• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

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

Рубрика: 
ВАКУУМНАЯ И ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Лихачев, АА, Данник, АА, Ковшов, ЮС, Кишко, СА, Пономаренко, СС, Хуторян, ЭМ, Кулешов, АН, Тищенко, АС, Завертанный, ВВ, Забродский, АФ, Терехин, СН, Кудинова, ТВ, Кириченко, .А, Галушко, ЛА, Клещева, ЮС, Безродная, ГС, Власенко, СА
Organization: 

Институт радиофизики и электроники А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина

Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61077, Украина
E-mail: jeanalexkh@gmail.com
https://doi.org/10.15407/rej2019.02.033
Язык: русский
Аннотация: 

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.

Методы и методология работы. Для расчета частотных характеристик модель электронно-волнового взаимодействия клинотрона дополнена алгоритмом учета взаимных преобразований и отражений на неоднородностях электродинамической системы, распространяющихся поверхностной и высших волн. Для уточнения полученных результатов применены методы статистического анализа экспериментальных параметров известных клинотронов. Установлены значения оптимального сдвига фаз колебаний на период замедляющей системы (ЗС), параметров пространственного 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 взаимной трансформации на неоднородностях электродинамической системы. Исследованы омические ВЧ-потери, вызванные 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 взаимодействия в клинотронах ТГц-диапазона путем применения многоступенчатых ЗС, а также систем с малым параметром длины.
Ключевые слова: высоковольтные источники питания, высокочастотные омические потери, динамическая поляризация ядер, замедляющая система, клинотрон, спектроскопия, терагерцевое излучение, ядерно-магнитный резонанс

Статья поступила в редакцию 17.12.2018
УДК: 621.385.6
Radiofiz. elektron. 2019, 24(2): 33-48
Полный текст (PDF)

References: 
  1. Siegel P.H. THz technology: An overview. Int. J. High Speed Electron. Syst. 2003. Vol. 13, N 2. P. 351–394. DOI: https://doi.org/10.1142/S0129156403001776.
  2. Romanenko S., Begley R., Harvey A.R., Hool L., Wallace V.P. The interaction between electromagnetic fields 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 hyperfine 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-Datashe...
  10. Virginia Diodes, Inc. VDI-733-Broadband-tripler-product-manual. Charlottesville VA, USA 2018. URL: http://www.datasheetarchive.com/whats_new/488be148cc0495e067ed3381eb6f74...
  11. Гершензон Е.М., Голант М.Б., Негирев А.А., Савельев В.С. Лампы обратной волны миллиметрового и субмиллиметрового 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 different 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., Yefimov 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., Yefimov 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., Yefimov 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 субмиллиметрового диапазона. Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2012. Т. 20, №. 5. С. 112–120. DOI: 10.18500/0869-6632-2012-20-5-112-120.
  27. Molokovsky S.I., Sushkov A.D. Methods of fields calculations. Intense Electron and Ion Beams. Berlin, Germany: Springer, 2005. P. 27–45.
  28. Poisson Superfish is a collection of programs for calculating static magnetic and electric fields and radio-frequency electromagnetic fields 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: Советское 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 reflections. 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., Синицын 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. DOI: 10.1109/msmw.2016.7538043.
  44. Nusinovich G.S., Bliokh Yu.P. Mode interaction in backward-wave oscillators with strong end reflections. 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 effect 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. Effect 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.
  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.