Власенко С. О. Взаємодія інтенсивних стрічкових електронних потоків з електромагнітними хвилями в надрозмірних електродинамічних структурах черенковських генераторів і підсилювачів субтерагерцового та терагерцового діапазонів

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії

Державний реєстраційний номер

0825U003213

Облікова картка дисертації

0825U003213.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 104 - Фізика та астрономія

02-09-2025

Спеціалізована вчена рада

PhD 10008

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

Анотація

Мета роботи - встановлення оптимальних режимів роботи клинотронів субТГц і ТГц діапазонів з урахуванням теплових навантажень на елементи гребінки та визначення умов одномодового вихідного випромінювання, а також знайдення нових режимів генерації та підсилення коливань у черенковських приладах з підвищенним рівнем потужності для просунення в більш високочастотний діапазон. Об’єкт досліджень – процеси електронно-хвильової взаємодії в надрозмірних електродинамічних системах черенковських приладів субТГц і ТГц діапазонів. Теоретичні та практичні результати. На основі отриманих у дисертаційній роботі результатів теоретичних і експериментальних досліджень запропоновано та створено нові конструкції генераторів і підсилювачів на ефекті Вавілова-Черенкова в субТГц і ТГц діапазонах. Розроблено генераторну систему на основі клинотрона безперервної дії підвищеної потужності в діапазоні частот 170 ГГц – 175 ГГц і проведено експериментальні дослідження з юстування квазіоптичної лінії передачі енергії модернізованої системи діагностики колективного томсонівського розсіяння на стеллараторі Wendelstein 7-X за допомогою термографічних вимірювань. Новизна наукових результатів. Вперше визначено вплив транспортування інтенсивного стрічкового електронного потоку в електродинамічних системах клинотронів субТГц і ТГц діапазонів на умови генерації, що дозволило отримати: а) широкосмугову генерацію з помірною вихідною потужністю, або б) генерацію з максимальною потужністю в одномодовому режимі та показано фізичні причини цього явища. Вперше визначено вплив теплових ефектів в електродинамічних системах клинотронів субТГц і ТГц діапазонів, у результаті осідання інтенсивного стрічкового електронного потоку, на спектральні характеристики випромінювання. Показано, що контроль за температурою охолоджувальної рідини дозволяє реалізувати стабільність потужності випромінювання на рівні 3% та стабільність робочої частоти на рівні 5*10-5. Вперше теоретично та експериментально отримано геометрію електродинамічної системи ТГц клинотрона з підвищеною ефективністю хвилевідного виводу енергії в широкому діапазоні частот. Вперше продемонстровано підсилення електромагнітних хвиль у черенковському приладі, що працює на гібридних обʼємно-поверхневих хвилях. Результати моделювання вказують на посилення слабкого сигналу до 30 дБ і майже 5% електронного ККД для структури довжиною 41 мм W-діапазону. Експериментально отримано посилення до 12 дБ на частоті 97,95 ГГц в односекційному підсилювачі, що відповідає результатам моделювання, та продемонстровано робочу смугу частот до 2 ГГц для певної робочої напруги в діапазоні від 3,7 кВ до 3,9 кВ і струму пучка 60 мА. Запропоновано конфігурацію біперіодичної гребінки, яка підтримує збудження гібридних об’ємно-поверхневих мод. Показано, що така гребінка забезпечує не тільки підвищений опір зв’язку в ТГц діапазоні, а також широкий діапазон перестроювання частоти (15‒20%). Запропоновано схему ТГц генератора з покращеними характеристиками, в якій електронний потік резонансно збуджує випромінювання Сміта-Парселла двох порядків, при цьому дифракційний порядок, що поширюється тільки в діелектрику, використовується для зворотного зв'язку, а дифракційний порядок у вільному просторі служить вихідним випромінюванням. Методи досліджень. Параметри електронно-хвильової взаємодії визначалися в результаті спільного чисельного інтегрування рівняння збудження і рівнянь руху електронів методами кінцевих різниць і великих частинок. Аналіз руху нерелятивістського електронного потоку проводився методом Рунге-Кутти четвертого порядку. Експериментальні результати дослідження параметрів випромінювання було отримано за допомогою класичних методів вимірювання потужності, частоти та спектра (за допомогою калориметричних і болометричних методів; гетеродину, змішувача та спектроаналізатора субТГц діапазону). Ступінь упровадження. Результати роботи можуть бути використані при створенні ТГц систем візуалізації та юстування за допомогою термографічних вимірювань. Сфера використання. Розроблену в дисертаційній роботі генераторну систему на основі клинотрона безперервної дії підвищеної потужності в діапазоні частот 170 ГГц – 175 ГГц використано в процесах з юстування квазіоптичної лінії передачі енергії модернізованої системи діагностики колективного томсонівського розсіяння на стеллараторі Wendelstein 7-X за допомогою термографічних вимірювань.

