nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2025-20-3-23-33nguphys-423Research ArticleФИЗИКА ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, УСКОРИТЕЛЕЙ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫHIGH-ENERGY AND ACCELERATOR PHYSICS, PHYSICS OF HIGH-TEMPERATURE PLASMAСпектральная характеризация балансного смесителя для гетеродинной диагностики в окрестности частоты 0,3 ТГцThe Spectral Characterization of a Balanced Mixer for the Heterodyne Diagnostics in the Vicinity of the 0.3 THzСамцовД. А.SamtsovD. A.

Денис Алексеевич Самцов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Новосибирск

Denis A. Samtsov, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Senior Researcher

Novosibirsk

СандаловЕ. С.SandaloverYe. S.

Евгений Сергеевич Сандалов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Новосибирск

Yevgeny S. Sandalov, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Senior Researcher

Novosibirsk

АржанниковС. В.ArzhannikovA. V.

Андрей Васильевич Аржанников, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник

Новосибирск

Andrey V. Arzhannikov, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Chief Researcher

Novosibirsk

КалининП. В.KalininP. V.

Петр Валерьевич Калинин, научный сотрудник

Новосибирск

Petr V. Kalinin, Researcher

Novosibirsk

d.a.samtsov@inp.nsk.suИнститут ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАНРоссияBudker Institute of Nuclear Physics of SB RASRussian Federation2025110520262032333Copyright © Самцов Д.А., Сандалов Е.С., Аржанников С.В., Калинин П.В., 20262026Самцов Д.А., Сандалов Е.С., Аржанников С.В., Калинин П.В.Samtsov D.A., Sandalover Y.S., Arzhannikov A.V., Kalinin P.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nguphys.elpub.ru/jour/article/view/423

В Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера проводятся исследования по генерации мультимегаватных потоков излучения в интервале частот 0,1–1 ТГц. В настоящее время, исходя из перспективы практического использования таких потоков излучения, данные работы сосредоточиваются на локальной частотной области 0,3 ТГц. Для детального исследования потока излучения с высоким спектральным разрешением в этой локальной области частот нами создается радиометрическая диагностика на основе гетеродинного метода регистрации сигнала с высоким временным разрешением. Ключевой составляющей такой частотно-селективной диагностики высокого разрешения служит балансный смеситель, который обеспечивает получение сигнала на частоте, равной разности частот исследуемого и опорного сигналов. В представляемой работе описаны результаты характеризации балансного смесителя, который поставляется компанией МВэйв для использования потребителями в интервале частот 0,2–0,3 ТГц. Спектральные измерения проведены в окрестности частоты 0,3 ТГц в условиях, когда исследуемый сигнал и опорный сигнал поступают на входы смесителя в виде потоков излучения по квазиоптическим трактам. Частота исследуемого сигнала, подаваемого от лампы обратной волны, варьировалась в пределах от 288 до 294 ГГц. Опорный сигнал на эталонной частоте 290,85 ГГц генерировался диодом Ганна. В проведенных измерениях доказан линейный характер зависимости частоты разностного сигнала от разницы частот сигналов, подаваемых на входы смесителя, в пределах изменения отстройки от +4 до –2 ГГц. Разрешающая способность по частоте гетеродина с данным балансным смесителем оказалась на уровне не хуже 0,1 %.

The Budker Institute of Nuclear Physics is conducting research on the generation of multi-megawatt radiation fluxes in the frequency range of 0.1–1 THz. Currently, based on the prospects for practical use of such radiation fluxes, this work is focused on a local region of 0.3 THz, which corresponds to a wavelength of 1 mm. To study the radiation flux in this local frequency range in detail with high spectral resolution, we are developing a radiometric diagnostic system based on a heterodyne method for signal recording with high temporal resolution. One of the key components of this frequency-selective diagnostic system is a balanced mixer, which must generate a signal at a frequency equal to the difference between the frequency of the signal being studied and the reference frequency of the reference signal. This paper describes the characterization results of a balanced mixer supplied by MWave for use in the frequency range of 0.2–0.3 THz. Measurements were conducted around 0.3 THz with the working and reference signals supplied as radiation beams through quasi-optical paths. The working signal frequency varied from 288 to 294 GHz. The reference signal at a reference frequency of 290.85 GHz was provided by a Gunn diode. The measurements demonstrated the linearity of the difference signal frequency dependence on the frequency difference between the signals supplied to its two inputs. The frequency resolution of the local oscillator with this balanced mixer was found to be no worse than 0.1%.

