Представлены основные этапы разработки гиротрона субгигаваттной мощности Ка-диапазона длин волн с рабочей модой TM5, 1. Для дискриминации мод ТЕ-типа предложено использовать продольно-щелевой резонатор, для которого развита аналитическая теория, выполнены расчёты методом конечных элементов и «холодные» (в отсутствие электронного пучка) электродинамические измерения. Выполнены первые экспериментальные исследования гиротрона, построенного по классической схеме с разделением пространства формирования пучка и области электронно-волнового взаимодействия. Экспериментально и в рамках последующего трёхмерного моделирования методом частиц в ячейках (Particle-in-Cell, PIC) выявлена проблема возникновения в системе паразитных колебаний на моде TE-типа, связанных с самовозбуждением участка формирования пучка. В качестве её решения предложена модификация системы, при которой область формирования пучка смещается внутрь резонатора гиротрона. Моделирование продемонстрировало возможность получения в такой системе излучения с мощностью около 150 МВт. Выполнены предварительные расчёты гиротрона W-диапазона длин волн на моде TM15, 1 с аналогичным уровнем мощности выходного излучения.

На английском языке
Development of high-current relativistic gyrotrons with the operating TM mode
Danilov Yu.Yu.
Denisenko A.N.
Leontyev A.N.
Rozental R.M.
Tarakanov V.P.

We present the main stages of developing a subgigawatt Ka-band gyrotron with the operating TM5, 1 mode. In order to discriminate the TE modes, we propose using a longitudinally slitted cavity, for which the analytical theory has been developed, and the finite-element method calculations and "cold" electrodynamic measurements (in the absence of the electron beam) have been performed. The first experimental studies of the gyrotron based on the classical scheme with separation of the beam formation space and the electron-wave interaction region have been carried out. The problem of the rise of spurious oscillations at the TE mode, which are related to self-excitation of the beam formation region, has been detected experimentally and within the framework of the further 3D-modeling by the Particle-in-Cell (PIC) method. A modification of the system, where the beam formation region shifts into the gyrotron cavity, is proposed as a way to solve this problem. Modeling demonstrated the possibility to generate radiation with a power of about 150 MW in such a system. Preliminary calculations of the W-band gyrotron operating at the TM15, 1 mode with a similar output radiation power level have been made.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_05_448