Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Вайнштейн Л.А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике

.pdf
Скачиваний:
52
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
17.18 Mб
Скачать

на незамедленных волнах как при продольной фазировке, так и при азимутальной (см. 9-ю лекцию). Начало этому уже положено (см. 8-ю лекцию).

На основе гирорезонансных механизмов фазировки можно по­ строить приборы, функционирующие по образцу соответствующих приборов типа О: Л Б В , ЛОВ, клистроны, гибридные приборы. Не­ которые возможности здесь испытаны, другие — нет, и какие-либо окончательные практические выводы сделать трудно.

Главной чертой любого электронного прибора, как мы уже неод­ нократно отмечали, является механизм фазировки. Электродинами­ ческая система должна формировать поле, фазирующее электроны и

Входной сигнал Выходной сигнал

N

У ! ,

 

Пучок

Рис. 10.2. Возможная конструкция ЛБВ типа О с откры­ тым волноводом (верхнее зеркало в поперечном сечении вог­ нутое, в продольном выпуклое).

отбирающее у них энергию, электронно-оптическая система должна' формировать соответствующие пучки, причем требования к обеим системам определяются именно механизмом фазировки. Фазировка в криволинейных электронных пучках, рассмотренная в 8-й и 9-й лекциях, отличается тем существенным недостатком, что требует (особенно для коротких волн) сильных магнитных полей. Действи­ тельно, условие (8.11) можно переписать в виде

Н(кэ)=-^—

(10.01)

 

пК (мм)

так что при X = 1 мм и п = 1 необходимо постоянное магнитное поле около ста килоэрстед. Можно надеяться, что дальнейшее развитие электроники приведет к обнаружению новых механизмов фазировки, свободных от этого недостатка и вместе с тем обладающих всеми отме­ ченными выше достоинствами.

Несомненно, что наиболее увлекательными и многообещающими являются теоретические исследования, посвященные поискам и ана­ лизу новых механизмов фазировки, т. е. построение теории приборов, которых еще нет и которые можно создать только после надлежащей теоретической проработки относящихся к ним проблем. Перспектив­ ность таких исследований следует из того, что потенциальные воз­ можности сверхвысокочастотной вакуумной электроники еще далеко не исчерпаны; фактическое положение дел таково, что лишь в послед­ нее время электроника из дисциплины, посвященной описанию и расчету частных приборов и устройств, превратилась в дисциплину более широкого профиля.

Другая цель теории, как уже говорилось, это — изучение ме­ ханизмов фазировки в существующих приборах. С практической точки зрения, конечно, желательно иметь теорию, позволяющую дать пол­ ный технический расчет прибора, однако на этом пути достигнуты лишь частные, весьма скромные успехи. Так, например, нам неиз­ вестно ни одной работы (или серии работ), которая действительно приводила бы к полному техническому расчету прибора, т. е. к воз­ можности сконструировать прибор без экспериментов на макетах, где расчетные данные проверяются, корректируются, а иногда отбрасываются как бесполезные. Дело в том, что все работы, претен­ дующие на технический расчет, в сущности сводятся к изучению механизма фазировки при учете всего нескольких возмущающих факторов (см. введение), в то время как в реальных приборах этих факторов много и их влияние на характеристики прибора не учиты­ вается. Тем не менее, такие расчеты часто дают ценные для практики указания, если одновременно соблюдены три условия: правильно (или удачно) выбрана теоретическая модель, отвечающая данной кон­ струкции, применен эффективный вычислительный метод и можно произвести хотя бы частичную оптимизацию.

К сказанному следует добавить, что исчерпывающий расчет при­ бора должен включать также расчет электродинамической системы, электронно-оптической системы и теплового режима.

