Приборы с электронными потоками
В зависимости от фазовых соотношений между колебаниями электронов и электрическим высокочастотным полем возможен как отбор энергии от поля при ускорении электронов, так и передача энергии полю при торможении электронов. Для отдачи энергии в нагрузку необходима такая группировка электронов, при которой большинство их тормозится. Требование группировки электронов обязательно для электронных приборов всех классов, в том числе ЭВП Ои М типов, как об этом говорилось раньше.
Механизм группировки электронов определяется принципом действия ЭВП, его конструкцией и характеристиками взаимодействия электронов и поля. Однако, во всех ЭВП группировка обязана возникновению в электронном потоке сил, приводящих к ускорению электронов, забирающих энергию у поля и к торможению электронов, отдающих энергию.
В частности, в приборах с колебательным движением электронов группировка возникает в связи с зависимостью периода колебаний электрона от величины его скорости, т.е. от амплитуды воздействующего высокочастотного поля.
Важное значение для увеличения эффективности ЭВП, кроме группировки, имеет механизм вывода из пространства взаимодействия электронов, забирающих энергию поля сортировка электронов. Принцип сортировки легко проследить на примере диодного магнетрона. При достаточно близком расположении невозмущенной орбиты электрона к аноду ускоренные электроны попадают на анод либо катод, т.е. "выводятся из игры".
Приборы с колебательным движением электронов могут быть построены при различных типах движения электронов: прямолинейных с нерегулярностями движения, вызванными периодическим ускорением и замедлением в статических электрических полях , с волнообразными, спиральными, троходидальными и т.п. траекториями.
Изобретение и первые исследования принципов построения ЭВП с криволинейными электронными потоками, взаимодействующими с незамедленными волнами в гладких электродинамических системах, относятся к пятидесятым годам прошлого столетия. Идея возможности эффективного взаимодействия криволинейных электронных потоков с незамедленными электромагнитными волнами базируется на понятии фазовой скорости последовательности заряженных частиц, введенной С.И.Тетельбаумом еще в 1954 году.
Если сгруппированные с круговой частотой ш электронные сгустки малого размера движутся по волнообразной или винтовой траектории в поле плоской волны c поперечной компонентой напряженности электрического поля, то протяженное взаимодействие сгустков с волной будет наиболее эффективным при надлежащей их фазировке и выполнении условия.
Здесь Q круговая частота траектории сгустков, vz продольная скорость электронов, Уф случае скорость перемещения огибающей сгустков. Фазовая скорость последовательности частиц совпадает по направлению с vz. При ш<0 эти скорости направлены в противоположные стороны, и заряженные частицы будут отдавать энергию обратной волне, распространяющейся навстречу поступательному движению электронов. Фазовую скорость последовательности частиц можно в этом случае считать отрицательной. Отрицательная фазовая скорость последовательности частиц при взаимодействии волнообразного электронного потока с плоской волной создает внутреннюю обратную связь в высокочастотной системе, что лежит в основе работы автогенераторов на обратной волне.
Предложен способ генерации сверхвысокочастотных колебаний, основанный на взаимодействии криволинейных (троходидальных, винтовых и волнообразных) электронных потоков с незамедленными электромагнитными волнами, предложены конструктивные реализации этого способа генерации. В одной из предложенных в конструкций со спиральным электронным потоком в полом волноводе применены несколько электронных пушек, установленных на корпусе прибора и вводящих пучки под углом к осевому магнитному полю (поливинтовой электронный поток). Приборы этого класса являются гироприборами с криволинейными пучками электронов. Название "гироприборы" связано с тем, что их рабочие частоты близки к гирочастоте (циклотронной частоте) или ее гармонике.
Первые конструкции генераторов на обратной волне с троходидальными пучками электронов, формируемыми в скрещенных электрическом E0 и магнитном В0 полях в двухпроводной ленточной СВЧ системе, выполнены в Киевском политехническом институте в 1957 году. Электроны в этих приборах совершают колебательное движение с гирочастотой шн=еВ0/т, а их скорость дрейфа вдоль направления распространения волны vj=E0/B0. Эти приборы названы фазохронами.
Приведенное упущение в теории не позволило правильно рассчитать энергетические характеристики приборов, однако, не сказалось на конструкции, в которой группировка электронов имела место в связи с характером движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях и взаимодействием их с незамедленной волной. Полученный энергетический эффект и характеристики электронной перестройки частоты определились взаимодействием трохоидального сгруппированного электронного пучка с незамедленной обратной волной типа ТЕМ, электрическое поле которой перпендикулярно дрейфу электронов.
