7 Содержание
Российский федеральный ядерный центр – ВНИИЭФ
А.И. Астайкин, л.В. Воронина, а.Ф. Липатов, в.Б. Профе приборы физической электроники
Под редакцией доктора технических наук,
профессора А.И. Астайкина
Саров 2002
ББК 22.313
А91
УДК 621.385.6
Приборы физической электроники: А.И. Астайкин, Л.В. Воронина, А.Ф. Липатов, В.Б. Профе. Саров: РФЯЦ–ВНИИЭФ, 2002
ISBN 5-85165-400-7
Рассмотрены различные типы вакуумных и плазменных электронных приборов физической электроники, особенности их работы и основные характеристики. Приведена классификация, параметры и схемы включения данных устройств. Дано описание процессов группирования электронов в пучках, рассмотрено взаимодействие электронных потоков с полями электродинамических систем. Последовательно рассмотрены принципы и физические основы работы электронных приборов с сосредоточенным взаимодействием (пролетных и отражательных клистронов, триодов) и с распределенным взаимодействием (ЛБВ, ЛОВ, приборов М-типа). Один из разделов посвящен усилительным клистронам с распределенным взаимодействием (КРВ), являющимися гибридами ЛБВ и пролетных клистронов. В рамках волновых представлений и самосогласованного анализа приведено последовательное описание процессов и методики расчета КРВ. Рассмотрены физические основы применения и использования плазмы для генерирования и усиления СВЧ колебаний, а также основные принципы работы плазменных приборов.
Книга предназначена для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников, специализирующихся в областях СВЧ техники и разработки приборов физической электроники.
Рецензенты:
доктор физ.-мат. наук, профессор, начальник отдела РФЯЦ–ВНИИЭФ В.А. Терехин; доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой ННГУ А.В. Якимов; доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой МЭИ В.А. Пермяков
ISBN 5-85165-400-7 Российский федеральный ядерный центр–
ВНИИЭФ, 2002
Содержание
Список условных обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
8 |
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
12 |
1. Физические основы работы вакуумных электронных приборов диапазона СВЧ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
1.1. Особенности ЭП СВЧ в сравнении с электронными лампами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
1.2. Физические принципы работы ЭП СВЧ. . . . . . . . . . . . |
17 |
1.3. Виды взаимодействия СВЧ поля с электронным потоком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
24 |
1.4. Взаимодействие в приборах с электростатическим управлением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
1.5. Клистронный механизм взаимодействия. . . . . . . . . . . |
30 |
1.6. Длительное взаимодействие электронов с полем бегущей волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
34 |
1.7. Законы наведения тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
35 |
1.7.1. Основной закон наведенного тока. . . . . . . . . . . . . |
35 |
1.7.2. Наведение тока в плоском зазоре при прохождении модулированного по плотности электронного потока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
38 |
1.7.3. Форма импульсов наведенного тока. . . . . . . . . . . . |
41 |
1.8. Электронные пучки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
43 |
1.9. Медленные электромагнитные волны. . . . . . . . . . . . . . |
47 |
1.9.1. Медленные волны в спирали. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
47 |
1.9.2. Дисперсионные свойства ЗС. . . . . . . . . . . . . . . . . . |
51 |
2. Клистроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
55 |
2.1. Двухрезонаторный пролетный клистрон. . . . . . . . . . . |
55 |
2.1.1. Принцип действия двухрезонаторного пролетного клистрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
56 |
2.1.2. Кинематическая теория группировки электронов при использовании преобразования методом дрейфа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
57 |
2.1.3. Форма волны конвекционного тока в пространстве дрейфа и выходном зазоре. . . . . . |
61 |
2.1.4. Мощность колебаний в выходном резонаторе. . . |
65 |
2.1.5. Электронный КПД двухрезонаторного клистрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
67 |
2.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы. . . . . . . . |
72 |
2.3. Двухрезонаторные клистронные умножители частоты |
75 |
2.4. Многорезонаторные пролетные усилительные клистроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
76 |
2.4.1. Принцип каскадной группировки электронов. . . . |
77 |
2.4.2. Коэффициент усиления и КПД многорезонатор- ного клистрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
79 |
2.4.3. Характеристики и параметры каскадных клистронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
84 |
2.5. Отражательный клистрон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
87 |
2.5.1. Принцип работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
87 |
2.5.2. Конвекционный ток в отражательном клистроне |
93 |
2.5.3. Электронная проводимость зазора отражательного клистрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
95 |
2.5.4. Условия самовозбуждения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
97 |
2.5.5. Колебательная мощность и электронный КПД отражательного клистрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
101 |
2.5.6. Пусковой ток отражательного клистрона. . . . . . . |
103 |
2.6. Особенности устройства и параметры пролетных и отражательных клистронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
103 |
3. Лампы бегущей волны типа О. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
108 |
3.1. Общие вопросы. Принцип действия ЛБВ типа О. . . . |
108 |
3.2. Линейная теория усилительной ЛБВ типа О. . . . . . . . |
113 |
3.2.1. Исходные положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
113 |
