17. Релятивистские приборы. Лазеры на свободных электронах: принцип действия характеристики.

Основной задачей СВЧ электроники является увеличение выходной мощности прибора, которая черпается из мощности электронных потоков Поэтому увеличение мощности возможно за счет повышения переносимых электронами токов. Учитывая закон степени 3/2, связывающий токи и напряжения в электронных системах, работающих при ограничении тока пространственным зарядом, можно сказать, что, при большом увеличении мощности электронных потоков, мы в конце концов, вынуждены будем использовать электроны с релятивистскими скоростями. Отсюда и возникло название для такого типа приборов.

Релятивистские приборы делятся на два типа:

• Классические

• Специфические

К классическим относятся: Клистрон, ЛБВ (ЛОВ), магнетрон

К специфическим: убитрон, ЛСЭ, скертрон

Релятивистский клистрон:

Рисунок 1 – Схема релятивистского клистрона: а — двухкаскадного; б — трехкаскадного. 1, 2 — лезвийный катод и анод, 3 — трубчатый электронный поток, 4 — модулирующая канавка, 5, 6 — отбирающие канавки, 7 — выходной рупор

Электронный поток 3, сформированный электронной пушкой 1, 2 подается на вход электродинамической системы генератора, состоящей из отрезка полого цилиндрического нерегулярного волновода на котором имеется одна модулирующая канавка 4 и одна или две отбирающие канавки 5, 6. Между канавками 4, 5 находится регулярный участок дрейфа и группирования электронного пучка. Модулирующая канавка 4 полностью отражает Е₀₁-волну и заграждает катод. Её параметры подбираются из условия полного отражения Е₀₁-волны на рабочей частоте. Параметры же канавок 5, 6 и связанного с ними и согласованного с рупором 7 выходного волновода подбираются такими, чтобы обеспечить нагруженную добротность резонансной системы канавка-дрейф-канавка-вывод энергии в пределах 100–200. Вывод СВЧ-мощности на волне Е₀₁ производится через выходной рупор 7. Отработавший электронный поток осаждается на стенку волновода сразу за отбирающими канавками.

Таблица 1 – Параметры релятивистского клистрона

Частота, ГГц	Выходная мощность, МВт	Коэф. усиления, дБ	КПД, %	Ускоряющее напряжение, кВ	Ток луча, А	Число резонаторов	Длина прибора, см
8,57	200	65	50	1000	750	6	98

Источник: https://cyberleninka.ru/article/n/relyativistskiy-klistron-generator-s-prostranstvenno-razvitym-silnotochnym-puchkom/viewer

Релятивистская ЛОВ:

Рисунок 2 – Схема релятивистской ЛОВ. 1 - катод; 2 - рефлектор; 3 - волновод-отсечка; 4 - замедляющая система; 5 - пучок; 6 - соленоид

Таблица 2 – Параметры релятивистских ЛОВ

Разработка	F, ГГц	Тип волны	U0, кВ	I0, кА	, нс	P, МВт
ФИАН	9,7	Е01	600	4	15	350
США	10,3	Е11	500	3	20	500
США	10	Е02	1400	10	1400	200

Источник: http://www.iep.uran.ru/russian/leu/Sharypov_thesis.pdf

Релятивистский магнетрон:

Рисунок 3 – Схема устройства релятивистского магнетрона. 1 – холодный катод из графита, 2 – анод с восемью щелевыми резонаторами, 3 – отрезок регулярного волновода, 4 – вакуумное окно, 5 – рупор, 6 – магнит

Особенностью этого магнетрона является дифракционный вывод энергии, который, кроме увеличения электрической прочности, позволяет возбудить рабочий тип волны в выходном волноводе (в данном случае Н₄₁). Для этого глубина щелевых резонаторов в анодном блоке плавно уменьшается до нуля при переходе к регулярному волноводу.

Магнитная система релятивистских магнетронов должна обеспечивать необходимое значение индукции магнитного поля, которая увеличивается с ростом анодного напряжения. Для получения требуемой индукции используются, как правило, соленоиды или сверхпроводящие магниты.

