Побудована нелінійна нестаціонарна самопогоджена теорія взаємодії гвинтового пучка електронів з хвилею в поздовжньо-неоднорідному циліндричному хвилеводі з імпедансними стінками. В рамках даної теорії задача збудження неоднорідного імпедансного хвилеводу була вперше зведена строго до системи рівнянь у часткових похідних, відносно двох змінних.
Розроблений комп'ютерний код для розрахунку ККД та вихідної потужності терагерцевих гіротронів з урахуванням омічних втрат у стінках резонатора гіротрона та конверсії мод на неоднорідностях резонатора. Конкретні чисельні розрахунки проведені для 0.46-ТГц гіротрона в Університеті м. Фукуї (УФ, Японія) та 1-ТГц 5-кВт гіротрона в Інституті прикладної фізики (ІПФ, Росія). Також представлено порівняння розрахунків з результатами традиційного (несамопогодженого) розгляду омічних втрат та з наявними експериментальними даними.
Рисунок 1 – Вихідна потужність ІПФ (а) та УФ (b) гіротронів залежно від магнітного поля, де крива 1 - розрахункова потужність без урахування омічних втрат; крива 2 - результати розрахунку, що враховують омічні втрати несамопогодженим чином; крива 3 - розрахункова потужність при самопогодженому врахуванні омічних втрат; точка з горизонтальною планкою похибок - виміряна вихідна потужність ІПФ гіротрона; крива 3* - виміряна вихідна потужність УФ гіротрона в довільних одиницях вимірювання.
Самопогоджений розгляд омічних втрат у резонаторі гіротрона дозволяє виявити додатковий механізм зниження вихідної потужності. Він пов'язаний зі зменшенням повної добротності резонатора, яке викликане омічними втратами. Зменшення добротності, у свою чергу, призводить до збільшення стартового струму та, як наслідок, скороченню області генерації, а також до зміщення оптимальних (за електронним ККД) робочих параметрів та зниженню самого ККД та вихідної потужності.
Розрахунки в рамках самопогодженого розгляду омічних втрат дозволяють досягти кращої згоди з експериментальними даними. Для ІПФ гіротрона вони дають близьке до виміряної вихідної потужності значення 5.5 кВт (Рис. 1а). Для УФ гіротрона такі розрахунки дозволяють встановити область генерації, яка близька до експериментально спостерігаємої (Рис. 2a).
Рисунок 2 – Вихідна потужність УФ гіротрона (а) та приклад конверсії мод (b) у резонаторі ІПФ гіротрона. На Рис. 2а крива 1 - розрахункова потужність при самопогодженому врахуванні омічних втрат у резонаторі гіротрона; крива 2 - виміряна вихідна потужність УФ гіротрона у довільних одиницях вимірювання
Конверсія мод у резонаторах УФ та ІПФ гіротронів є незначною та має малий вплив на їх ККД та вихідну потужність. Це пов'язано зі слабкою неоднорідністю резонаторів розглянутих гіротронів. Крім того, конверсія мод зневажливо мала в центральних частинах обох резонаторів, де взаємодія пучка з генерованою хвилею є найбільш інтенсивною. Конверсія мод стає більш помітною на виході з резонатора (Рис. 2b). Отримуваний тут модовий склад необхідно враховувати при оптимізації систем виведення вихідного випромінювання.