3.2.2. Группировка электронного пучка под действием бегущей волны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
115 |
3.2.3. Действие модулированного по плотности электронного пучка на поле в ЗС. . . . . . . . . . . . . . |
118 |
3.2.4. Самосогласованное поле в условиях приблизи- тельного синхронизма электронов и волны. . . . . . |
120 |
3.2.5. Уравнение коэффициента усиления ЛБВ. . . . . . . |
124 |
3.3. Параметры и характеристики ЛБВ типа О. . . . . . . . . . |
125 |
3.3.1. Частотная характеристика ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . |
125 |
3.3.2. Амплитудная характеристика ЛБВ. . . . . . . . . . . . . |
127 |
3.3.3. Характеристика взаимодействия и КПД. . . . . . . . |
128 |
3.4. Шумы в ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
130 |
3.5. Нелинейная теория ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
131 |
3.6. Вопросы конструирования ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
138 |
3.6.1. Выбор ЗС ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
138 |
3.6.2. Параметры типичных ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
142 |
4. Лампа обратной волны типа О. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
145 |
4.1. Переход от ЛБВ-генератора к ЛОВ. . . . . . . . . . . . . . . . |
145 |
4.2. Принцип действия ЛОВ типа О. . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
148 |
4.3. Зоны генерации ЛОВ типа О. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
152 |
4.4. Электронная настройка ЛОВ типа О. . . . . . . . . . . . . . . |
154 |
4.5. Выходная мощность и электронный КПД. . . . . . . . . . |
158 |
5. Электронные приборы СВЧ со скрещенными полями (приборы типа М) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
160 |
5.1. Магнетроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
160 |
5.1.1. Взаимодействие электрона с электрическим и магнитным полями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
160 |
5.1.2. Движение электрона в магнетроне. . . . . . . . . . . . . |
164 |
5.1.3. Структура СВЧ поля в магнетроне. . . . . . . . . . . . . |
168 |
5.1.4. Механизм поддержания средней скорости тормозимых электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
171 |
5.1.5. Условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
173 |
5.1.6. Параметры и характеристики магнетрона. . . . . . . |
174 |
5.1.7. Особенности устройства и применения магнетронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
177 |
5.2. ЛБВ типа М. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
179 |
5.3. ЛОВ типа М. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
181 |
5.4. Платинатрон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
183 |
6. Приборы с вынужденным излучением свободных электронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
188 |
6.1. Гиротрон (мазер на циклотронном резонансе) . . . . . . |
189 |
6.2. Генераторы дифракционного излучения. . . . . . . . . . . . |
192 |
7. Пучково-плазменные усилители и генераторы. . . . . . . . . . |
196 |
7.1. Основные свойства низкотемпературной плазмы. . . . |
196 |
7.2. Физические основы усиления и генерации СВЧ колебаний в пучково-плазменных системах. . . . . . . . |
201 |
7.2.1. Неустойчивости пучково-плазменных систем. . . |
201 |
7.2.2. Усиление и генерация колебаний в пучково- плазменных системах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
215 |
7.2.2.1. Исходные уравнения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
215 |
7.2.2.2. Линейная теория плазменных усилителей и генераторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
219 |
7.3 Плазменная ЛБВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
228 |
7.4. Плазменные генераторы обратной волны. . . . . . . . . . . |
237 |
8. Гибридные электровакуумные приборы. . . . . . . . . . . . . . . |
244 |
8.1. Гибридизация электродинамических систем ЛБВ и клистронов. Клистроны с распределенным взаимодействием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
244 |
8.2. Решение уравнений электродинамики для расчета процесса взаимодействия электронного пучка с электромагнитным полем распределенного резонатора в линейном приближении. . . . . . . . . . . . . . |
250 |
8.2.1. Построение модели взаимодействия электронного пучка с полем распределенного резонатора в линейном приближении на основе представления системы в виде эквивалентного контура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
250 |
8.2.2. Собственная проводимость и собственная добротность распределенного резонатора. . . . . . . |
254 |
8.2.3. Проводимость и добротность распределенного резонатора, нагруженного электронным пучком |
256 |
8.2.4. Амплитудное и фазовое условие самовозбужде- ния генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
257 |
8.2.5. Комплексная амплитуда переменной составляющей тока электронного пучка при взаимодействии с полем РР. . . . . . . . . . . . . . . |
260 |
8.2.6. Активная и реактивная проводимости электронного пучка в распределенном резонаторе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
266 |
8.2.7. Условия самовозбуждения распределенного резонатора, пронизываемого электронным пучком. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
267 |
8.3. Приближенная нелинейная теория резонансных генераторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
271 |
8.3.1. Основные допущения, рабочие уравнения. . . . . . |
271 |
8.3.2. Расчет электронной мощности взаимодействия электронного потока с СВЧ электромагнитным полем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
272 |
8.3.3. Расчет амплитуды стационарных колебаний выходной мощности и КПД резонансного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
278 |
8.3.4. Расчет частотных характеристик генератора. . . . |
281 |
Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
286 |