Таким образом, в настоящее время теория неизбежно должна дополняться и направляться экспериментом. В ряде случаев значи­ тельную помощь в разработке приборов может оказать теория подобия, которая для электронных приборов, к сожалению, развита недоста­ точно. В будущем, по мере развития численных методов и вычисли­ тельных машин, ситуация может измениться: «численный эксперимент»,, охватывающий все существенные характеристики проектируемого прибора, полностью заменит реальный эксперимент, причем несуще­ ственность тех или иных возмущающих факторов будет проверяться с помощью контрольных расчетов. Такие работы уже ведутся, и можно надеяться, что в ближайшее десятилетие будут произведены полные расчеты наиболее простых электронных потоков, а именно потоков, близких к ламинарным. Моделирование электронного облака в общем случае связано не только с вычислительными, но и с принципиальными трудностями, о которых говорится в конце приложения IV.

Развитие идей в электронике и производство электронных приборов далеко не всегда соответствуют друг другу. Надо иметь в виду, что приборам нового типа при завоевании «места под солнцем» — мас­ сового применения — приходится вести жесткую конкурентную борьбу с приборами старых типов, технология которых хорошо отработана и производство налажено. Лишь немногие новые приборы выдерживают эту борьбу: следя за развитием электроники, нетрудно заметить, что ежегодно появляется несколько новых типов приборов, которые, одна­ ко, изготавливаются в виде немногочисленных экземпляров для лабо­ раторных исследований и затем остаются лишь вехами, отмечающими развитие научных идей. Массовое же применение получают, как

правило, только приборы с выдающимися свойствами. Впрочем, последнее относится не только к электронике.

В этой книге нет заключения. Поэтому здесь целесообразно ска­ зать, что при работе над книгой мы рассматривали сверхвысокочас­ тотную электронику как часть физики, тесно связанную с другими разделами физики: теорией электромагнитного поля (сверхвысоко­ частотной электродинамикой), теорией колебаний, физикой плазмы, квантовой электроникой. Особенно следует подчеркнуть связь между электронными приборами и ускорителями заряженных частиц. Дело не столько в том, что в ускорителях частицы разгоняются переменными полями, создаваемыми электронными приборами, но и в том, что ус­ пешная работа как электронных приборов, так и ускорителей воз­ можна благодаря фазировке (автофазировке) частиц в синхронных (резонансных) полях. Принцип автофазировки, открытый В. И. Векслером в 1944 г., определяет возможность устойчивого ускорения частиц внешним переменным полем и является основой всех совре­ менных резонансных ускорителей. Термин «автофазировка» подчер­ кивает, что ускоряющее поле автоматически собирает частицы в нуж­ ных для ускорения фазах; в электронных приборах переменное поле, отбирающее энергию у частиц, также автоматически группирует их

всоответствующих фазах, причем этот автоматизм обычно подчерки­ вается словами «механизм фазировки». Мы упоминали об ускорителях

в1-й и 8-й лекциях и вернемся к ним немного позже. Интересно от­ метить, что в ускорителях с интенсивными пучками возникают явления, характерные для электронных приборов: пучок создает дополнитель­ ные поля (резонансные и нерезонансные), в пучках развиваются неустойчивости и т. д.

Сказанное предопределило как содержание данной книги, так

истиль изложения.

б.НЕСИНХРОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Мы неоднократно подчеркивали важность синхронизма, обеспечивающего резонансное взаимодействие между электронами и полем. Ясно, что синхронизм важен при накоплении сравнительно слабых эффектов за продолжительное время, и это накопление естест­ венно рассчитывается методом усреднения или методом, учитывающим резонансные слагаемые и отбрасывающим нерезонансные (см. 4-, 6-, 8- и 9-ю лекции). Условие синхронизма в приборах типов Ми О имеет довольно простой вид (см. 3-ю и 6-ю лекции), в приборах с криволиней­ ными пучками условие синхронизма усложняется, но тем не менее синхронизм необходим.

В связи со сказанным возникает вопрос: обязателен ли для сверх­ высокочастотной электроники синхронизм и что можно ожидать от несинхронных взаимодействий?

