120
получать в непрерывном режиме мощность в несколько киловатт. Это позволяет утверждать, что приборы с циклотронным резонансом имеют большое будущее.
§ 9.3. Приборы с дифракционным излучением
Принцип работы этих приборов основан на использовании дифракционного излучения, возникающего при прохождении электронного потока над периодической дифракционной решеткой. Наиболее весомый вклад в развитие этого направления внесли советские ученые*.
Схема генератора дифракционного излучения (ГДИ) показана на рис. 9.5. На поверхности нижнего зеркала находится дифракционная решетка, над которой пропускается ленточный электронный поток, фокусируемый продольным магнитным полем. Верхнее зеркало полусферическое. Оба зеркала образуют открытый резонатор. Вывод энергии из резонатора производится через волновод.
ГДИ—прибор с длительным взаимодействием, похож на лампу обратной волны, но его существенное отличие от других приборов с длительным взаимодействием состоит в использовании высокодобротного открытого резонатора, как в оптических квантовых генераторах (см. § 15.1). В ГДИ, как и в ЛОВ, происходит взаимодействие электронов с СВЧ-полем периодической структуры (замедляющей системы), т. е. взаимодействие с медленными пространственными волнами (пространственными гармониками). В ЛОВ почти вся энергия СВЧ-поля сосредоточена вблизи замедляющей системы и очень быстро убывает при удалении от нее. Поле между зеркалами в ГДИ является суперпозицией поверхностных (медленных) волн вблизи решетки и объемных (быстрых) волн, уходящих
Рис. 9.5
от решетки в объем резонатора. При этом, в отличие от ЛОВ, в ГДИ большая часть энергии СВЧ-поля запасается в объеме открытого резонатора, между зеркалами, а не у поверхности дифракционной решетки.
Электронный поток в ГДИ взаимодействует с поверхностными волнами, образующимися как в результате возбуждения поля движущимися вблизи решетки электронами (подобно ЛОВ), так и в результате дифракции на решетке объемных волн, установившихся в открытом резонаторе.
В ГДИ для обратной связи используются поля быстрых объемных волн, однако взаимодействует электронный поток с медленными поверхностными гармониками поля вблизи решетки, при этом, как в ЛОВ, требуется выполнить условие примерного синхронизма, а для начала генерации ток пучка электронов должен превысить пусковой ток.
Применение полусферических открытых резонаторов с плоским зеркалом, частично
*Шестопалов В.П. Дифракционная электроника. Харьков, «Высшая школа», 1976, с. 231
121
покрытым дифракционной решеткой, позволило создать ГДИ миллиметрового диапазона длин волн. При укорочении длины волны поле медленной пространственной гармоники, с которой обеспечивается синхронизм электронного потока, все более прижимается к поверхности периодической структуры. Это уменьшает эффективную толщину электронного потока, взаимодействующего с СВЧ-полем, и снижает мощность излучения ГДИ. Кроме того, при сохранении прежнего ускоряющего напряжения необходимо пропорционально длине волны уменьшать период решетки.
Различные ГДИ работают в диапазоне длин волн λ=8—0,96 мм. В этих приборах применяют дифракционные решетки с периодом L=0,8—0,l мм, выполненные в виде прямоугольных выступов с толщиной (0,5— 0,6)L и высотой 0,25λ. Ускоряющее напряжение 1—5 кВ, выходная мощность — от нескольких сот милливатт до десятков ватт при увеличении тока пучка до 280 мА. Напряженность магнитного поля — несколько десятых теслы. Перестройка частоты в одном приборе достигает октавы.
В ГДИ имеется электронная перестройка частоты, однако из-за высокой добротности открытого резонатора она значительно меньше, чем в ЛОВ. При нарушении синхронизма изменением ускоряющего напряжения перестройка частоты составляет сотые доли процента. Для ГДИ четырехмиллиметрового диапазона диапазон электронной перестройки составляет 10—20 МГц при снижении выходной мощности на 1 дБ. Крутизна электронной перестройки на частотах 63 и 76 ГГц составляет 0,25 и 0,37 МГц/В соответственно, что примерно в 30 раз меньше, чем у этих приборов, работающих в режиме ЛОВ.
Изменение частоты в ГДИ производится перемещением вогнутого зеркала, т. е. изменением собственной частоты открытого резонатора при неизменном ускоряющем напряжении. Такая перестройка частоты вида колебаний в резонаторе достигает 1,5 ГГц при колебаниях мощности в этом диапазоне до 10 дБ. При уменьшении расстояния между зеркалами можно найти области с перестройкой до 400 МГц с колебаниями мощности до 3 дБ. Крутизна механической перестройки зависит от частоты и от расстояния между зеркалами и составляет 3—4 ГГц/мм при расстоянии между зеркалами около 25 мм.
Проблема создания ГДИ субмиллиметрового диапазона волн связана с применением дифракционных решеток малых геометрических размеров и, следовательно, с большими техническими трудностями. Тем не менее имеется перспектива создания таких приборов.