Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
PFE / ПФЭ / Начало.doc
Скачиваний:
72
Добавлен:
15.02.2016
Размер:
62.98 Кб
Скачать

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

Соседние файлы в папке ПФЭ