Глава 5 Приборы с длительным взаимодействием электронов и свч-поля типа о.

В приборах типа О также как и в клистронах происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля, однако взаимодействие электронов и СВЧ поля длительное, а не кратковременное.

5.1 Принцип работы приборов типа о с длительным взаимодействием

В основе работы приборов типа О лежит длительное взаимодействие электронов, двигающихся с электромагнитным полем в одном направлении. Причем скорость электронов должна быть близка к фазовой скорости волны. Иначе электроны будут многократно пересекать ускоряющую и тормозящую фазы электромагнитного поля, забирая энергию электромагнитного поля и отдавая ему часть своей кинетической энергии, что в среднем должно приводить к отсутствию передачи кинетической энергии электрона электромагнитному полю. Рассмотрим процессы передачи энергии более подробно. Пусть электромагнитная волна распространяется с постоянной фазовой скоростью вдоль оси z. Продольную составляющую электрического поля представим в виде бегущей волны

(1)

где - круговая частота, - постоянная распространения (волновое число), которая связана с длиной волны известным соотношением . Следует отметить, что фаза волны распространяется в пространстве с постоянной фазовой скоростью . На рис 1,а представлена картина взаимодействия электронов, двигающихся в продольном направлении вдоль оси z с постоянной скоростью . При этих условиях взаимодействие удобнее наблюдать в системе координат, движущейся вместе с волной. Поэтому введем координату - движущей системы координат, используя преобразование . При этом фаза зависит лишь от координаты . То есть наблюдателю, находящемуся в движущейся системе координат, волна представляется неподвижной, так как составляющая напряженности поля является лишь косинусоидальной функцией . Электроны в отсутствии электромагнитного поля в движущейся системе координат неподвижны, что отображается в системе координат - в виде линий параллельных оси ( штриховые линии на рис. 1).

Рис.1

Наличие электрического поля приводит к ускорению и замедлению электронов. На рис. 1,а электрон с координатой находится под воздействием ускоряющего поля и поэтому его скорость растет( ) и он приближается к электрону с координатой , на который электрическое поле не воздействует ( ). На электрон с координатой воздействует тормозящее поле и он также в процессе движения приближается к электрону с координатой (см. сплошные линии на рис.1,а). Таким образом через некоторое время образуется сгусток электронов, в котором часть электронов двигается в ускоряющей фазе поля и точно такая же часть электронов находится в тормозящем поле. Поэтому в среднем кинетическая энергия электронов не передается электромагнитной волне. Несколько другая ситуация наблюдается в том случае, когда скорость электронов немного отличается от фазовой скорости волны. На рис.1,б . Поэтому траектории электронов в отсутствии электрического поля представляют прямые линии наклоненные к оси времени . Наличие электрического поля приводит, как и в первом случае к ускорению и замедлению электронов, и как в первом случае к образованию сгустка электронов. Однако сгусток образуется в области ускоряющего поля . Поэтому энергия отбирается от электромагнитного поля и передается электронам. Противоположная ситуация наблюдается в случае когда . Образовавшийся сгусток (см. рис.1,в) двигается в области тормозящего поля и поэтому кинетическая энергия электронов передается электромагнитному полю, что должно приводить к росту амплитуды .

Таким образом для передачи кинетической энергии электронов необходимо, чтобы электроны обладали скоростью немного превышающую фазовую скорость волны, обладающей продольной составляющей электрического поля. Однако известно, что скорость электромагнитной волны в свободном пространстве близка к скорости света c, а скорость электронов даже при воздействии ускоряющего потенциала 300000 В не превышает 0.33.с. Это требует снижения скорости волны, что достигается на практике использованием замедляющих систем.