Читати повністю

Публікації

1. S. S. Ponomarenko, A. A. Likhachev, S. A. Vlasenko, Yu. S. Kovshov, V. V. Stoyanova, S. A. Kishko, E. M. Khutoryan, A. N. Kuleshov, K. A. Lukin, Y. Tatematsu, M. Tani, “Traveling-Wave Amplification in a Circuit with Nonuniform Grating”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, № 10, pp. 5232 – 5237, 2021 (Q2).

2. S. Ponomarenko, H. Braune, E. Khutoryan, S. Kishko, Y. Kovshov, A. Kuleshov, H. P. Laqua, D. Moseev, T. Stange, S. Vlasenko, “Operational Characteristics of the 175-GHz Continuous-Wave Clinotron”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 70, № 11, pp. 5921 – 5925, 2023 (Q2).

3. S. Vlasenko, Yu. Kovshov, S. Ponomarenko, S. Kishko, A. Zabrodskiy, Yu. Arkusha, A. Kirilenko, S. Steshenko, E. Khutoryan, A. Kuleshov, “Radiation Output of the 330 GHz Continuous-Wave Clinotron Oscillator with Modified Cavity”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, № 6, pp. 3940-3944, June 2024, doi: 10.1109/TED.2024.33947962024 (Q2).

4. Власенко, С. О., Тані, М., Лукін, К. О., Аркуша, Ю. В., Кириленко, А. О., Стешенко, С. О., Хуторян, Е. М., Кулешов, О. М., Забродський, О. Ф., Пономаренко, С. С., Кишко, С. О., Ковшов, Ю. С., Лихачов, О. О., Татематсу, Й., “Розробка компактних черенковських приладів зі стрічковими електронними пучками субТГц і ТГц діапазонів частот (огляд),” Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, т. 67, вип. 3, с. 121–136, Бер. 2024. doi: 10.20535/S002134702403004X (Q4).

5. E. Khutoryan, A. Kuleshov, S. Ponomarenko, K. Lukin, P. Melezhik, S. Vlasenko, Y. Tatematsu, M. Tani, “Coupling of Spoof Surface Plasmon Polariton with Multiple-Order Smith–Purcell Radiation in THz Cherenkov Oscillator,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 72, № 3, pp. 1383-1389, March 2025, doi: 10.1109/TED.2024.3524206 (Q2).

6. S. Vlasenko, S. Ponomarenko, Yu. Kovshov, V. Stoyanova, A. Likhachev, S. Kishko, E. Khutoryan, A. Kuleshov, “The Gain Analysis of the 345 GHz Traveling-Wave Amplifier with Nonuniform Grating,” 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Delft, Netherlands, 2022, pp. 1-2, doi: 10.1109/IRMMW-THz50927.2022.9895800

7. S. Vlasenko, A. Likhachev, Yu. Kovshov, S. Kishko, V. Stoyanova, S. Ponomarenko, G. Bezrodna, T. Kudinova, Yu. Klieshchova, A. Zabrodskiy, L. Galushka, V. Zavertanniy, A. Suvorov, L. Kirichenko, A. Khudaiberganov, Yu. Arkusha, E. Khutoryan, A. Kuleshov, “High Performance Dispenser Cathode for the THz Clinotron Tubes,” 2022 IEEE 2nd Ukrainian Microwave Week (UkrMW), Ukraine, 2022, pp. 234-237, doi: 10.1109/UkrMW58013.2022.10037142

