Показана возможность значительного (до 10%) расширения полосы шумоподобного излучения в гиро-тронах за счет специальной настройки гирочастоты относительно критической частоты рабочей моды, при которой для заданного значения поступательных и поперечных скоростей электронов достаточно сильно разнесены высокочастотный и низкочастотный циклотронные резонансы. При больших превышениях над порогом возникает перекрытие полос генерации на указанных резонансах. Принципиальным моментом для корректного анализа режимов широкополосной генерации в рамках усредненного подхода является учет конечности времени пролета электронов через пространство взаимодействия и соответственно учет наклона дисперсионной характеристики электронного пучка относительно дисперсионной характеристики волны. Полученные результаты подтверждены посредством прямого трехмерного PIC (particle-in-cell) моделирования хаотических режимов генерации гиротрона 8 mm диапазона длин волн. В настоящей работе показана возможность значи-тельного расширения полосы шумоподобной генерации гиротронов до величины порядка 10%. Для этого необ-ходима специальная настройка гирочастоты (величины магнитного поля) относительно критической частоты рабочей моды ω c , при которой для заданного значе-ния поступательной скорости электронов достаточно сильно разнесены высокочастотный и низкочастотный циклотронные резонансы, возникающие при пересече-нии дисперсионных характеристик волноводной моды h = c −1 ω 2 − ω 2 c и электронного потока ω − hV 0 = ω H (где ω -частота, h -продольное волновое число, ω H -гирочастота). В этом случае при умеренном пре-вышении тока пучка над порогом в спектре генерации будут наблюдаться две разнесенные спектральные поло-сы. Однако увеличение инжектируемого тока при опти-мально подобранных параметрах гиротрона приводит к перекрытию полос и генерации сверхширокополосного излучения.Важно подчеркнуть, что принципиальным моментом для анализа указанных режимов в рамках усредненного подхода является учет конечности времени пролета электронов через пространство взаимодействия [16]. В большинстве предшествующих работ, посвященных динамике нестационарных процессов в гиротронах, в которых эволюция поля описывается параболическим уравнением, предполагалось, что время пролета пре-небрежимо мало в масштабе времени изменения ам-плитуды поля [17][18][19]. В таком предположении линия пучка на дисперсионной диаграмме проходит вертикаль-но, что не позволяет корректно описать исследован-ные далее режимы двойного пересечения. Результаты, полученные в рамках усредненной самосогласованной модели, подтверждены на основе прямого PIC (particlein-cell) моделирования хаотических режимов генерации гиротрона 8 mm диапазона длин волн с использованием трехмерной версии кода KARAT [20].

The complex dynamics of the gyrotron is experimentally studied for operating current which is 1000–1500 times higher than the gyrotron starting current. Whereas in the experiment the electron beam current was only 0.2 A, a very high normalized current parameter is obtained through the operation at the lowest mode of a cylindrical waveguide. At the frequencies of about 33 GHz, the chaotic generation was observed with a spectrum bandwidth of up to 500 MHz that correspond to a relative bandwidth of 1.5 %. This value is significantly higher than the bandwidths of chaotic signals obtained in previous experiments with gyrotron devices. The experimental results are in good agreement with the results of the theoretical analysis, which are based on the averaged equations taking into account the finiteness of the electron transit time through the interaction region.

Показана возможность генерации хаотического шумоподобного излучения в гироусилителях с винтовым гофрированным волноводом при введении запаздывающей обратной связи. Для реализации режима развитого динамического хаоса оптимален выбор расстройки циклотронного резонанса, соответствующей максимальной крутизне спада амплитудной характеристики усилителя после насыщения. Сделаны оценки параметров шумового генератора на основе экспериментально реализованной гиро-ЛБВ диапазона 35 GHz, согласно которым возможна генерация многочастного излучения с шириной спектра 3-4 GHz со средней мощностью до 70 kW при КПД порядка 10%. DOI: 10.21883/PJTF.2017.03.44227.16313

Using the averaged equations supplemented with 3D particle-in-cells simulation methods, we study the frequency multiplication regime in high-current relativistic gyrotron. We show that the ratio between the output power of the higher (fifth or sixth) harmonics and that on the fundamenta cyclotron resonance may be of about 0.1-0.3%. Accordingly, the nonlinear transformation coefficient as several orders higher than the values achievable in gyrotrons with weakly relativistic electron beams.

В рамках усредненного описания электронно-волнового взаимодействия, а также на основе прямого моделирования PIC (particle in cell) показана возможность генерации ультракоротких импульсов субтерагерцевого и терагерцевого диапазонов с использованием циклотронного механизма сверхизлучения (СИ) сгустков электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном магнитном поле. В условиях существенной сверхразмерности волноводного тракта селективное возбуждение рабочей моды обеспечивается при движении электронного сгустка с поступательной скоростью, близкой к групповой скорости излучаемого импульса СИ. DOI: 10.21883/PJTF.2017.18.45030.16878