Современные гиротроны являются наиболее мощными, относительно компактными и высокоэффективными источниками терагерцового (ТГц) электромагнитного излучения. К области их применения можно отнести: спектрометрию электронного спинового резонанса для исследования магнитных материалов, выявление скрытого оружия, взрывчатых веществ и радиоактивных материалов, дистанционное построение изображений с высоким разрешением, диагностику плазмы, обработку материалов (в частности, спекание керамики), исследования глубокого космоса, неразрушающие методы испытания материалов, спектрометрию биомолекул на основе ядерного магнитного резонанса, медицинские технологии (например, лечение раковых опухолей) и другие.

Большинство из вышеуказанных применений требует непрерывного терагерцового излучения, которое может быть создано гиротронами на базе постоянных сверхпроводящих магнитов. Однако создание таких гиротронов является довольно сложной технической задачей. Главная причина заключается в том, что современные постоянные магниты имеют сравнительно небольшую (по сравнению с импульсными соленоидами) напряженность магнитного поля и при этом являются громоздкими, энергозатратными и дорогостоящими.

Снизить требования к магнитной системе гиротрона можно за счет генерации волн на высших гармониках (s > 1) циклотронной частоты. По этой причине гиротроны на высших циклотронных гармониках выглядят крайне привлекательными для использования в ТГц-технологиях.

На практике, однако, их реализация часто сталкивается с проблемой конкуренции между выбранной рабочей модой гиротрона и одной из фундаментальных (s = 1) циклотронных мод, что объясняется близостью стартовых токов (порогов генерации) этих мод. Такая конкуренция мод приводит к сокращению области генерации, снижению КПД и мощности гиротрона. Таким образом, для успешной реализации высокоэффективных гиротронов на высших циклотронных гармониках крайне важным является создание условий для селективного подавления фундаментальных паразитных мод.

Для такой селекции могут быть использованы электродинамические методы, которые включают в себя оптимизацию параметров резонатора гиротрона с целью наиболее эффективного удержания в объеме резонатора выбранной рабочей моды гиротрона. Такая оптимизация резонатора позволяет снизить дифракционные потери и стартовый ток для рабочей моды относительно аналогичных значений для конкурирующих мод. Благодаря этому может быть увеличена область одномодовой генерации рабочей моды гиротрона.

На основе разработанной в НПК ВИЭРТ нелинейной самосогласованной теории гиротрона проведено детальное исследование возбуждения мод терагерцового гиротрона на высших гармониках циклотронной частоты.

В качестве примеров рассмотрены два типа резонатора гиротрона (Рис. 1) и исследована возможность их оптимизации с целью селективного подавления фундаментальных паразитных мод. Первый тип - традиционный цилиндрический резонатор гиротрона с однородной центральной (основной) секцией, которая с обеих сторон соединена со слабо-неоднородными коническими рупорами. Его оптимизация проведена относительно длины основной секции резонатора и угла конусности выходного рупора. При этом были учтены омические потери в стенках резонатора, связанные с конечной проводимостью его материала. Второй тип - цилиндрический резонатор, нагруженный диафрагмой. Оптимизация этого резонатора проведена относительно ширины и глубины диафрагмы. Кроме омических потерь, дополнительно учтена конверсия мод вследствие неоднородности структуры резонатора. В качестве примера использования рассматриваемых резонаторов выбран 50-кВт 400-ГГц гиротрон на второй (s = 2) гармонике циклотронной частоты. Такие гиротроны имеют применение в системах диагностики плазмы на основе коллективного Томсоновского рассеяния.

 К основным результатам исследования можно отнести следующее:

 впервые получено аналитическое выражение для стартового тока в приближении фиксированной структуры электромагнитного поля в резонаторе гиротрона с учетом конверсии мод;

 численными методами выполнена оптимизация геометрии и формы резонатора 50-кВт 0.4-ТГц гиротрона на второй (s = 2) гармонике циклотронной частоты и найдены оптимальные условия генерации излучения на высших гармониках для двух вариантов резонатора - традиционного цилиндрического и нагруженного диафрагмой резонатора (Рис. 2). Определены параметры (Рис. 3), обеспечивающие минимальность стартового тока рабочей моды по сравнению со стартовым током наиболее опасной конкурирующей моды при необходимом уровне КПД и выходной мощности гиротрона;

 установлено, что резонатор гиротрона с диафрагмой оптимального размера обеспечивает наиболее благоприятные условия для стабильной работы 50-кВт 0.4-ТГц гиророна на второй гармонике циклотронной частоты. Однако при этом максимальная мощность гиротрона (56 кВт) почти в два раза меньше по сравнению со случаем использования традиционного резонатора оптимальной формы. Это объясняется увеличенной долей омических потерь в полных потерях резонатора гиротрона с диафрагмой.