8. S. Ponomarenko, D. Moseev, T. Stange, T. Windisch, S. Vlasenko, E. Khutoryan, A. Kuleshov, H. P. Laqua, “Radiation Pattern Measurements of Corrugated Horn Antenna for 175 GHz CTS Diagnostics at Wendelstein 7-X,” 2022 IEEE 2nd Ukrainian Microwave Week (UkrMW), Ukraine, 2022, pp. 242-245, doi: 10.1109/UkrMW58013.2022.10037162

9. E. Khutoryan, S. Vlasenko, A. Kuleshov, S. Ponomarenko, K. 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), Ukraine, 2022, pp. 238-241, doi: 10.1109/UkrMW58013.2022.10037038

10. S. Ponomarenko, A. Likhachev, S. Vlasenko, Yu. Kovshov, E. Khutoryan, V. Stoyanova, S. Kishko, A. Zabrodskiy, A. Kuleshov, “Regime of Traveling Wave Amplification in the Oversized Circuit with Nonuniform Grating,” 2022 23rd International Vacuum Electronics Conference (IVEC), Monterey, CA, USA, 2022, pp. 500-501, doi: 10.1109/IVEC53421.2022.10292395

11. Ю. Ковшов, С. Власенко, С. Кишко, С. Пономаренко, Е. Хуторян, О. Кулешов, Й. Татематсу, М. Тані, “Моделювання електронно-хвильової взаємодії в трьох-секційному підсилювачі біжучої хвилі з неоднорідною гребінкою ТГц діапазону частот,” Міжнародна конференція «Ужгородська школа з атомної фізики та квантової електроніки» до 100-річчя від дня народження професора Івана Прохоровича Запісочного, Ужгород, 26‒27 травня 2022, с. 89-93.

12. S. Vlasenko, S. Ponomarenko, E. Khutoryan, S. Kishko, A. Zabrodskiy, A. Kuleshov, “Sub-THz CW Clinotron Cavity Design,” 2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC), Chengdu, China, 2023, pp. 1‒2, doi: 10.1109/IVEC56627.2023.10156940

13. S. Vlasenko, Yu. Kovshov, A. Likhachev, Yu. Arkusha, E. Khutoryan, S. Steshenko, S. Kishko, S. Ponomarenko, A. Kuleshov, “Operational Characteristics of the 330 GHz Continuous-Wave Clinotron with Modified Cavity,” 2024 Joint International Vacuum Electronics Conference and International Vacuum Electron Sources Conference (IVEC + IVESC), Monterey, CA, USA, 2024, pp. 1‒2, doi: 10.1109/IVECIVESC60838.2024.10694969

14. A. Kuleshov, E. Khutoryan, S. Vlasenko, S. Kishko, S. Ponomarenko, M. Tani, Y. Tatematsu, “Recent Advances in THz Clinotrons,” 2024 49th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Perth, Australia, 2024, pp. 1‒2, doi: 10.1109/IRMMW-THz60956.2024.10697558

Читати повністю

Схожі дисертації

0825U003168

МЕЛЬНИЧУК ТАРАС ОЛЕГОВИЧ

Фотостимульовані процеси в кристалах AgGaGe3Se8 легованих Dy, Nd, Er

0825U003129

Мельничук Тетяна Костянтинівна

Оптичні властивості склоподібних сплавів утворених бінарними галогенідами та сульфідами AgCl(I), Ag2S, Ga(La)2S3, GeS2, Sb2S3 легованих ербієм та неодимієм

0825U003057

Попович Іван Дмитрович

Падіння електромагнітних хвиль на шаруваті твердотільні структури, що містять метаповерхню

0825U003054

Шаправський Андрій Олександрович

Температурна та барична деформаціЇ оптичної індикатриси домішкових кристалів LiNH4SO4 β-модифікації.

0825U002831

Кириленко Ігор Ігорович

Чисельне моделювання динамічної еволюції малих тіл Сонячної системи