Таким образом, в работах, относящихся к 1957-59 годам, впервые в мире созданы конструкции действующего макета гирогенератора с трохоидальным электронным пучком и представлены экспериментальные результаты, подтвердившие работоспособность гирогенераторов незамедленной обратной волны. Рабочий диапазон действующего макета 715 см. Высокочастотная система выполнена двухпроводной на двух медных пластинах, закрепленных в стеклянном баллоне; длина пространства взаимодействия 170 мм. Поперечное магнитное поле в области взаимодействия создавалось электромагнитом и могло регулироваться в пределах 6001600 Э; к рейкам подводилось напряжение 3 кВ. Применялся оксидноториевый катод, расположенный в окне одной из пластин высокочастотной системы. Применялась рекуперация отработанных электронов и с этой целью конструкция содержала изолированный, охлаждаемый водой коллектор, на который подводилось напряжение 0,7 кВ. Ток коллектора составлял 25 мА. Вывод энергии в виде согласованной линии располагался у катодного конца высокочастотной системы, поскольку макет действовал как генератор обратной волны. Уровень непрерывной выходной мощности составлял 3 Вт, диапазон плавной перестройки частоты при изменении величины магнитного поля в интервале 6701600 Э превышал октаву (=6,816,7 см).
Анализ взаимодействия электронных потоков с незамедленными волнами проводился на основе представления электронного потока как ансамбля возбужденных классических осцилляторов, которым присуще излучение, стимулированное высокочастотным полем. С учетом этого подхода приборы с колебательным движением электронов в магнитном поле получили название мазеров на циклотронном резонансе МЦР.
В многочисленных исследованиях, показано, что в миллиметровом диапазоне волн поток колеблющихся электронов в высокочастотном электромагнитном поле можно характеризовать постоянной и переменной составляющими заряда, плотности тока, скорости частиц; взаимодействие с высокочастотным полем базируется на группировке зарядов в сгустки, торможении сгустков, когерентном суммировании излучений сгустков. Таким образом, гироприборы в диапазоне СВЧ могут рассматриваться, как классические электровакуумные приборы и естественным является их анализ на основе классических законов взаимодействия.
На начальной стадии развития гироприборов в течение 60х годов прошлого столетия во многих ведущих научных лабораториях мира активно разрабатывалась теория нелинейного взаимодействия спиральных электронных пучков с ВЧ полем. Однако достигнутый в эти годы уровень генерируемой мощности гиротронными приборами на трохоидальных пучках электронов был заметно ниже, чем у традиционных ЭВП (клистронов, ЛБВ, магнетронов), не превышал одного киловатта в сантиметровом диапазоне волн. Приборы с электронными потоками, формируемыми скрещенными электрическим и магнитным полями обладали принципиальными недостатками: величина максимального допустимого статического электрического поля Е0 ограничивается требованиями электрической прочности системы; увеличение рабочей частоты прибора требует увеличения циклотронной частоты т.е. увеличения индукции статического магнитного поля В0; ограничение величины Е0 и увеличение В0 в приборах миллиметрового диапазона волн приводит к уменьшению скорости дрейфа электронов vd=E0/B0. Это обстоятельство снижает реализуемую величину тока электронного пучка и, следовательно, уровень выходной мощности прибора.
Скачок в развитии мощных генераторов и усилителей незамедленных волн определился в 1966 году в результате создания конструкций гироприборов с винтовыми пучками электронов, формируемыми электроннооптической системой с независимым ускоряющим напряжением U0, и обеспечением взаимодействия с незамедленной волной в эквипотенциальной области с осевым магнитным полем. Развитие этого класса приборов привело в конечном итоге к созданию одних из наиболее мощных электронных приборов в миллиметровом диапазоне волн гироприборов, включающих в себя ряд эффективных разновидностей: гиромонотронов, гироклистронов, гироЛОВ, гироЛБВ, гиротвистронов. Возможность независимого выбора ускоряющего напряжения U0 и магнитного поля В0 позволяет создавать мощные электронные потоки в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, что обеспечивает высокий уровень энергетических параметров приборов. Высокочастотные системы не содержат мелкоструктурных конструктивных элементов для замедления фазовой скорости, характеризуются значительным увеличением размеров пространства взаимодействия и поэтому обладают существенными преимуществами в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.
Гироприборы с винтовыми электронными пучками, формируемыми осесимметричными электроннооптическими системами, работающие вблизи частоты отсечки высокочастотной системы fc, где фазовая скорость волны значительно превышает скорость света, названы авторами изобретения 14 гиротронами. Детальному рассмотрению принципов действия гиротронов, достижимых энергетических и диапазонных характеристик, особенностей их конструкций и режимов работы посвящены последующие разделы этой главы.
Строго говоря, к классу ЭВП с поперечным колебательным движением электронов и взаимодействием с быстрой волной следует отнести и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), в которых электронный пучок с колебательной траекторией формируется благодаря периодической магнитной системе с магнитным полем перпендикулярным к направлению скорости волны и плоскости движения электронов 15. Приборы этого класса в субмиллиметровом диапазоне являются самыми мощными и широкодиапазонными ЭВП в настоящее время. Произведение их средней выходной мощности на квадрат частоты /МВх/ ГГц=10 (см. рис. 1 из предисловия). С применением ЛСЭ получена средняя мощность 1 кВт на длине волны =3 мкм; достигнут исключительно широкий диапазон рабочих частот от сантиметровых волн до ультрафиолетового когерентного излучения. Особенностью ЛСЭ является их работа с энергией электронного пучка, составляющей десятки и сотни МэВ. Такие уровни энергии электронов обеспечиваются применением ускорителей, являющихся одними из основных узлов ЛСЭ. Приборы этого класса выходят за рамки рассматриваемых в данной книге традиционных классов ЭВП.
Похожие статьи:
