bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2020-18-2-14-22bsuir-2636Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSГИРОТРОНЫ С КОНУСООБРАЗНЫМИ РЕЗОНАТОРАМИGYROTRONES WITH CONE-SHAPED RESONATORSКолосовС. В.KolosovS. V.

Колосов Станислав Васильевич, д.ф.-м.н., профессор кафедры вычислительных методов и программирования

220013, Республика Беларусь, г. Минск, ул. П. Бровки, д. 6; +375-17-293-89-56

Kolosov Stanislav Vasilyevich, D.Sci., Professor of Department of сomputational methods and programming

220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovka str., 6; tel. +375-17-293-89-56

kolosov@bsuir.byЗайцеваИ. Е.ZaitsevaI. E.

ассистент кафедры вычислительных методов и программирования

г. Минск

Irina E. Zaitseva, assistant of Department of computational methods and programming

Minsk

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2020310320201821422Copyright © Колосов С.В., Зайцева И.Е., 20202020Колосов С.В., Зайцева И.Е.Kolosov S.V., 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://doklady.bsuir.by/jour/article/view/2636

Произведено сравнение эффективности цилиндрического, конического и биконического типов резонаторов гиротронов. По результатам сравнения трех исследуемых вариантов профиля гиротрона были сделаны выводы, что наименее эффективным является профиль регулярного типа. Данный вид резонатора позволил достичь уровня коэффициента полезного действия лишь в 23 %. Повысить коэффициент полезного действия в гиротронах с регулярным волноводом можно только за счет наличия нескольких мод или с помощью рекуперациии электронов на коллекторе. Средним вариантом по коэффициенту полезного действия является биконический профиль резонатора. Его коэффициент полезного действия получился равным 42 %. При проведении научного исследования было выявлено увеличение коэффициента полезного действия для гиротронов с коническими резонаторами с 23 до 50 % на волне TE01. Стоит отметить, что для получения такого коэффициента полезного действия необходимо производить группировку электронов по фазе в нарастающем высокочастотном поле посредством электромагнитного поля с дальнейшим отбором энергии у электронного потока в сильном спадающем электромагнитном поле. Коэффициент полезного действия, достигающий 50 %, существенно выше коэффициента полезного действия гиротрона с регулярным профилем резонатора ~30 %. Коэффициент полезного действия гиротрона для профиля волновода с коническим резонатором и с рекуперацией на коллекторе может достигать уровня в 80 %. Для проведения расчетов использовался программный комплекс КЕДР, в частности, оптимизация параметров гиротронов проводилась с помощью программного продукта GYRO-K. Данный программный продукт имеет ряд преимуществ перед другими подобными программными продуктами, основанных на «PIC» коде. GYRO-K позволяет получить высокую скорость сходимости при решении краевых задач, а также решать задачу оптимизации профиля волновода гирорезонансных приборов за приемлемое время счета. Гиротроны на коническом резонаторе могут найти широкое применение в промышленности при создании эффективных гиротронов для спектроскопии, диагностики различных сред и для технологических нужд.

In this paper we compared the efficiency of the cylindrical, conical, and biconical types of gyrotron resonators. Based on the results of comparing the three studied variants of gyrotron profile, it was concluded that the regular-type profile is the least efficient. This type of a resonator made it possible to achieve the level of efficiency of only 23 %, which can be increased in the regular-waveguide gyrothrons only through several modes or by recovering the electrons on the collector. The medium efficiency option is the biconical profile of the resonator. Its efficiency accounted for 42 %. Through a scientific study we revealed an increase in the efficiency for gyrotrons with conical resonators from 23 to 50 % in the TE01 wave. It is worth mentioning that obtaining such efficiency requires phase grouping of the electrons in an increasing high-frequency field by means of an electromagnetic field with further selection of energy from the electron beam in a strong decaying electromagnetic field. The efficiency of 50 % exceeds significantly that of a gyrotron with a regular cavity profile of ~30 %. The gyrotron efficiency for a waveguide profile with a conical resonator and with recovery on the collector can reach 80 %. To carry out the calculations, the KEDR software package was used, and the optimization of the gyrotron parameters, in particular, was carried out using the GYRO-K software. This software has several advantages over other similar options based on the “PIC” code. GYRO-K makes it possible to obtain a high convergence rate when solving boundary value problems, as well as to solve the problem of optimizing the waveguide profile of gyroresonance devices with an acceptable computational burden. Conical cavity gyrotrons can be widely used in industry to create effective gyrotrons for spectroscopy, diagnostics of various media, and for technological needs.

