Хуторян Е. М. Збудження електромагнітних коливань субтерагерцового та терагерцового діапазонів в електронно-вакуумних приладах з просторово розвинутим зворотним зв’язком

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора наук

Державний реєстраційний номер

0524U000011

Облікова картка дисертації

0524U000011.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 01.04.04 - Фізична електроніка

25-01-2024

Спеціалізована вчена рада

Д 64.157.01

Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України

Анотація

Мета роботи - виявлення режимів і фізичних ефектів, що приводять до підвищення ефективності збудження коливань та виводу випромінювання в електронно-вакуумних приладах з тривалою взаємодією субтерагерцового та терагерцового діапазонів. Об’єкт досліджень – процеси взаємодії електронних потоків з електромагнітними хвилями в електронно-вакуумних приладах субтерагерцового та терагерцового діапазонів, процеси конкуренції мод коливальної системи, а також формування зворотного зв'язку в автогенераторах, що вивчаються. Теоретичні та практичні результати. Створені нові фізичні моделі, які дозволяють знайти умови ефективного збудження гібридних об’ємно-поверхневих мод в черенковському генераторі, а також коливань в просторово-розвинутих електродинамічних системах МЦР. Теоретично знайдено режими генерації в ТГц черенковському генераторі рівнем потужності більше 1 Вт. Теоретично та експериментально знайдено умови придушення конкуренції в гіротроні для стійкої генерації на частоті 0.78 ТГц. Створено системи стабілізації (краще ніж 1% для потужності та 10-6 для частоти) та модуляції (зі швидкістю 20 кГц та смугою до 100 МГц) для ТГц гіротронів. Новизна наукових результатів. Продемонстровано, що наявність відбиття з затримкою в субТГц гіротроні розширює діапазон частотного перестроювання за рахунок збудження прямої хвилі. Показано, що позарезонаторна взаємодія в ТГц гіротроні спричиняє різке зростання вихідної потужності випромінювання на частоті першої циклотронної гармоніки при величинах магнітних полів, які відповідають збудженню мод із дуже високим аксіальним індексом, та погіршує умови для збудження генерації на другій циклотронній гармоніці. Виявлено особливості конкуренції мод з різними напрямками обертання при зміщенні осі електронного потоку в гіротроні. Знайдено ефективний режим зворотного зв’язку на гібридних об’ємно-поверхневих модах у черенковському генераторі, що є малочутливим до омічних втрат та в якому співвідношення потужності омічних втрат і вихідної потужності є співрозмірними. Методи досліджень. Розв’язання рівняння руху електронів проводилося чисельно за допомогою методу Рунге – Кутта та методу великих частинок; розрахунок електромагнітного поля, що збуджено електронним потоком, а також дисперсії в електродинамічних системах, що містять гребінку, проводилися методом часткових областей і проекційного методу. Для аналізу збудження циліндричного хвилеводу зі слабкозмінним радіусом використовувався метод рівняння неоднорідної вібруючої струни з безвідбивними умовами. Електронно-хвильова взаємодія досліджувалася в результаті спільного чисельного інтегрування слабко нестаціонарного рівняння збудження хвиль і рівнянь руху електронного потоку з застосуванням методу кінцевих різниць та методу великих частинок. Експериментальне дослідження генерації коливань проводилося за допомогою класичних методів вимірювання потужності, частоти та спектра. Ступінь упровадження. Результати роботи можуть бути використані при створенні ТГц генераторів з підвищеною потужністю та стабільністю вихідних параметрів. Сфера використання. Розроблені в дисертаційній роботі генератори субтерагерцового та терагерцового діапазонів можна використовувати як джерело електромагнітного випромінювання у таких застосунках як спектроскопія, системи ТГц бачення, діагностика плазми, при створенні нових матеріалів, біологічні дослідження, системи зв’язку та радіолокація і багато інших.

