3) Гибридный прибор:
Создавая лазер на свободных электронах, можно в качестве ондулятора использовать клистрон (оптический), таким образом оптический клистрон дает даже больше усиление, чем обычные лазеры на свободных электронах. (впервые такую систему сделали в 1979 году в Институте ядерной физике им. Г.И. Будкера (ИЯФ) А.Н. Скринский и Н.А. Винокуров).
Ондулятор первого оптического клистрона был первым в мире ондулятором на постоянных магнитах с регулировкой амплитуды магнитного поля при помощи изменения рабочего зазора. Во второй версии оптического клистрона, сделанной в 1982 году, были впервые в мире применены гибридные (с железными полюсами) ондуляторы на постоянных магнитах, предложенные и сделанные в ИЯФ. Как переменный зазор, так и гибридная конструкция ондуляторов стали сейчас общепринятыми и применяются на всех источниках синхротронного излучения.
К сожалению, т.к. в данном случае гибридный прибор фактически остается лазером на свободных электронах, но с использованием в качестве ондулятора клистрона, то сложно оценить области взаимодействия прибора. Однако, существуют данные о характерных размерах лазеров на свободных электронах (ЛСВ) – это сотни метров (даже есть случай, когда для рентгеновского ЛСВ переоборудовали ускоритель элементарных частиц).
Задача №2
Приборы с квазистатическим управлением. Триод.
Рассчитать углы пролета носителей заряда в промежутке катод-сетка триода, работающего в одном из режимов А, В или С (выберите самостоятельно). Фазы вылета с катода задать от 0 до 3600. Рабочая частота , расстояние катод-сетка 0.1*, постоянное напряжение на аноде 100* , проницаемость сетки 0,01*(. Рассчитайте для этих углов коэффициент взаимодействия. Используя полученные результаты, объясните, почему триоды неэффективны на высоких частотах.
Ответ:
Дано:
Рабочая частота f |
650 МГц |
Расстояние катод-сетка l |
1,3 мм |
Постоянное напряжение анода U |
1300 В |
Проницаемость сетки D |
0,22 |
Решение:
Для удобства выберу режим B. В этом режиме угол отсечки будет равен 90◦, а смещение выбирается равным напряжению отсечки так, что при отсутствии сигнала анодный ток равен нулю. Таким образом, используя следующие формулы:
, где M – коэффициент взаимодействия и θ – угол пролета.
В режиме В напряжение смещения Uc меняется от -D·Ua·Uзап до 0, т.о.:
Uс1=|-D∙Ua|+D∙Uа = 2∙D∙Uа = 2∙0.22∙1300 = 572 В
Uс2=0+D∙Uа=D∙Uа = 0.22∙1300 = 286 В
=
=
Рис. 2. Зависимость коэффициента взаимодействия от угла пролета
При уменьшении напряжения сетки мы получаем больший угол пролета, а, следовательно, и уменьшение коэффициента взаимодействия.
Для сохранения допустимого значения угла пролета θ расстояние l должно меняться обратно пропорционально частоте w. Одновременно должны уменьшаться размеры формообразующих элементов сетки (диаметр проволоки или толщина перемычек сетки, размер ячейки и т.п.).
При малых значениях расстояния l, которые характерны для приборов дециметрового диапазона, дальнейшее уменьшение этого расстояния ограничивается рядом конструктивно-технологических факторов, в частности, явлением термодеформации сетки и требует применения новых конструктивно-технологических решений.
Сетка должна быть формоустойчивой и не испытывать заметных деформаций при ее нагреве за счет мощности, излучаемой катодом и мощности, обусловленной перехватом электронного тока, в режимах с положительным сеточным потенциалом.
Задача №3.
Приборы с динамическим управлением. Клистрон.
Рассчитать угол пролета, при котором электрон, попавший в ускоряющую фазу напряжения, догонит электрон, попавший в тормозящую фазу. Расчет провести в кинематическом приближении. При расчетах принять: постоянное ускоряющее напряжение , длину зазора (область взаимодействия) , глубину скоростной модуляции , рабочая частота .
Как изменится процесс группирования при учете сил пространственного заряда, если ток луча равен , а диаметр луча ? На каком расстоянии от середины модулирующего зазора будет максимальная группировка?
Ответ:
Дано:
Постоянное ускоряющее напряжение, U |
9 кВ |
Длина зазора, l |
0,69 мм |
Глубина скоростной модуляции, b |
0,13 мм |
Рабочая частота, f |
10 ГГц |
Ток луча, I |
9 А |
Диаметр луча, d |
9 мм |
Решение:
-
Рассчитаем угол пролета:
-
Процесс группирования при учете сил пространственного заряда:
Не учитывая силы пространственного заряда, параметр группирования при максимальном конвекционном токе равен 1,84. Выясним, как поменяется этот параметр с учетом упомянутых сил.
Найдем плазменную частоту:
r1= 1,84 ; r2= -0.49 => т.к. величина параметра группирования резко уменьшается в следствие сил пространственного заряда, то можно сказать, что происходит процесс разгруппирования.
-
Определение расстояния, на котором будет происходить максимальная группировка:
Исходя из определения, максимум r будет при следующим условии:
И теперь найдем расстояние от середины модулирующего зазора при максимальной группировке: