PIC-МОДЕЛЬ РЕЛЯТИВИСТCКОГО ДВУХ-РЕЗОНАТОРНОГО ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА С МАГНИТНЫМ ЗЕРКАЛОМ
https://doi.org/10.26583/vestnik.2025.1.1
EDN: BXVVKZ
Аннотация
Предложена концепция и дизайн релятивистского двух-резонаторного отражательного клистрона с магнитным зеркалом. Создана 2.5-D компьютерная particle-in-cell (PIC) модель релятивистского двух-резонаторного отражательного клистрона с магнитным зеркалом на основе PIC-кода КАРАТ. Модель учитывает подвод внешней СВЧ-волны от задающего генератора, позволяет самосогласованно вычислять динамику электронов и выходные характеристики клистрона. Проведено сравнительное моделирование релятивистского двух-резонаторного отражательного клистрона с магнитным зеркалом и релятивистского двух-резонаторного пролетного клистрона без магнитного зеркала. Показано, что спектральные характеристики обоих клистронов близки друг другу. Выполнено сравнение выходной мощности отражательного клистрона и пролетного клистрона. Найдено, что выходная мощность у отражательного клистрона примерно в 1.4 раза больше, чем у пролетного клистрона. Изучено влияние положения магнитного зеркала на величину генерируемой СВЧ-мощности отражательного клистрона.
Об авторах
А. Е. Дубинов
Саровский физико-технический институт – филиал Научно-исследовательского ядерного университета «Московский инженерно-физический институт» (СарФТИ НИЯУ МИФИ);
Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)
Россия
Россия
профессор кафедры "Экспериментальная физика"
доктор физико-математических наук, доцент,
AuthorID: 28869
Г. Н. Колесов
Саровский физико-технический институт – филиал Научно-исследовательского ядерного университета «Московский инженерно-физический институт» (СарФТИ НИЯУ МИФИ);
Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)
Россия
Россия
аспирант,
AuthorID: 1080709
Список литературы
1. Varian R.,Varian S. F. A high frequency oscillator and amplifier // Journal of Applied Physics, 1939. V.10, P. 321‒327. https://doi.org/10.1063/1.1707311
2. Caryotakis G. The klystron: A microwave source of surprising range and endurance // Physics of Plasmas, 1998. V. 5. P.1590‒1598. https://doi.org/10.1063/1.872826
3. Tsimring S. E. Electron beams and microwave vacuum electronics. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2006. 573 p.
4. Gilmour A. S. Klystrons, traveling wave tubes, magnetrons, crossed-field amplifiers, and gyrotrons. Boston & London: Artech House, 2011.
5. Nguyen K. T., Abe D. K., Pershing D. E., Levush B., Wright E. L., Bohlen H., etc. High-power four-cavity S-band multiple-beam klystron design // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004. V.32, P.1119‒1135. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.828884
6. Cai J. C, Syratchev I., Burt G. Design study of a high-power Ka-band high-order-mode multibeam klystron// IEEE Transactions on Electron Devices, 2020. V.67. P. 5736‒5742. https://doi.org/10.1109/TED.2020.3028348
7. Behtouei M., Spataro B., Di Paolo F., Leggieri A. The Ka-band high power klystron amplifier design program of INFN // Vacuum,2021. V. 191, 110377-1‒6. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110377
8. Boyd M. R., Dehn R. A., Hickey J. S., Mihran T. G. The multiple-beam klystron. // IRE Transactions on Electron Devices, 1962. V.9, P. 247‒252. https://doi.org/10.1109/T-ED.1962.14979
9. Korolyov A. N., Gelvich E. A., Zhary Y. V., Zakurdayev A. D., Poognin V. I. Multiple-beam klystron amplifiers: performance parameters and development trends // IEEE Transactions on Plasma Science, 2004. V.32. P. 1109‒1118. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.828807
10. Ding Y., Zhu Y., Yin X., Sun X., Shen B., Miao Y., Wang C. Research progress on C-band broadband multibeam klystron // IEEE Transactions on Electron Devices, 2007. V.54. P.624‒630. https://doi.org/10.1109/TED.2007.892354
11. Lau Y. Y., Friedman M., Krall J., Serlin V. Relativistic klystron amplifiers driven by modulated intense relativistic electron beams // IEEE Transactions on Plasma Science, 1990. V.18. P. 553‒569 . https://doi.org/10.1109/27.55927
12. Serlin V., Friedman M. Development and optimization of the relativistic klystron amplifier // IEEE Transactions on Plasma Science, 1994. V.22. P. 692‒700. https://doi.org/10.1109/27.338284
13. Levine J. S. , Harteneck B.D. Repetitively pulsed relativistic klystron amplifier // Applied Physics Letters, 1994. V.65. P. 2133‒2135. https://doi.org/10.1063/1.112813
14. Huang H., Feng D. C., Luo G. Y., Lei L. Y., Chen Zh. G., Liao Y., Tan J., Jin X., Meng F.B. Repetitive operation of an S-band 1-GW relativistic klystron amplifier // IEEE Transactions on Plasma Science, 2007. V.35. P. 384‒387. https://doi.org/10.1109/TPS.2007.893263
15. Yang F., Dang F., Ge X., He J., Ju J., Zhang X. A compact coaxial relativistic klystron amplifier with three cascaded single-gap bunching cavities for efficient output // Physics of Plasmas, 2022. V.29. 093111-1‒7.https://doi.org/10.1063/5.0109774
16. Benford J. History and future of high power microwaves // IEEE Transactions on Plasma Science, 2024. V.52. P.1137‒1144. https://doi.org/10.1109/TPS.2024.3391732
17. Allen M.A., Boyd J.K., Callin R.S., Deruyter H., Eppley K.R., Fant K.S., Fowkes W.R., etc. High-gradient electron accelerator powered by a relativistic klystron // Physical Review Letters, 1989. V.63. P. 2472‒2475. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.64.2337
18. Wang S., Fukuda S., Lu Z., Nisa Z., Zhou Z., Xiao O., Pei G. Design study and modeling of multi-beam klystron for Circular Electron Positron Collider // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, 2022. V.1026. 166208-1‒9. https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.166208
19. Jang K.-H., Jeon S.-G., Kim J.-I., Won J.-H., So J.-K., Bak S.-H., Srivastava A., Jung S.-S., Park G.-S. High order mode oscillation in a terahertz photonic-band-gap multibeam reflex klystron // Applied Physics Letters, 2008. V. 93, 211104-1‒3. https://doi.org/10.1063/1.3037026
20. Jang K.-H., Park S. H., Lee K., Park G.-S., Jeong Y.U. High-order photonic bandgap reflex klystron using carbon nanotube multi-beam cathode // Electronics Letters, 2012. V.48. P. 707‒708. https://doi.org/10.1049/el.2012.0976
21. Gillespie K. M., Speirs D. C., Ronald K., McConville S. L., Phelps A. D. R., Bingham R., Cross A.W., Robertson C. W., Whyte C. G., He W., Vorgul I., Cairns R. A., Kellett B. J. 3D PiC code simulations for a laboratory experimental investigation of Auroral kilometric radiation mechanisms // Plasma Physics and Controlled Fusion, 2008. V.50. 124038-1-11. https://doi.org/10.1088/0741-3335/50/12/124038
22. Higaki H., Sakurai S., Ito K., Okamoto H. Nonneutral electron plasmas confined in a compact magnetic mirror trap // Applied Physics Express, 2012. V.5. 106001-1‒3. https://doi.org/10.1143/APEX.5.106001
23. Leopold J. G., Krasik Ya. E., Bliokh Y. P., Schamiloglu E. Producing a magnetized low energy, high electron charge density state using a split cathode // Physics of Plasmas, 2020. V.27. 103102-1-9. https://doi.org/10.1063/5.0022115
24. Timofeev I.V., Annenkov V.V., Volchok E. P., Glinskiy V.V. Electron beam–plasma discharge in GDT mirror trap: particle-in-cell simulations// Nuclear Fusion, 2022. V.62, 066033. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac3cdc
25. Dubinov A. E., Tarakanov V. P. Particle-in-cell/Monte Carlo-simulation of the discharge in helium initiated by a relativistic electron beam in the chamber with a magnetic mirror // Contributions to Plasma Physics, 2022. V.62, 202100198-1-13. https://doi.org/10.1002/ctpp.202100198
26. Borzenkov D. V., Luksha O. I. Numerical simulation of space-charge dynamics in a gyrotron trap // Technical Physics, 1997. V.42. P. 1071-1074. https://doi.org/10.1134/1.1258768
27. Ilyakov E.V., Kulagin I.S., Manuilov V.N., Shevchenko A.S. Experiments on the formation of an intense helical electron beam under conditions of picking-up of the electrons reflected from the magnetic mirror // Radiophysics and Quantum Elektronics, 2007. V.50. P. 713–719. https://doi.org/10.1007/s11141-007-0062-4
28. Fuks M. I. , Schamiloglu E. Application of a magnetic mirror to increase total efficiency in relativistic magnetrons // Physical Review Letters, 2019. V.122. 224801-1-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.224801
29. Dubinov A. E. Features of electron dynamics in a vircator with a magnetic mirror// Journal of Communications Technology and Electronics, 2000. V.45. P. 792-796. https://elibrary.ru/item.asp?id=14996670
30. Dubinov A. E., Kolesov H. N., Tarakanov V. P. Relativistic multivircator with two magnetic mirrors on underlimit electron beam: concept and PIC-simulation results // IEEE Transactions on Plasma Science, 2022. V.50. P. 4589-4595. https://doi.org/10.1109/TPS.2022.3214995
31. Гаркуша О. В., Зданович А. И., Школьников Э. Я. СВЧ-генератор на виртуальном катоде в магнитной пробке // Сб. Науч. Тр.: Научная Сессия МИФИ, 2001, Т.7. С. 146-147.
32. Березин Ю. А., Вшивков В. А. Метод частиц в динамике разреженной плазме. Новосибирск: Наука, 1980. 95 c.
33. Бэдсел Ч., Ленгдон А. Физика плазмы и численное моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1989. 452 с.
34. Skjæraasen O., Melatos A., Spitkovsky A. Particle-in cell simulations of a nonlinear transverse electromagnetic wave in a pulsar wind termination shock // Astrophysical Journal, 2005. V. 634. P. 542‒546. https://doi.org/10.1086/496873
35. Lee S.-Y., Lee† E., Kim K.-H, Seon J., Lee D.-H., Ryu K.-S. Development and test of 2.5-dimensional electromagnetic PIC simulation code // Journal of Astronomy and Space Sciences, 2015. V. 32. P. 45–50. https://doi.org/10.5140/JASS.2015.32.1.45
36. Rozental R.M., Tai E.M., Tarakanov V.P., Fokin A.P. Using the 2.5-dimensional PIC code for simulating gyrotrons with nonsymmetric operating modes // Radiophysics and Quantum Electronics, 2022. V.65. P. 384–396. https://doi.org/10.1007/s11141-023-10221-7
37. Tarakanov V.P. User’s Manual for Code KARAT. Springfield, VA: Berkley Research Associates, 1992.
38. Friedman M.,Ury M. Microsecond duration intense relativistic electron beams // Review of Scientific Instruments, 1972. V. 43. P. 1659‒1661. https://doi.org/10.1063/1.1685517
39. Donets E.D., Donets E.E., Syresin E.M., Dubinov A. E., Makarov I.V., Sadovoy S.A., Saikov S. K., Tarakanov V. P. Formation of longitudinal nonlinear structures in the electron cloud of an electron-string ion source // Plasma Physics Reports., 2009. V.35. P.54-61. https://doi.org/10.1134/S1063780X09010073
40. Dubinov A. E. , Tarakanov V. P. PIC simulation of the dynamics of electrons in a conical vircator // IEEE Transactions on Plasma Science, 2016. V.44. P.1391-1395. https://doi.org/10.1109/TPS.2016.2580608
41. Dubinov A.E., Tarakanov V.P. PIC simulation of a two-foil vircator // Laser and Particle Beam, 2017. V.35. P. 362-365. https://doi.org/10.1017/S0263034617000283
42. Ginzburg N.S., Rozental R.M., Sergeev A.S., Fedotov A.E., Zotova I.V., Tarakanov V.P. Generation of rogue waves in gyrotrons operating in the regime of developed turbulence // Physical Review Letters, 2017. V. 119, 034801-1-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.034801
43. Totmeninov E. M., Klimov A. I., Konev V. Yu., Pegel I. V., Rostov V. V., Tsygankov R. V., Tarakanov V. P. Mode selection in an S-band relativistic backward wave oscillator based on a coaxial waveguide // Technical Physics Letters, 2014. V.40. P. 152-156. https://doi.org/10.1134/S1063785014020278
44. Dubinov A. E., Tarakanov V. P. Simulation of the formation of the squeezed state of an electron beam with a sublimiting beam current in a closed drift tube // Technical Physics, 2020. V.65. P.1002-1005. https://doi.org/10.1134/S1063784220060080
45. Dubinov A.E. The simulation of a beam-plasma discharge with the beam current exceeding the limiting vacuum current // High Temper, 2004. V.42. P.675−681. https://doi.org/10.1023/B:HITE.0000046520.56858.b9
46. Barabanov V. N., Dubinov A. E., Loiko M. V., Saikov S. K., Selemir V. D., Tarakanov V. P. Beam discharge excited by distributed virtual cathode // Plasma Physics Reports, 2012. V.38. P.169-178. https://doi.org/10.1134/S1063780X12010023
47. Kralkina E. A., Nekludova P. A., Nikonov A. M., Vavilin K. V., Zadiriev I. I. Mutual influence of the channels in a combined discharge based on the RF inductive and DC discharges // Vacuum, 2021. V.198, 110873-1-11. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.110873
48. Mumtaz S., Lim J. S., Ghimire B., Lee S. W., Choi J. J., Choi E. H. Enhancing the power of high power microwaves by using zone plate and investigations for the position of virtual cathode inside the drift tube // Physics of Plasmas,2018. V.25, 103113-1-9. https://doi.org/10.1063/1.5043595
Рецензия
Для цитирования:
Дубинов А.Е., Колесов Г.Н. PIC-МОДЕЛЬ РЕЛЯТИВИСТCКОГО ДВУХ-РЕЗОНАТОРНОГО ОТРАЖАТЕЛЬНОГО КЛИСТРОНА С МАГНИТНЫМ ЗЕРКАЛОМ. Вестник НИЯУ МИФИ. 2025;14(1):3-15. https://doi.org/10.26583/vestnik.2025.1.1. EDN: BXVVKZ
For citation:
Dubinov A.E., Kolesov H.N. PIC MODEL OF RELATIVISTIC TWO-CAVITY REFLEX KLYSTRON WITH MAGNETIC MIRROR. Vestnik natsional'nogo issledovatel'skogo yadernogo universiteta "MIFI". 2025;14(1):3-15. (In Russ.) https://doi.org/10.26583/vestnik.2025.1.1. EDN: BXVVKZ
Просмотров:
118
Послать статью по эл. почте 