Читати повністю

Публікації

1. E. Khutoryan, "Mode Interaction for Random Signal Generation in MM-Waveband Vacuum Oscillators", Applied Radio Electronics, Vol. 12, No 1, pp. 51-53, 2013. http://nbuv.gov.ua/UJRN/Prre_2013_12_1_11

2. M. Sattorov, E. Khutoryan, K. Lukin, O. Kwon, G.-S. Park, "Improved Efficiency of Backward-Wave Oscillator With an Inclined Electron Beam", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 60, No 1, pp. 458 – 463, 2013. DOI: 10.1109/TED.2012.2225837.

3. E. Khutoryan, O. Dumbrajs, G. Nusinovich, T. Idehara, "Theoretical Study of the Effect of Electron Beam Misalignment on Operation of the Gyrotron FU IV A", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 42, No 6, pp. 1586 – 1593, 2014. DOI: 10.1109/TPS.2014.2322674.

4. E. Khutoryan, G. Nusinovich, O. Sinitsyn, "Competition between modes with different axial structures in gyrotrons", Physics of Plasmas, Vol. 21, No 9, 093114, 2014. DOI: 10.1063/1.4896709.

5. E. Khutoryan, M. Sattorov, K. Lukin, O.J. Kwon, S.-H. Min, R. Bhattacharya, I.-K. Baek, S. Kim, M. Yi, J. So, G.-S. Park, "Theory of Multimode Resonant Backward-Wave Oscillator With an Inclined Electron Beam", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 62, No 5, pp. 1628-1634, 2015. DOI: 10.1109/TED.2015.2411680.

6. M. Sattorov, E. Khutoryan, K. Lukin, O.J. Kwon, S.-H. Min, R. Bhattacharya, I.-K. Baek, S. Kim, M. Yi, J. So, G.-S. Park, "Automodulation Processes in Clinotrons With Low-Focusing Magnetic Field", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 62, No 5, pp. 1617-1621, 2015. DOI: 10.1109/TED.2015.2409292.

7. Idehara, T., Tatematsu, Y., Yamaguchi, Y., Khutoryan E. M. et al. "The Development of 460 GHz gyrotrons for 700 MHz DNP-NMR spectroscopy", Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 36, No 7, pp. 613-627, 2015. DOI: 10.1007/s10762-015-0150-z.

8. T. Idehara, E. Khutoryan, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, A.N. Kuleshov, O .Dumbrajs, Y. Matsuki, T. Fujiwara, "High-Speed Frequency Modulation of a 460-GHz Gyrotron for Enhancement of 700-MHz DNP-NMR Spectroscopy", Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 36, No: 9, pp: 819-829, 2015. DOI: 10.1007/s10762-015-0176-2.

9. E. Khutoryan, T. Idehara, A. Kuleshov, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, Y. Matsuki, T. Fujiwara, "Stabilization of Gyrotron Frequency by PID Feedback Control on the Acceleration Voltage", Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 36, No 12, pp. 1157-1163, 2015. DOI: 10.1007/s10762-015-0212-2.

10. O. Dumbrajs, E. Khutoryan, T. Idehara, "Hysteresis and Frequency Tunability of Gyrotrons", Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 37, No 6, pp. 551–560, 2016. DOI: 10.1007/s10762-015-0240-y.

11. N. Miyoshi, T. Idehara, E. Khutoryan, Y. Fukunaga, A. Bibin, S. Ito, S. Sabchevski "Combined Hyperthermia and Photodynamic Therapy Using a Sub-THz Gyrotron as a Radiation Source", Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 37, No 8, pp. 805–814, 2016. DOI: 10.1007/s10762-016-0271-z.

12. T. Idehara, E. Khutoryan, I. Ogawa, Y. Matsuki, T. Fujiwara, “Modulation and Stabilization of the Output Power and Frequency of FU Series Gyrotrons”, International Journal on Terahertz Science and Technology, Vol. 9, No 4, pp. 117-130, 2016. DOI: 10.11906/TST.117-130.2016.12.12.

13. E. Khutoryan, T. Idehara, M. Melnikova, N. Ryskin, O. Dumbrajs “Influence of Reflections on Frequency Tunability and Mode Competition in the Second-Harmonic THz Gyrotron”, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 38, No 7, pp. 824–837, 2017. DOI: 10.1007/s10762-017-0378-x.

