Орбиктрон-генератор: модель и результаты расчета в диапазоне 180 ГГц

Abstract

Выявлен эффект резонанса в сдвоенной гребенке орбиктрона, при котором амплитуда высокочастотного поля в зоне взаимодействия электронов и волн в прямоугольном канале в несколько раз превосходит амплитуду поля в объеме между рабочими поверхностями зеркал открытого резонатора. Этот эффект принципиально изменяет оценку необходимой величины доброт-ности резонансной системы орбиктрона и позволяет решить проблему ограничения амплитуды. Использование пространства взаимодействия в виде канала для ленточного электронного потока, образованного рабочими поверхностями сдвоенной гребенки, которые сходятся клином, обеспечивает решение проблемы расслоения ленточных электронных потоков. С использованием разработанной математической модели проведен оптимизационный поиск перспективных вариантов конструкции орбиктрона-генератора в диапазоне 180 ГГц, с рабочим напряжением электронного потока 3,5 кВ и рабочим током 0,1 А. Найдены варианты генератора с КПД 10…12 % при добротностях, которые не превышают 1 000. Показано, что за счет применения клинотронного эффекта в орбиктроне-генераторе (клиноорбиктрон) его КПД возрастает до 14 %, а добротность резонатора уменьшается в три раза. Полученные результаты указывают на перспективность орбиктрона и его модификации клиноорбиктрона как источников электромагнитного излучения терагерцeвого интервала частот.

Виявлено ефект резонансу в здвоєній гребінці орбіктрона, при якому амплітуда поля в зоні взаємодії електронів і хвиль у прямокутному каналі в декілька разів перевершує амплітуду поля в об’ємі між робочими поверхнями дзеркал відкритого резонатора. Цей ефект принципово змінює оцінку необхідної величини добротності резонансної системи орбіктрона та дозволяє вирішити проблему обмеження амплітуди. Використання простору взаємодії у вигляді каналу для стрічкового електронного потоку, створеного робочими поверхнями здвоєної гребінки, які сходяться клином, дозволяє вирішити проблему розшарування стрічкових електронних потоків. З використанням розробленої математичної моделі проведено оптимізаційний пошук перспективних варіантів конструкції орбіктрона-генератора в діапазоні 180 ГГц із напругою електронного потоку 3,5 кВ і робочим струмом 0,1 А. Знайдено варіанти генератора з ККД 10…12 % при добротностях, які не перевищують 1 000. Показано, що використання клинотронного ефекту в орбіктроні-генераторі (клиноорбіктрон) його ККД підвищується до 14 %, а добротність резонатора зменшується в три рази. Отримані результати вказують на перспективність орбіктрона та його модифікації клиноорбіктрона як джерел електромагнітного випромінювання терагерцового інтервалу частот.

A resonance effect in the binary comb of the orbictron has been detected. It showed that the HFfield amplitude in the electron-wave interaction space surpassed the field amplitude many times over across the space between the operating surfaces of open resonator mirrors. This effect is apt to change radically the estimation of the required Q value of the orbictrons resonance system and eliminates the amplitude clipping problem. Using the channel for the sheet electron flow in the interaction space as the form of the binary comb’s operating tapered-shaped surfaces (klynoorbictron) yields sheet electron flow lamination (layering). The mathematical model that we have devised was applied to carry out an optimization search for promising variants of the orbictron-oscillator design in the 180 GHz range, with a 3.5 kV operating voltage of the electron flow and 0.1 F operating current. We have found the oscillator variants with 10 to 12 % efficiency at quality factors of that do not exceed 1 000. It is shown that the efficiency tends to increase up to 14 % owing to the use in the orbictron-oscillator of klynotron effect (klynoorbictron), whereas the resonator Q-factor shows a threefold decrease. The obtained results indicate that the orbictron and its modified designs of klynoorbictron hold a great promise as THz-range electromagnetic radiation sources.