Development and experimental investigations of high power pulsed THz gyrotrons

Abstract

The terahertz radiation looks promising for pointer plasma discharge, remote detection of concealed radioactive materials, plasma diagnostics based on collective Thompson scattering, enhancement of spectroscopy methods, new medical technology and so on. The aim of our investigations is development of powerful and relatively compact microwave sources. Powerful THz generation has been demonstrated in pulse gyrotrons. Pulsed coils with field intensity up to 50 T have been developed and tested. This field gives a chance to operate at fundamental cyclotron resonance conditions between electron beam and operating mode and, as result to simplify problem of mode selection. The output power 5 kW at 1 THz and 0.5 kW at 1.3 THz has been obtained with pulse duration 40 μs at the fundamental harmonic with 30 kV/5A electron beam. The power 200 kW at the frequency 0.67 THz has been realized with efficiency about 20 %. Despite the requirement of strong operating magnetic fields, the THz frequency has been achieved by the pulse gyrotrons operating at the fundamental harmonic. Today it is clear that relatively small-size tubes with a high level of output power (from a hundred to several kilowatts) at the frequencies of 0.3–1.5 THz will be available soon for many applications.

Терагерцевое (ТГц) излучение представляется крайне привлекательным для инициации локализованного газового разряда, дистанционного обнаружения источников ионизирующего излучения, диагностики плазмы методами коллективного томпсоновского рассеяния, создания спектроскопических комплексов высокого разрешения, новых медицинских технологий и др. Для решения указанных задач необходимы мощные и относительно компактные источники ТГц-излучения. В статье описаны созданные в ИПФ РАН мощные гиротроны на базе импульсных соленоидов с интенсивностью поля до 50 Тл, позволившие реализовать генерацию мощного микроволнового излучения на основном циклотронном резонансе, когда относительно просто решается проблема селекции рабочего типа колебаний. При длительностях импульса 40 мкс частоте 0,67 ТГц получена мощность до 200 кВт, 5 кВт – на частоте 1 ТГц и 0,5 кВт – на частоте 1,3 ТГц. Несмотря на сложность создания магнитных полей высокой интенсивности, выполненные работы демонстрируют возможность создания в ближайшем будущем широкодоступных источников мощного импульсного ТГц-излучения.

Терагерцове (ТГц) випромінювання привертає надзвичайну увагу для ініціації локалізованого газового розряду, дистанційного виявлення джерел іонізуючого випромінювання, діагностики плазми методами колективного томпсонівського розсіяння, створення спектроскопічних комплексів високого розрізнення, нових медичних технологій та ін. Для вирішення зазначених задач необхідні потужні та відносно компактні джерела ТГц-випромінювання. У статті описані потужні гіротрони, які створені в ІПФ РАН на базі імпульсних соленоїдів з інтенсивністю поля до 50 Тл, що дозволили реалізувати генерацію потужного мікрохвильового випромінювання на основному циклотронному резонансі, коли відносно просто вирішується проблема селекції робочого типу коливань. При тривалостях імпульсу 40 мкс на частоті 0,67 ТГц отримано потужність до 200 кВт, 5 кВт – на частоті 1 ТГц і 0,5 кВт – на частоті 1,3 ТГц. Незважаючи на складність створення магнітних полів високої інтенсивності, виконані роботи демонструють можливість створення в найближчому майбутньому широкодоступних джерел потужного імпульсного ТГц-випромінювання.