3.2 Гиротроны
При движении электронов в магнитном поле H0 по винтовым траекториям взаимодействие электронов с электромагнитной волной, распространяющейся вдоль магнитного поля E $IMAGE7$, происходит при выполнении условия циклотронного резонанса (синхронизма), которое с учётом доплеровской поправки имеет вид:
$IMAGE8$
Здесь $IMAGE9$ - постулат, скорость электрона вдоль магн. поля H11,ω - частота волны, $IMAGE10$- компонента волнового вектора k вдоль- $IMAGE11$ циклотронная частота, $IMAGE12$- полная энергия, е - заряд электрона. Из (1) ясно, что при s >= 1 в МЦР отсутствует необходимость замедлять волну. Именно это обстоятельство, сближающее МЦР с квантовыми генераторами, и определяет его преимущества на миллиметровых и субмиллиметровых волнах перед традиционными СВЧ-генераторами - магнетроном, лампой бегущей волны (ЛБВ) и др., где для осуществления синхронизма необходимо движение электронов вблизи замедляющей системы.
В МЦР преобразование энергии стационарного электронного пучка в излучение оказывается возможным благодаря группировке частиц полем "затравочной" волны. Образующиеся электронные сгустки усиливают первичную волну (циклотронная неустойчивость). Такой индуцированный процесс происходит в МЦР вследствие: 1) зависимости w, от энергии электрона (неизохронность вращения), которая приводит к азимутальной группировке частиц, меняющих свою энергию в процессе взаимодействия с волной; 2) различия поступательных смещений, которые приобретают электроны, попавшие в разные фазы пространственно неоднородной волны; этот механизм приводит к продольной (вдоль H0) группировке частиц.
При слаборелятивистских энергиях электронов наибольшее распространение получили генераторные и усилительные разновидности гиротрона (рис. 2). В гиротроне электроны слабо взаимодействуют с полем нерегулярного волновода на частоте, близкой к критической, когда фазовая скорость волны $IMAGE13$. В таких условиях доплеровская поправка к частоте, $IMAGE14$, мала, благодаря чему снижается до минимума уширение спектральной линии (вызванное разбросом поступательных скоростей электронов) и тем самым повышается электронный КПД. Отсутствие замедляющей системы и возможность использования открытых резонаторов делают гиротроны мощными генераторами и усилителями диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн.
Для реализации гиротронов КВ-части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов требуются интенсивные магнитные поля H0 ~ 100 кЭ, которые обеспечиваются криомагнитными системами или импульсными соленоидами.
Принцип действия и устройство магнетрона.
Дата добавления: 2014-01-04; просмотров: 736; лекция была полезна: 3 студентам(у); не полезна: 0 студентам(у);Нарушение авторских прав?
Читайте также:
|
|
Магнетрон - это генераторный электровакуумный СВЧ прибор, в котором формирование электронного потока и его взаимодействие с СВЧ полем происходит в пространстве, где постоянные электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны. Магнетрон преобразует энергию источника питания в энергию СВЧ колебаний.
Простейший магнетрон (см.рис.27) – это диод цилиндрической конструкции с внешним анодом 1 и соосно расположенным внутри него катодом 2. В толстостенном медном цилиндре анода равномерно размещены полые резонаторы 3, соединенные с промежутком катод–анод 4, называемым пространством взаимодействия. Резонаторы и пространство взаимодействия образуют кольцевую резонаторную систему (РС).
Рис.27. Конструкция магнетрона.
1–анод, 2–катод, 3–резонаторы, 4–пространство взаимодействия, 5–вывод энергии СВЧ.
Резонаторная система принимает поток электронов, движущихся от катода к аноду, и одновременно отводит тепло. В резонаторной системе есть несколько частот, при которых на длине резонатора укладывается целое число стоячих волн от 1 до n/2 (n-число резонаторов). На определенной резонансной частоте и возникают СВЧ колебания.
В резонаторе на электроны, двигающиеся от катода к аноду, действуют три поля: постоянное электрическое, сообщающее кинетическую энергию электронам, постоянное магнитное поле, изменяющее траекторию их движения, и СВЧ поле, возникающее в резонаторах и проникающее через щели в промежуток катод-анод. При этом часть электронов, которые замедляются полем, отдают энергию, поддерживая колебания в резонаторе. В магнетроне процессы формирования, управления и преобразования энергии электронного потока происходят в одном пространстве взаимодействия, что осложняет анализ работы этого устройства.
На рис.28 приведена структура ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия вблизи одиночного резонатора (а) и по кругу всего анодного блока. Вектор напряженности поля можно разложить на радиальную и тангенциальную составляющие. При этом в пространстве взаимодействия возникает стоячая волна на определенной частоте, а резонаторный блок представляет собой замедляющую систему.
Рис.28.
Если средняя составляющая скорости электрона равна фазовой скорости СВЧ волны вдоль резонансной системы (условие синхронизма), то СВЧ поле группирует электроны, замедляя их и отбирая энергию, полученную от статического электрического поля. Траектория движения электрона в пространстве взаимодействия приведена на рис. 29.
Рис.29.
Три электрона (А, Б и В) находятся в разных точках тормозящего ВЧ поля в пространстве взаимодействия и имеют различные скорости. Электрон А будет ускоряться радиальной составляющей ВЧ поля, а электрон В – замедляться. В результате оба они с разных сторон будут приближаться к электрону Б, находящемуся в плоскости, где радиальная составляющая электрического поля равна нулю. Таким образом происходит группировка электронов по скорости, а отбор энергии электронного пучка осуществляется тангенциальной составляющей поля, что приводит к образованию в магнетроне электронных пучков, двигающихся от катода к аноду. Число таких пучков в два раза меньше числа резонаторов. На рис. 30 показана огибающая этих пучков в фиксированный момент времени (траектории конкретных электронов показаны сплошными линиями).
Рис. 30.
Весь пространственный заряд электронных пучков вращается вокруг катода синхронно с изменением ВЧ электрического поля. В моменты времени, когда электронные пучки подходят к щелям резонаторов, поле в них оказывается тормозящим, отбирающим энергию у электронов. В результате потенциальная энергия электронного потока, получаемая им от источника постоянного анодного напряжения, преобразуется в энергию электромагнитных колебаний, генерируемых магнетроном.
В зависимости от режима работы различают магнетроны импульсного и непрерывного действия. К.п.д. магнетронов достигает 95%, рабочая частота от 0,5 до 100 ГГц, длительность импульсов колебаний 0,02-100 мкс, мощность прибора от нескольких Вт до десятков МВт.
Различные варианты конструкции магнетронов и резонаторных систем приведены на рис.31-32.
Рис.31 Резонаторные системы магнетрона.
Рис.32 Конструкции магнетронов