0.75 Балл
Задача №5.
Приборы с динамическим управлением. Приборы М-типа
Рассчитать значение критической магнитной индукции для значения мм и значения потенциала Ua из задачи № 4
2. Полагая рассчитать циклотронную частоту, определить высоту прикатодного электронного слоя ymax
3. Рассчитать шаг электронной траектории h.
4. Полагая распределение потенциала в межэлектродном промежутке линейным, найти значение максимальной скорости в электронном облаке.
5. Как изменится частота генерации магнетрона, если увеличить магнитное поле в 6 раз?
Для выполнения задания воспользоваться формулами
, , ,
и законом сохранения полной энергии.
Дано:
Решение:
Определим критическое значение магнитной индукции:
Найдем циклотронную частоту (частица движется перпендикулярно направлению однородного магнитного поля). Для этого воспользуемся вторым законом Ньютоном, учитывая действие силы Лоренца.
Перепишем, учитывая, что :
Выразим циклотронную частоту:
Определим высоту прикатодного электронного слоя:
Тогда, шаг электронной траектории:
Теперь найдем максимальную скорость (приравняем кинетическую энергию к значению работы выхода электрона):
Тогда,
Определим, как изменится частота генерации магнетрона, если увеличить магнитное поле в 6 раз.
Рассматривая ВАХ магнетрона [6, с. 109], стоит отметить, что при переходе к другому значению индукции характеристика смещается, так как самовозбуждение начнется при большем .
Рисунок 9 – «ВАХ магнетрона при разных значениях индукций».
В общем случае зависимость пороговых напряжений от B линейна (рисунок 9). Прямые проходят через начало координат, их наклон зависит от номера вида колебаний n и номера пространственной гармоники p (на рисунке они приняты нулю).
Рисунок 10 – «Пороговые прямые»
Учитывая линейную зависимость частоты генерации от анодного напряжения, придем к выводу, что частота увеличится при увеличении магнитного поля. Так как все выше приведенные зависимости линейны, то и увеличение частоты будет осуществлено в 6 раз.
Ответ:
0.75 Балл
Задача №6.
Приборы с динамическим управлением. Гирорезонансные приборы. Гиротрон.
Объяснить почему гиротроны используются преимущественно в мм-диапазоне длин волн. Как обеспечивается работа прибора на высших модах резонатора. Опишите, за счет чего удается получать большую выходную мощность.
Прокомментируете принцип действия гиротрона используя формулу .
2. Рассчитать параметры спиральной траектории электронного пучка гиротрона. Исходные для расчета (заданные, выбираемые) величины:
Ускоряющее напряжение пучка , где – значение ускоряющего напряжения из Задачи №4
Значение частоты микроволнового поля f из условия
Отношение поперечной и продольной скорости электрона
Определяемые величины:
Значение индукции магнитного поля . Трудно ли получить на практике такое поле?
Вычисляется из условия циклотронного резонанса
, где .
Значения полной скорости электрона и её продольной и поперечной составляющих
.
Радиус спиральной траектории электрона . Каков должен быть радиус резонатора?
Вычисляется из условия баланса центробежной и магнитной сил.
Время одного оборота электрона – циклотронный период
Шаг спиральной траектории – циклотронная длина волны
Дано:
Решение:
Принцип работы гиротрона основан на индуцированном магнитотормозном излучении электронов, вращающихся в статическом магнитном поле. Большая мощность и высокий КПД являются основным преимуществом гиротрона. Это обеспечивается взаимодействием винтового электронного пучка с собственной модой круглого волновода около критической частоты [2].
Используя гиротрон становится возможным отказаться от использования замедляющих систем из-за взаимодействия электронов с быстрыми волнами (фазовая скорость которых много больше скорости света). Тем самым становится возможно исключить мелкомасштабные элементы с размером порядка длины волны, затрудняющие или делающие невозможным изготовление приборов на медленных волнах в суб-ТГц и ТГц диапазонах. Использование быстрых волн позволяет увеличить пространство взаимодействия и, тем самым, существенно повысить мощность выходного излучения.
Принцип действия подробно описан в первом пункте [c. 4].
Частота равна циклотронной, тогда
Такое поле можно получить в реальности, но для этого придется использовать дорогостоящие магнитные системы. Например, сверхпроводящие магниты.
Найдем полную скорость электрона:
Определим продольную и поперечную компоненты скорости:
Тогда,
Рассчитаем радиус спиральной траектории электрона.
Второй закон Ньютона при круговом движении:
.
Ускорение найдем, как
Тогда,
Определим циклотронный период.
Отсюда:
Найдем шаг спиральной траектории:
Ответы: