A., et.al. Progress of 1.5–1.7 MW/170 GHz gyrotron development // Proc. 38th Int. Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-Thz 2013). Mainz on the Rhine, Germany, 2013. TU1–6.
28. Новожилова Ю.В., Рыскин Н.М., Усачева С.А. Нестационарные процессы в генераторе с запаздывающим отражением от нагрузки // ЖТФ. 2011. Т. 81, вып. 9. С. 16–22.
29. Ищенко А.С., Новожилова Ю.В., Петелин М.И. Теория захвата генератора ванн дер Поля запаздывающим отражением от резонансной нагрузки // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 6. С. 537–551.
30. Novozhilova Yu.V., Ischenko A.S. Analytical theory of an RF generator phase-locked by the resonant load with delayed reflection // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2011. Vol. 32, Issue 12. P. 1394–1406.
31. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 560 с.
32. Ланда П.С. Нелинейные колебания и волны. М.: Наука, Физматлит. 1997. 496 с.
33. Новожилова Ю.В. Параметрическая неустойчивость в генераторе с запаздывающим отражением от нагрузки. Часть I. Теория // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2011. Т. 19, № 2. С. 112–127.
34. Новожилова Ю.В., Сергеев А. С., Усачева С.А. Параметрическая неустойчивость в генераторе с запаздывающим отражением от нагрузки. Часть II. Численное исследование // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2011. Т. 19, № 2. С. 128–140.
35. Ковалев Н.Ф., Новожилова Ю.В., Петелин М.И. Диффузионная связь бочкообразного резонатора с соосным волноводом // Изв. вузов. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 10–11. С. 875–884.
36. Моисеев М.А., Нусинович Г.С. К теории многомодовой генерации в гиромонотроне // Изв. вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17, № 11. C. 1709–1717.
37. Nusinovich G.S. Mode interaction in gyrotrons // Int. Journal of Electronics. 1981. Vol. 51, Issue 4. P. 457–474.
38. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: АН СССР. 1961. 216 с.
39. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. 440 с.
40. Nusinovich G., Danly B., Levush B. Gain and bandwidth in stagger-tuned gyroklystrons // Phys. Plasmas. 1997. Vol. 4, Issue 2. P. 469–478.
41. Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980. 360 с.
42. Yakunina K.A., Kuznetsov A.P., Ryskin N.M. Injection locking of an electronic maser in the hard excitation mode // Physics of Plasmas. 2015. Vol. 22, Issue 11. P.:113107-1-9. DOI: 10.1063/1.4935847
43. Перегородова Е.Н., Усачева С.А., Рыскин Н.М. К теории вынужденной синхронизации автомодуляционных колебаний // Нелинейная динамика. 2012. T. 8, № 5. С. 913–929.
44. Половков И.П. Стабилизация частоты генераторов СВЧ внешним объемным резонатором. М.: Сов. Радио, 1967. 192 c.
45. Козорезов Г.Г. Магнетроны с ферритовой развязкой для электронных ускорителей // Вакуумная СВЧ электроника: Сборник обзоров. Нижний Новгоррод: Институт прикладной физики РАН, 2002. С. 67.
46. Kazakevich G.M., Jeong Y.U. Stabilization of the microtron-injector for a wide-band compact FIR // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. Sec. A. 2004. Vol. A528, Issue 1/2. P. 115.
47. Li H., Abraham N.B. Analysis of the noise spectra of a laser diode with optical feedback from a high-finesse resonator // IEEE J. Quant. Electron. 1989. Vol. 25, Issue 8. P. 1782–1793.
48. Ораевский А.Н., Яровицкий А.В., Величанский В.Л. Стабилизация частоты излучения полупроводникового лазера модой шепчущей галереи // Квантовая электроника. 2001. Т. 31, № 10. C. 897–903.
49. Danilov Y., Denisov G., Khozin M., Panin A., Rodin Yu. Millimeter-wave tunable notch filter based on waveguide extension for plasma diagnostics // IEEE Trans. On Plasma Sci. 2014. Vol. 42, Issue 6. P. 1685–1689.
BibTeX
author = {Юлия Владимировна Новожилова and Григорий Геннадьевич Денисов and Михаил Юрьевич Глявин and Никита Михайлович Рыскин and Владимир Лазаревич Бакунин and Александр Александрович Богдашов and Мария Михайловна Мельникова and Андрей Павлович Фокин},
title = { СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ГИРОТРОНА ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНЕГО МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО СИГНАЛА ИЛИ ОТРАЖЕННОЙ ОТ НАГРУЗКИ ВОЛНЫ: ОБЗОР},
year = {2017},
journal = {Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика},
volume = {25},number = {1},
url = {https://old-andjournal.sgu.ru/ru/articles/stabilizaciya-chastoty-girotrona-pod-vliyaniem-vneshnego-monohromaticheskogo-signala-ili},
address = {Саратов},
language = {russian},
doi = {10.18500/0869-6632-2017-25-1-5-34},pages = {4--34},issn = {0869-6632},
keywords = {Гиротрон,стабилизация частоты,запаздывающее отражение,захват частоты монохроматическим сигналом},
abstract = {В работе исследована проблема захвата частоты гиротрона внешней монохроматической волной и стабилизация частоты гиротрона волной, отраженной от нерезонансной или резонансной нагрузки. Хотя в последние десятилетия воздействие внешнего монохроматического сигнала или отраженной волны на режим работы гиротрона исследовалось в ряде публикаций, конкретные схемы стабилизации частоты гиротрона не обсуждались. Задача стабилизации частоты сигналом, попадающим в резонатор из внешнего электродинамического тракта, стала особенно актуальной после разработки в Институте прикладной физики РАН квазиоптического преобразователя, который позволяет трансформировать большую часть поступающей из выходного тракта волны в рабочую моду мощного гиротрона. В работе используется приближение фиксированной продольной структуры поля, справедливое при достаточно высокой добротности резонатора гиротрона. Указанное приближение позволяет получить аналитически ряд результатов для задачи о воздействии отраженной волны. При численном моделировании влияния внешнего монохроматического сигнала это приближение позволяет рассмотреть взаимодействие нескольких мод гиротрона, включая моды неэквидистантного спектра, частота которых существенно (вплоть до ширины полосы циклотронного резонанса) отличается от частоты рабочей моды. Численное моделирование воздействия внешнего сигнала и отраженной волны проведено на примере мегаваттного гиротрона с рабочей частотой 170 ГГц. Построены области одномодовой одночастотной генерации на частоте внешнего сигнала (зоны захвата). Сценарий изменения во времени параметров электронного пучка на входе в пространство взаимодействия был близким к реально применяемому для достижения высоких КПД в данном гиротроне. В режиме захвата многомодового гиротрона могут достигаться более высокие значения КПД, а ширина полосы перестройки частоты генерации возрастает в несколько раз по сравнению с автономным режимом. Показано, что при воздействии отраженной волны на гиротрон частота генерации может удерживаться внутри узкой полосы, равной для нерезонансного отражателя расстоянию между модами длинной линии, а для резонансного – полосе внешнего резонатора. При этом автономная частота может варьировать в гораздо более широком интервале, в 5–6 раз превышающем интервал изменения частоты излучения. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что воздействие внешнего монохроматического сигнала или узкополосной отраженной волны является перспективным способом стабилизации частоты гиротрона. Скачать полную версию }}