14. E. Khutoryan, T. Idehara, A. N. Kuleshov, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, Y. Matsuki, T. Fujiwara, “Simultaneous Stabilization of Gyrotron Frequency and Power by PID Double Feedback Control on the Acceleration and Anode Voltages”, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 38, No 7, pp. 813–823, 2017. DOI: 10.1007/s10762-017-0374-1.

15. K. Kato, H. Qiu, E. Khutoryan, Y. Tatematsu, M. Tani, T. Idehara, Y. Yamaguchi, M. Fukunari, Y. Maeda, K. Takayama, Y. Minami, M. Empizo, T. Kurihara, K Yamanoi, T. Shimizu, K. Takano, N. Sarukura, T. Fukuda, M. Yoshimura, M. Nakajima, “Strong yellow emission of high-conductivity bulk ZnO single crystals irradiated with high-power gyrotron beam”, Applied Physics Letters, Vol. 111, No 3, 2017. DOI: 10.1063/1.4994316.

16. Y. Toda, S. Ishiyama, E. Khutoryan, T. Idehara, S. Matsuishi, P. Sushko, H. Hosono, “Rattling of Oxygen Ions in a Sub-Nanometer-Sized Cage Converts Terahertz Radiation to Visible Light”, ACS Nano, Vol. 11, No 12, pp. 12358–12364, 2017. DOI: 10.1021/acsnano.7b06277.

17. S. Mitsudo, M. Glyavin, E. Khutoryan, I. Bandurkin, T. Saito, Y. Ishikawa, V. Manuilov, I. Zotova, A. Fedotov, A. Kuleshov, "An Experimental Investigation of a 0.8 THz Double-Beam Gyrotron," Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves", Vol. 40, No 11, pp. 1114-1128, 2019. DOI: 10.1007/s10762-019-00629-6.

18. E. Khutoryan, A. Kuleshov, S. Kishko, S. Ponomarenko, M. Glyavin, I. Bandurkin, V. Manuilov, A. Fedotov, I. Zotova, S. Sabchevski, Y. Ishikawa, M. Fukunari, T. Saito, Y. Tatematsu, S. Mitsudo, T. Idehara, “Increase of Gyrotron Output Power at High-Order Axial Mode Through an After-Cavity Excitation of the Next Transverse Mode”, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves", Vol. 42, No 6, pp. 684–700, 2021. DOI: 10.1007/s10762-021-00798-3.

19. E. Khutoryan, A. Kuleshov, S. Ponomarenko, K. Lukin, Y. Tatematsu, M. Tani, “Efficient Excitation of Hybrid Modes in a THz Clinotron”, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Vol. 42, No 6, pp. 671–683, 2021. DOI: 10.1007/s10762-021-00800-y.

20. E. Khutoryan, A. N. Kuleshov, S. S. Ponomarenko, K. A. Lukin, Y. Tatematsu, M. Tani, "Hybrid Bulk-Surface Modes Excited by a Sheet Electron Beam in THz Cherenkov Oscillator," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 69, No 6, pp. 3407-3412, 2022, DOI: 10.1109/TED.2022.3168526.

21. S. Ponomarenko, S. Kishko, A. Likhachev, E. Khutoryan, A. Kuleshov, “Electromagnetic sources for THz imaging and DNP NMR spectroscopy,” In: Electromagnetic Waves and Antennas for Biomedical Applications, 2021. DOI: 10.1049/PBHE033E_ch3.

22. K. Lukin, E. Khutoryan, “Mode interaction in resonant Clinotron”, IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC-2011), p.123-124, 2011. DOI: 10.1109/IVEC.2011.5746906

23. M. Sattorov, E. Khutoryan, K. Lukin, Gun-Sik Park, A. Bera, R. Barik, O. Kwon, Sun-Hong Min, A. Sharma, A. Tanwar, “Experimental study on 0.1 THz clinotron”, IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC-2012), p.453-454, 2012. DOI: 10.1109/IVEC.2012.6262236.