гиротроннерегулярные волноводывозбуждение нерегулярных волноводовсамосогласованная задачаgyrotronirregular waveguidesexcitation of irregular waveguidesself-consistent problemReferencesThumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers. KIT Scientific Reports 7717. 2015; 174. DOI: 10.5445/KSP/1000055471.Thumm M. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers. KIT Scientific Reports 7717. 2015; 174. DOI: 10.5445/KSP/1000055471.Savilov A.V., Glyavin M.Yu. Philippov V.N. The multi-mode gyrotron. Phisics of plasmas. 2011;18(10): 104502-104502-4. DOI: 10.1063/1.3644490.Savilov A.V., Glyavin M.Yu. Philippov V.N. The multi-mode gyrotron. Phisics of plasmas. 2011;18(10): 104502-104502-4. DOI: 10.1063/1.3644490.Zavol’skiy N.A., Zapevalov V.E., Moiseev M.A., Sedov A.S. Influence of axial misalignment of the electron beam and cavity on the gyrotron parameters. Radiophysics and Quantum Electronics. 2011;54:402-408. DOI: 10.1007/s11141-011-9300-x.Zavol’skiy N.A., Zapevalov V.E., Moiseev M.A., Sedov A.S. Influence of axial misalignment of the electron beam and cavity on the gyrotron parameters. Radiophysics and Quantum Electronics. 2011;54:402-408. DOI: 10.1007/s11141-011-9300-x.Zapevalov V.E., Evolution of the gyrotrons. Radiophysics and Quantum Electronics. 2012;54:8-9. DOI: 10.1007/s11141-012-9326-8.Zapevalov V.E. Evolution of the gyrotrons. Radiophysics and Quantum Electronics. 2012;54:8-9. DOI: 10.1007/s11141-012-9326-8.Chen N.C., Yu C.F., Yuan C.P., Chang T.H. A mode-selective circuit for TE01gyrotron backward-wave oscillator with wide-tuning range. Applied Physics Letters. 2009;94:101501. DOI: 10.1063/1.3097236.Chen N.C., Yu C.F., Yuan C.P., Chang T.H. A mode-selective circuit for TE 01 gyrotron backward-wave oscillator with wide-tuning range. Applied Physics Letters. 2009;94:101501. DOI: 10.1063/1.3097236.Chang T.H., Yu C.F., Hung C.L., and etc. W-band TE01 gyrotron backward-wave oscillator with distributed loss. Physics of Plasmas. 2008;15(7):5073105 (1-6). DOI: 10.1063/1.2950305.Chang T.H., Yu C.F., Hung C.L., and etc. W-band TE 01 gyrotron backward-wave oscillator with distributed loss. Physics of Plasmas. 2008;15(7):5073105(1-6). DOI: 10.1063/1.2950305.Du C-H, Qi X-B, Liu P-K. Theory and experiment of a W-band tunable gyrotron oscillator. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014;61(6): 1781-1788. DOI: 10.1109/TED.2013.2294689.Du C-H, Qi X-B, Liu P-K. Theory and experiment of a W-band tunable gyrotron oscillator. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014;61(6):1781-1788. DOI: 10.1109/TED.2013.2294689.Колосов С.В., Зайцева И.Е. Компьютерная программа GYRO-K для разработки и проектирования гирорезонансных приборов СВЧ. СВЧ электроника. 2017:2:46-48.Kolosov S.V., Zaitseva I.Е. [GYRO-K computer program for the development and design of microwave gyroresonance devices]. SVCH electronika = Microwave electronics. 2017;2:46-48. (In Russ.)Свешников А.Г. К обоснованию метода расчета распространения электромагнитных колебаний в нерегулярных волноводах. Журнал вычислительной математики и математической физики. 1963;3(2):314–326. DOI: 10.1016/0041-5553(63)90027-2.Sveshnikov А.G. [To the justification of the method for calculating the propagation of electromagnetic waves in irregular waveguides]. Jurnal vychislitel’noy matematiki i matematicheskoy fiziki = Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics. 1963;3(2):314-326. DOI: 10.1016/0041-5553(63)90027-2. (In Russ.)Колосов С.В., Кураев А.А., Сенько А.В. Уравнения возбуждения нерегулярных волноводов с конечной проводимостью стенок. Техника и приборы СВЧ. 2009;2:8. DOI: 10.15407/rej2015.02.068.Kolosov S.V., Kuraev А.А., Sen'ko АV. [Microwave equipment and devices]. Technika i pribory SVCH = Microwave Equipment and Instruments. 2009;2:8. DOI: 10.15407/rej2015.02.068. (In Russ.)

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