Спектральная характеризация балансного смесителя для гетеродинной диагностики в окрестности частоты 0,3 ТГц

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 %.

1. Dhillon 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 10.1088/1361-6463/50/4/043001

2. Thumm 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/ab2005

3. Litvak 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.2020,3030917

4. Ikeda 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/ac21f7

5. Belousov 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/S1063780X21110143

6. Ananichev 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.2025.3604060

7. Denisov 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/ac4946

8. Kariya 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/ab0e2c

9. Arzhannikov A. V., Timofeev I. V. Plasma Physics and Controlled Fusion. 2012. Vol. 54(10). P. 105004. DOI 10.1088/0741-3335/54/10/105004

10. Аржанников 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 10.54362/1818-7919-2016-11-4-78-104

11. 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.2022.3183629

12. 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/S1063780X24600051

13. Аржанников 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 10.25205/2541-9447-2023-18-1-28-42

14. 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/S1062873822701763

15. Peskov 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/s11141-021-10069-9

16. 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.

17. 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.

18. Матрозова Е. А., Ревин Л. С. Исследование интегрального гармонического смесителя на основе ВТСП джозефсоновского перехода // Журнал радиоэлектроники. 2025. №. 2. https://doi.org/10,30898/1684-1719.2025.2.5