24. M. Sattorov, E. Khutoryan, K. Lukin, G-S Park, O. Kwon, “Automodulation processes in THz resonant backward wave oscillator with low focusing magnetic field”, 2012 37th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves", 1-2, 2012. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2012.6380269.

25. E. Khutoryan, A. Tsvyk, V. Zheltov, “About reflection diffraction radiation oscillator operation at second space harmonic," 2013 International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, p. 403-405, 2013. DOI: 10.1109/MSMW.2013.6622067.

26. T. Idehara, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, E. Khutoryan, A. Kuleshov, K. Ueda, Y. Matsuki, T. Fujiwara, “Sub-THz gyrotrons with special functions of frequency control for applications to DNP-NMR spectroscopy," 2014 39th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), 1-2, 2014. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2014.6956167

27. E. Khutoryan, T. Idehara, A. Kuleshov, K. Ueda, “Stabilization of Gyrotron Output Power by Use of PID Feedback Control of Anode Voltage,” Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan 70.1, p. 552, 2015. DOI: 10.11316/jpsgaiyo.70.1.0_552.

28. T. Idehara, E. Khutoryan, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, A. Kuleshov, O. Dumbrajs, Y. Matsuki, T. Fujiwara, “High speed frequency modulation of a 460 GHz gyrotron for application to the 700 MHz DNP enhanced NMR spectroscopy”, 2015 40th International Conference on Infrared, Mi(IRMMW-THz), p. 1-2. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2015.7327859.

29. E. Khutoryan, T. Idehara, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, A. Kuleshov; Y. Matsuki, T. Fujiwara, “Frequency Modulation of sub-THz gyrotron for 700 MHz DNP-NMR spectroscopy”, Meeting Abstracts of the Physical Society of Japan 70.2, 650, 2015. DOI: 10.11316/jpsgaiyo.70.2.0_650.

30. T. Idehara, A. Kuleshov, E. Khutoryan, Y. Tatematsu, Y. Matsuki, T. Fujiwara, S. Asai, T. Suehara, T. Yamazaki, A. Miyazaki, “High power THz technologies opened by high frequency gyrations covering Sub-THz to THz region," 2016 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW), p. 1-3, 2016. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538046.

31. E. Khutoryan, T. Idehara, M. Melnikova, A. Rozhnev, N. Ryskin, "Influence of reflections on frequency stability, tunability and mode competition in the second-harmonic THz gyrotron", 2016 41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz),1-2, 2016. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2016.7758527.

32. E. Khutoryan, T. Idehara, A. Kuleshov, Y. Tatematsu, Y. Yamaguchi, Y. Matsuki, T. Fujiwara, “Gyrotron output frequency and power stabilization by PID feedback control on the acceleration and anode voltages," 2016 41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz)", p. 1-2, 2016. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2016.7758502.

33. E. Khutoryan, T. Idehara, N. Ryskin, M. Melnikova, O. Dumbrajs, “Using of reflections for expansion of frequency tuning in a THz-band gyrotron”, 2017 Eighteenth International Vacuum Electronics Conference (IVEC), p.1-3, 2017. DOI: 10.1109/IVEC.2017.8289725.

34. E. Khutoryan, S. Ponomarenko, S. Kishko, Y. Tatematsu, S. Mitsudo, M. Tani, A. Kuleshov, “THz Cherenkov Oscillator with Surface-Radiating Modes," 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)", p. 1-2, 2019. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874184.

35. I. Bandurkin, A. Fokin, Glyavin M., E. Khutoryan, A. Kuleshov, S. Mitsudo, S. Sabchevski, Y. Tatematsu, T. Saito, Y. Ishikawa, “An Experimental Investigation of a 0.8 THz Gyrotron with an Improved Mode Selection," 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)", p.1-2, 2019. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874170.

36. M. Nakajima, K. Kato, H. Qiu, T. Shimizu, N. Sarukura, M. Yoshimura, T. Fukuda, E. Khutoryan, Y. Tatematsu, M. Tani, “Observation of strong yellow emission for high-conductivity ZnO excited by sub-terahertz gyrotron beam," 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), p. 1-2, 2019. DOI: 10.1109/IRMMW-THz.2019.8873849.