терагерцевое излучениерадиометрическая диагностикагетеродинированиеквазиоптическое приборостроениеterahertz radiationradiometric diagnosticsheterodyningquasi-optical instrumentationЧасть исследования, посвященная созданию гетеродинной системы регистрации излучения в окрестности частоты 300 ГГц выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект №25-22-00317). Авторы выражают признательность сотрудникам Центра коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии и аналитика наносистем» НГУ за предоставленное измерительное оборудование.The work was supported by the Russian Science Foundation (project 25-22-00317). The authors acknowledge the Shared Equipment Center CKP “VTAN” (ATRC) of the NSU Physics Department for instrumental support of THz measurements.ReferencesDhillon S. S., Vitiello M. S., Linfield E. H. et al. The 2017 terahertz science and technology roadmap // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. Vol. 50. No. 4. P. 043001. DOI 10.1088/1361-6463/50/4/043001Dhillon S. S., Vitiello M. S., Linfield E. H. et al. The 2017 terahertz science and technology roadmap. Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, vol. 50, no. 4, рp. 043001. DOI 10.1088/1361-6463/50/4/043001Thumm M. K. A., Denisov G. G., Sakamoto K., Tran M. Q. High-power gyrotrons for electron cyclotron heating and current drive // Nuclear Fusion. 2019. Vol. 59. No. 7. Р. 073001. DOI 10.1088/1741-4326/ab2005Thumm M. K. A., Denisov G. G., Sakamoto K., Trans M. Q. High-power gyrotrons for electron cyclotron heating and current drive. Nuclear Fusion, 2019, vol. 59, no. 7, рp. 073001. DOI 10.1088/1741-4326/ab2005Litvak A. G., Denisov G. G., Glyavin M. Y. Russian Gyrotrons: Achievements and Trends // IEEE Journal of Microwaves. 2021. Vol. 1. No. 1. P. 260–268. DOI 10.1109/JMW.2020,3030917Litvak A. G., Denisov G. G., Glyavin M. Y. Russian Gyrotrons: Achievements and Trends. IEEE Journal of Microwaves, 2021, vol. 1, no. 1, pp. 260–268. DOI 10.1109/JMW.2020,3030917Ikeda R., Kajiwara K., Nakai T. et al. Progress on performance tests of ITER gyrotrons and design of dual-frequency gyrotrons for ITER staged operation plan // Nuclear Fusion. 2021. Vol. 61. No. 10. Р. 106031. DOI 10.1088/1741-4326/ac21f7Ikeda R., Kajiwara K., Nakai T. et al. Progress on performance tests of ITER gyrotrons and design of dual-frequency gyrotrons for ITER staged operation plan. Nuclear Fusion, 2021, vol. 61, no. 10, p. 106031. DOI 10.1088/1741-4326/ac21f7Belousov V. I., Denisov G. G., Shmelev M. Y. System of Electron Cyclotron Heating at the TRT Tokamak. // Plasma Phys. Rep. 2021. Vol. 47. Р. 1158–1168. https://doi.org/10.1134/S1063780X21110143Belousov V. I., Denisov G. G., Shmelev M. Y. System of Electron Cyclotron Heating at the TRT Tokamak. Plasma Phys. Rep., 2021, vol. 47, рр. 1158–1168. https://doi.org/10.1134/S1063780X21110143Ananichev A. A., Fokin A. P., Kuftin A. N. et al. Experimental Study of a Short-Pulse Prototype Megawatt-Power 230-GHz Gyrotron for the TRT Tokamak // IEEE Electron Device Letters. 2025. Vol. 46. No. 11. P. 2142-2144. DOI 10.1109/LED.2025.3604060Ananichev A. A., Fokin A. P., Kuftin A. N., et al. Experimental Study of a Short-Pulse Prototype Megawatt-Power 230-GHz Gyrotron for the TRT Tokamak. IEEE Electron Device Letters, 2025, vol. 46, no. 11, pp. 2142–2144. DOI 10.1109/LED.2025.3604060Denisov G., Kuftin A., Manuilov V. et al. Concept design of the megawatt power level gyrotron stabilized by a low-power signal for DEMO project // Nuclear Fusion. 2022. Vol. 62. No. 3. Р. 036020. DOI 10.1088/1741-4326/ac4946Denisov G., Kuftin A., Manuilov V. et al. Concept design of the megawatt power level gyrotron stabilized by a low-power signal for DEMO project. Nuclear Fusion, 2022, vol. 62, no. 3, pр. 036020. DOI 10.1088/1741-4326/ac4946Kariya T., Minami R., Imai T. et al. Development of high power gyrotrons for advanced fusion devices // Nuclear Fusion. 2019. Vol. 59. No. 6. P. 066009. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab0e2cKariya T., Minami R., Imai T. et al. Development of high power gyrotrons for advanced fusion devices. Nuclear Fusion, 2019, vol. 59, no. 6, рp. 066009. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ ab0e2cArzhannikov A. V., Timofeev I. V. Plasma Physics and Controlled Fusion. 2012. Vol. 54(10). P. 105004. DOI 10.1088/0741-3335/54/10/105004Arzhannikov A. V., Timofeev I. V. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2012, vol. 54(10), 105004. DOI 10.1088/0741-3335/54/10/105004Аржанников А. В., Тимофеев И. В. Интенсивное пучково-плазменное взаимодействие как источник субмиллиметрового излучения // Вестник НГУ. Cерия Физика. 