Моделирование и экспериментальное исследование характеристик клинотронов непрерывного действия в диапазоне частот 125…135 ГГц

Abstract

Проведено моделирование параметров клинотрона с центральной рабочей частотой 130 ГГц на основе результатов экспериментальных исследований параметров однотипных генераторов 2-мм диапазона волн. По результатам проведенного анализа рабочих характеристик генераторов определены частотные зависимости параметров пространственного заряда, параметра усиления по Пирсу, а также числа замедленных волн, укладывающихся вдоль системы. Полученные значения использованы при расчете замедляющих систем типа «плоская гребенка», а также при последующем моделировании рабочих характеристик клинотронов с данными системами. По результатам моделирования предложены конструкции клинотронов с однородной и четырехступенчатой замедляющей системой. Экспериментально получена генерация колебаний в генераторе с однородной замедляющей системой в диапазоне частот 125…135 ГГц. Изучены пусковые условия генерации в зависимости от величин тока пучка и индукции фокусирующего магнитного поля. В процессе экспериментального исследования рабочих характеристик данного клинотрона показано хорошее соответствие полученных данных и результатов теоретического моделирования. Предложено использование изложенной методики расчета электродинамической системы для клинотронов в соседних диапазонах длин волн.

Проведено моделювання параметрів клінотрона с центральною робочою частотою 130 ГГц на основі результатів, що отримано у ході експериментальних досліджень параметрів однотипних генераторів 2-мм діапазону хвиль. За результатами аналізу робочих характеристик генераторів визначено частотні залежності параметрів просторового заряду, параметра підсилення Пірса, а також електричної довжини системи. Отримані результати використано у розрахунку систем типу «пласка гребінка», що сповільнює рух, а також у подальшому моделюванні робочих характеристик клінотронів з даними системами. За результатами моделювання запропоновано конструкції клінотронів з однорідною та чотириступеневою сповільнюваною системою. Експериментально отримано генерацію коливань в генераторі з однорідною сповільнюваною системою, в діапазоні частот 125…135 ГГц. Вивчено пускові умови генерації залежно від величин струму пучка та індукції магнітного поля, що фокусує. У процесі експериментального дослідження робочих характеристик даного клінотрону показано добру відповідність отриманих результатів з результатами теоретичного моделювання. Запропоновано використання викладеної методики розрахунку електродинамічної системи для клінотронів сусідніх діапазонах довжин хвиль.

The simulation of 130 GHz CW Clinotron was carried out on basis of experimental results of the earlier developed CW Clinotrons in 2mm wavelength range. Basing on the analysis of oscillator operation characteristics, the space charge dependence on frequency, Pierce parameter and the system electrical length were determined. The obtained results were used in the simulation of grating and in further simulation of operation parameters of clinotron tubes. Basing on simulation results, the clinotrons with homogeneous and fourstage grating were designed. The output power more than one Watt in CW clinotron with homogeneous grating in the frequency range 125…135 GHz was experimentally obtained. Start current and required focusing magnetic field were obtained in the experimental test in electromagnet. The experimental test also shows the close fit between simulation results and experimental data. The proposed methodic can be used in the simulation of CW clinotrons in both millimeter and sub-millimeter ranges.