В настоящее время релятивистский магнетрон – наиболее простой и надежный прибор, позволяющий получать импульсы гигаваттного уровня мощности. К сожалению, эти приборы не могут эффективно работать на частотах более 10 ГГц, так размеры анодного блока становятся слишком малыми, что вызывает пробои и трудности с отводом тепла.

Таблица 3 – Параметры релятивистских магнетронов

Разработчик	Число резонаторов	Длина волны, см	Напряжение анода, МВ	Выходная мощность, ГВт	Длительность импульса, нс	КПД, %
ИПФ АН	8	3,3	0,57	0,5	20	15
ТПИ	6	10	1	10	30	43
CPI (Канада)	6	10	0,9	4,5	-	25
SLAC (США)	6	10	0.36	1.7	20	35

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ)

Рисунок 4 – Схема лазера на свободных электронах. 1 – входящий электронный пучок 2 – ондулятор 3 – отработавший электронный пучок 4 – входящее излучение 5 – усиленное излучение

ЛСЭ – это приборы, преобразующие энергию ультрарелятивистских электронов (т. е. электронов, энергия которых во много раз превышает их энергию покоя 0,511 МэВ = 0,8·10-13 Дж), в энергию электромагнитного излучения.

Для того, чтобы релятивистские электроны сильно (резонансно) взаимодействовали с электромагнитной волной, их траекторию, которая в пустом пространстве является прямой, делают слегка периодически искривленной – в виде спирали или волнистой линии. Магнитную систему, с магнитным полем, необходимым для создания такой траектории, называют ондулятором или вигглером. Если при прохождении одного

периода траектории электрон отстает от электромагнитной волны ровно на одну длину волны (это условие называется условием синхронизма), то такая волна может эффективно замедлять электрон вдоль всей волнистой траектории. В этом случае поле излучения электрона будет складываться с полем начальной волны, усиливая последнюю (раз электрон замедляется, он теряет энергию, которая переходит в волну).

Пусть электронный пучок и электромагнитная волна входят в ондулятор. Если энергия электронов и длина волны таковы, что удовлетворяется условие синхронизма, то одна половина электронов начинает терять энергию, а другая, поступившая в ондулятор на половину периода волны позже – набирать. Таким образом, сначала средняя энергия электронов не меняется, но происходит модуляция энергии, т. е., пучок разбивается на слои толщиной в половину длины волны с чередующимся отклонением энергии от начальной. Однако частицы с меньшей энергией летят медленнее, а с большей – быстрее. Поэтому «быстрые» слои догоняют «медленные». Следовательно, возникают уплотнения и разрежения, т. е. модуляция плотности электронов с пространственным периодом, примерно равным длине волны. Далее повторяется то же, что было в первой половине ондулятора: одни «полуволновые» слои пучка замедляются, а другие – ускоряются, но теперь энергию теряют слои с большей плотностью частиц, а приобретают - слои с меньшей плотностью. В результате средняя энергия электронов уменьшается, а мощность электромагнитной волны растет.

Если, как и во многих других лазерах, на оси системы слева и справа от ондулятора поставить два зеркала, то волна будет циркулировать между ними и, многократно проходя через ондулятор, каждый раз усиливаться. Конечно, рост интенсивности излучения ограничен. Одной из причин ограничения интенсивности (насыщения) может быть практически полная группировка электронов во второй половине ондулятора. В этом случае дальнейший рост мощности излучения на входе ЛСЭ приводит к уменьшению группировки (разгруппировке) и, следовательно, к снижению мощности, передаваемой пучком в излучение.

Таблица 4 – Характеристики ЛСЭ-автогенератора

Электронный пучок
Энергия пучка	43 МэВ
Релятивистский фактор 	85
Ток в импульсе	1,3 А
Длительность импульса	3 пс
Пространственная протяженность импульса	1 мм
Период следования импульсов	25,4 мм
Радиус пучка	0,25 мм
Ондулятор
Длина ондулятора	5,3 м
Период магнитного поля	3,3 см
Амплитуда поля	0,23 Т
Резонатор и параметры излучения
Расстояние между зеркалами	12,7 м
Радиус кривизны зеркал	7,5 м
Длина волны излучения	3,3 мкм
Размер пятна излучения	1,6 мм