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

Розроблення компактних генераторних комплексів на основі клинотронів терагерцового діапазону в ІРЕ ім. О. Я. Усикова НАН України

Рубрика: 
ВАКУУМНА ТА ТВЕРДОТІЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА
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, ЛА, Галушко, ЛА, Клещева, ЮС, Безродная, ГС, Власенко, СА
Organization: 

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України
12, вул. Акад. Проскури, Харків, 61085, Україна

Харківський національний університет імені В. Н. Каразина
4, м. Свободи, Харків, 61077, Україна
E-mail: jeanalexkh@gmail.com
https://doi.org/10.15407/rej2019.02.033
Мова: російська
Анотація: 

Предмет і мета роботи. У статті викладено результати, які були досягнуті останнім часом у відділі вакуумної електроніки Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України при створенні компактних комплексів для генерації електромагнітного випромінювання в терагерцовому (ТГц) діапазоні частот. Ці комплекси використовують клинотрони як генератори електромагнітних коливань і призначені для проведення експериментальних досліджень в області спектроскопії ядерного магнітного резонансу із застосуванням техніки динамічної поляризації ядер.

Методи і методологія роботи. Для розрахунку частотних характеристик модель електронно-хвильової взаємодії клинотрона було доповнено алгоритмом урахування взаємних перетворень і відбиттів на неоднорідностях електродинамічної системи поширюваних поверхневої і вищих хвиль. Для уточнення отриманих результатів застосовано методи статистичного аналізу експериментальних параметрів відомих клинотронів. Встановлено значення оптимального зсуву фаз коливань на період сповільнювальної системи (СС), параметрів просторового заряду, довжини СС і посилення за Пірсом залежно від частоти.

Результати роботи. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження процесів транспортування інтенсивних електронних пучків (ЕП) у слабонеоднорідних магнітних фокусуючих полях, електронно-хвильової взаємодії ЕП з високочастотними (ВЧ) полями СС, поширення поверхневих і вищих хвиль, їх взаємної трансформації на неоднорідностях електродинамічної системи. Досліджено омічні ВЧ-втрати, що викликані шорсткістю поверхні СС і тепловим впливом з боку падаючого ЕП. Експериментально отримано генерацію коливань у пакетованих клинотронах у діапазоні частот від 120 до 410 ГГц. Розроблені комплекси демонструють стабільність частоти генерованого електромагнітного випромінювання на рівні 1...30 мд у діапазоні частот 120 ... 410 ГГц і забезпечують рівень вихідної потужності близько 100 мВт на частоті 300 ГГц.

Висновок. Запропоновано шляхи підвищення потужності і стабільності генерації клинотронів ТГц-діапазону частот. Розглянуто методи зниження впливу омічних ВЧ-втрат на процес електронно-хвильової взаємодії в клинотронах ТГц-діапазону шляхом застосування багатоступеневих СС, а також систем з малим параметром довжини.
Ключові слова: високовольтні джерела живлення, високочастотні омічні втрати, динамічна поляризація ядер, клинотрон, спектроскопія, сповільнювальна система, терагерцове випромінювання, ядерно-магнітний резонанс

Стаття надійшла до редакції 17.12.2018
УДК: 621.385.6
Radiofiz. elektron. 2019, 24(2): 33-48
Повний 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.