Построена нелинейная нестационарная самосогласованная теория взаимодействия винтового пучка электронов с волной в продольно-неоднородном цилиндрическом волноводе с импедансными стенками. В рамках данной теории задача возбуждения неоднородного импедансного волновода была впервые сведена строго к системе уравнений в частных производных, относительно двух переменных.
Разработан компьютерный код для расчета КПД и выходной мощности терагерцовых гиротронов с учетом омических потерь в стенках резонатора гиротрона и конверсии мод на неоднородностях резонатора. Конкретные численные расчеты проведены для 0.46-ТГц гиротрона в Университете г. Фукуи (УФ, Япония) и 1-ТГц 5-кВт гиротрона в Институте прикладной физики (ИПФ, Россия). Также представлено сравнение расчетов с результатами традиционного (несамосогласованного) рассмотрения омических потерь и с имеющимися экспериментальными данными.
Рисунок 1 – Выходная мощность ИПФ (а) и УФ (b) гиротронов в зависимости от магнитного поля, где кривая 1 - расчетная мощность без учета омических потерь; кривая 2 - результаты расчета, учитывающие омические потери несамосогласованным образом; кривая 3 - расчетная мощность при самосогласованном учете омических потерь; точка с горизонтальной планкой погрешностей - измеренная выходная мощность ИПФ гиротрона; кривая 3* - измеренная выходная мощность УФ гиротрона в произвольных единицах измерения.
Самосогласованное рассмотрение омических потерь в резонаторе гиротрона позволяет выявить дополнительный механизм снижения выходной мощности. Он связан с уменьшением полной добротности резонатора, которое вызвано омическими потерями. Уменьшение добротности, в свою очередь, приводит к увеличению стартового тока и, как следствие, сокращению области генерации, а также к смещению оптимальных (по электронному КПД) рабочих параметров и снижению самого КПД и выходной мощности.
Расчеты в рамках самосогласованного рассмотрения омических потерь позволяют достичь лучшего согласия с экспериментальными данными. Для ИПФ гиротрона они дают близкое к измеренной выходной мощности значение 5.5 кВт (Рис. 1а). Для УФ гиротрона такие расчеты позволяют установить область генерации, которая близка к экспериментально наблюдаемой (Рис. 2a).
Рисунок 2 – Выходная мощность УФ гиротрона (а) и пример конверсии мод (b) в резонаторе ИПФ гиротрона. На Рис. 2а кривая 1 - расчетная мощность при самосогласованном учете омических потерь в резонаторе гиротрона; кривая 2 - измеренная выходная мощность УФ гиротрона в произвольных единицах измерения
Конверсия мод в резонаторах УФ и ИПФ гиротронов является незначительной и оказывает малое влияние на их КПД и выходную мощность. Это связано со слабой неоднородностью резонаторов рассматриваемых гиротронов. Кроме того, конверсия мод пренебрежимо мала в центральных частях обоих резонаторов, где взаимодействие пучка с генерируемой волной является наиболее интенсивным. Конверсия мод становится более заметной на выходе из резонатора (Рис. 2b). Получаемый здесь модовый состав необходимо учитывать при оптимизации систем вывода выходного излучения.