2016. Т. 11, № 4. C. 78–104. DOI 10.54362/1818-7919-2016-11-4-78-104Arzhannikov A. V., Timofeev I. V. Intense beam-plasma interaction as a source of submillimeter radiation. Bulletin of NSU. Physics Series, 2016, vol. 11, no. 4, рp. 78–104. DOI 10.54362/1818-7919-2016-11-4-78-104 (in Russ.)Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Popov S. S. et al. Energy content and spectral composition of a submillimeter radiation flux generated by a high-current electron beam in a plasma column with density gradients // IEEE Transactions on Plasma Science. 2022. Vol. 50. No. 8. P. 2348– 2363. DOI 10.1109/TPS.2022.3183629Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Popov S. S. et al. Energy content and spectral composition of a submillimeter radiation flux generated by a high-current electron beam in a plasma column with density gradients. IEEE Transactions on Plasma Science, 2022, vol. 50, no. 8, pp. 2348– 2363. DOI 10.1109/TPS.2022.3183629.Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Samtsov D. A. et al. The Frequency Spectrum and Energy Content in a Pulse Flux of Terahertz Radiation Generated by a Relativistic Electron Beam in a Plasma Column with Different Density Distributions // Plasma Phys. Rep. 2024. Vol. 50. Р. 331– 341. https://doi.org/10.1134/S1063780X24600051Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Samtsov D. A. et al. The Frequency Spectrum and Energy Content in a Pulse Flux of Terahertz Radiation Generated by a Relativistic Electron Beam in a Plasma Column with Different Density Distributions. Plasma Phys. Rep., 2024, vol. 50, рр. 331– 341. https://doi.org/10.1134/S1063780X24600051Аржанников А. В., Синицкий С. Л., Старостенко Д. А. и др. Пучково-плазменный генератор ТГц-излучения на основе индукционного ускорителя (проект ЛИУ-ПЭТ) // Сибирский физический журнал. 2023. Т. 18 (1). С. 28–42. DOI 10.25205/2541-9447-2023-18-1-28-42Arzhannikov A. V., Sinitsky S. L., Starostenko D. A. et al. Beam-plasma generator of THz radiation based on an induction accelerator (LIU-PET project). Siberian Physical Journal, 2023, vol. 18, no. 1, рр. 28–42. DOI 10.25205/2541-9447-2023-18-1-28-42 (in Russ.)Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Arzhannikov A. V. et al. Kiloampere Electron Beam of a Linear Induction Accelerator as a Driver for a Submillimeter Free Electron Laser // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023. Vol. 87. Р. 573–579. https://doi.org/10,3103/S1062873822701763Sandalov E. S., Sinitsky S. L., Arzhannikov A. V. et al. Kiloampere Electron Beam of a Linear Induction Accelerator as a Driver for a Submillimeter Free Electron Laser. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., 2023, no. 87, рр. 573–579. https://doi.org/10.103/S1062873822701763Peskov N. Y., Ginzburg N.S., Zaslavskiy V. Yu. et al. Oversized modified Bragg cavities for high-power long-pulse subterahertz Free-Electron Lasers // Radiophysics and Quantum Electronics. 2020. Vol. 63. Р. 440–448. https://doi.org/10.1007/s11141-021-10069-9Peskov N. Y., Ginzburg N. S., Zaslavskiy V. Yu. et al. Oversized modified Bragg cavities for high-power long-pulse subterahertz Free-Electron Lasers. Radiophysics and Quantum Electronics, 2020, vol. 63, рр. 440–448. https://doi.org/10.1007/s11141-021-10069-9Samtsov D. A., Kalinin P. V., Sandalov E. S. Project of heterodyne detector at 300 GHz frequency and spectral properties of its main elements // Proceedings of the 14th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, 2025. 12 р.Samtsov D. A., Kalinin P. V., Sandalov E. S. Project of heterodyne detector at 300 GHz frequency and spectral properties of its main elements. Proceedings of the 14th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, 2025, 12 р.Самцов Д. А., Аржанников А. В., Калинин П. В. и др. Комплекс радиометрических диагностик для излучения диапазона 0,1–1 ТГц при его генерации в процессе пучково-плазменного взаимодействия // Сб. тез. докладов 21-й конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (XXI ДВП-2025), 2025. С. 245–246.Samtsov D. A., Arzhannikov A. V., Kalinin P. V. et al. Complex of radiometric diagnostics for radiation in the range of 0.1-1 THz during its generation in the process of beam-plasma interaction. Collection of abstracts of reports of the 21st conference Diagnostics of High-Temperature Plasma (XXI DVP-2025), 2025, pp. 245–246. (in Russ.)Матрозова Е. А., Ревин Л. С. Исследование интегрального гармонического смесителя на основе ВТСП джозефсоновского перехода // Журнал радиоэлектроники. 2025. №. 2. https://doi.org/10,30898/1684-1719.2025.2.5Matrozova E. A., Revin L. S. Study of an integrated harmonic mixer based on a HTSC Josephson junction. Journal of Radio Electronics, 2025, no. 2. https://doi.org/10,30898/1684-1719.2025.2.5 (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.