37. A. Likhachev, S. Ponomarenko, S. Kishko, Y. Tatematsu, S. Mitsudo, M. Tani, Masahiko, E. Khutoryan, A. Kuleshov, K. Lukin, “THz Clinotron Operating in New Regime of Hybrid Surface-Volume Mode with Wide Frequency Tuning Range,” 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW), p. 1-4, 2020. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252641.

38. E. Khutoryan, S. Ponomarenko, S. Kishko, K. Lukin, Y. Tatematsu, S. Mitsudo, M. Tani, A. Kuleshov, “Efficient Regime of Hybrid Surface-Radiating Waves in a THz Clinotron,” 2020 IEEE 21st International Conference on Vacuum Electronics (IVEC), p. 155-156, 2020. DOI: 10.1109/IVEC45766.2020.9520601.

39. E. Khutoryan, A. Kuleshov, A. Fedotov, S. Sabchevski, I. Bandurkin, V. Manuilov, I. Zotova, A. Fokin, S. Kishko, S. Ponomarenko,” Influence of the Aftercavity Interaction on the Output Power of a Gyrotron Operating at a High-Order Axial Mode,” 2021 22nd International Vacuum Electronics Conference (IVEC), p. 1-2, 2021. DOI: 10.1109/IVEC51707.2021.9722446.

40. S. Ponomarenko, A. Likhachev, V. Stoyanova, Y. Tatematsu, S. Mitsudo, M. Tani, E. Khutoryan, A. Kuleshov, K. Lukin, “Simulation and Design of 300 GHz CW Clinotron Oscillator on Hybrid Surface-Volume Modes,” 2021 22nd International Vacuum Electronics Conference (IVEC), p. 1-2, 2021. DOI: 10.1109/IVEC51707.2021.9722445.

41. E. M. Khutoryan, A. N. Kuleshov, S. S. Ponomarenko, K. A. Lukin, Y. Tatematsu, M. Tani, “Hybrid Bulk-Surface Modes Excited in the THz Cherenkov Oscillator with the Double Grating,” 2022 IEEE 2nd Ukrainian Microwave Week (UkrMW), p.238-241,2022. DOI: 10.1109/UkrMW58013.2022.10037038.

42. E. Khutoryan, A Kuleshov, S Ponomarenko, K Lukin, Y Tatematsu, M Tani, “The 3D Study of the Hybrid Bulk-Surface Eigen Modes in the THz Cherenkov Oscillator,” 2022 23 International Vacuum Electronics Conference (IVEC), pp. 502-503. DOI: 10.1109/IVEC53421.2022.10292384.

43. E. Khutoryan, A. Kuleshov, S. Ponomarenko, K. Lukin, Y. Tatematsu, M. Tani, "THz Cherenkov Oscillator Efficiency Increase by Use of Long Structures," 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), Chengdu, China, 2023, pp. 1-2. DOI: 10.1109/IVEC56627.2023.10157891.

Читати повністю

Файли

autoreferat-автореферат_Хуторян.pdf

Дисертація_Хуторян.pdf

Схожі дисертації

0421U102521

Гедеон Сергій Вікторович

Метод R-матриці з B-сплайнами в теорії низькоенергетичного розсіяння електронів на складних атомах

0521U101343

Кулешов Олексій Миколайович

Нові режими автоколивань у низьковольтних електронно-вакуумних приладах міліметрового та субміліметрового діапазонів із перестроюванням частоти

0420U102162

Свида Юрій Юрійович

Процеси збудження та іонізації молекул аденіну та гуаніну електронним ударом

0519U001934

Горячко Андрій Миколайович

Сканувальна тунельна мікроскопія спонтанної наноструктуризації металічних та напівпровідникових поверхонь.

0419U005539

Лопатіна Ярослава Юріївна

Дослідження самоорганізації органічних молекул на атомно-гладких поверхнях.