Важность этого вопроса можно пояснить на примере ускорителей. Большинство ускорителей работает в условиях синхронизма электро­ нов и сравнительно слабых полей и рассчитывается с помощью той или иной модификации метода усреднения. Однако возможно ускоре.

ниє электронов в сильных полях, сообщающих электронам за одно

прохождение через резонатор энергию порядка

их энергии

покоя.

По такому принципу работает микротрон.

 

 

 

Микротрон был предложен

В. И. Векслером в 1944

г. под назва­

нием «электронный циклотрон».

В

отличие от

ионного

циклотрона

(рис. 8.1), в котором частицы при

прохождении

ускоряющего

зазора

получают энергию, малую по сравнению с энергией покоя, электрон­ ный циклотрон за одно прохождение частиц через ускоряющее поле

сообщает им

энергию

 

 

 

AW~me2 = 0,511

Мэв,

т. е. сравнимую с

их энергией покоя. Время обращения электронов

в магнитном

поле

согласно формуле (8.01) равно

 

 

т _ _ _ 2 я _ _ _ 2 я _ W_

 

 

~~ й у ~ ее

Н '

где

 

 

 

есть энергия электрона. После прохождения ускоряющего поля Т изменяется на величину

~~ ее Н '

и если эта величина равна периоду ускоряющего поля 2тт/со, то элект­ рон, однажды ускоренный, в дальнейшем также попадает в ускоряю­ щее поле и при каждом прохождении поля увеличивает свою энергию на AW.

Микротрон в своем современном виде схематически изображен на рис. 10.3. Ускоряющее поле — это сверхвысокочастотное поле, воз­ буждаемое в добротном резонаторе мощным генератором сверхвысоко­ частотных колебаний (магнетроном; могут быть применены и мощные клистроны). Движение электронов в микротроне, по крайней мере при] первых прохождениях через ускоряющий резонатор, не может быть рассчитано аналитически, а только численно; при дальнейших прохождениях возможны математические упрощения, но они основаны не на методе усреднения, а на использовании уравнений в конечных разностях. Микротрон является мощным и эффективным ускорителем

электронов и имеет многообразные

применения.

В электронных приборах кратковременное взаимодействие с мощ­

ными электромагнитными полями

может

реализоваться, например

в генераторах магнетронного типа.

Пока

сверхвысокочастотное поле

в генераторе невелико и время пролета электронов составляет много периодов обращения, необходим синхронизм и применим метод усред­ нения (см. 3-ю и 4-ю лекции). После того, как сверхвысокочастотное поле становится достаточно большим, возможен в принципе переход к новому режиму генерации, в котором синхронизм необязателен,

поскольку время пролета сравнимо с периодом обращения или меньше его.

Сказанное относится к кратковременному взаимодействию элект­ ронов с несинхронными полями. В случае длительного взаимодействия с такими полями возникают так называемые квадратичные силы, кото­ рые в электронике обычно не рассматриваются, но иногда могут иметь существенное значение.

Рис.

10.3. Движение электронов в микротроне:

а — общая схема;

/—ускоряющий резонатор; 2 — волновод; 3 — магнитный ка­

нал для вывода частиц; 4 — катод;

бначальное движение частиц при первом

типе ускорения; в

при втором типе ускорения.

Рассмотрим для простоты одномерное нерелятивистское движение частицы под действием двух сил—медленной и быстрой. Уравнение движения имеет вид

x = f(x,t) + FXx,t),

(10.51)

где / (х, t) — ускорение под действием медленной силы, являющееся медленно меняющейся функцией х и t, а функция F (х, t) — ускорение под действием быстрой силы — имеет вид

 

 

F(* f / ) = Re{4(*,9e - ' f f l '},

 

(10.52)

где

А (х,

t) — медленно меняющаяся функция х и t, а частота

со дос­

таточно

велика.

 

 

 

Представляя координату частицы в виде

суммы

 

 

 

x = X + t

 

(10.53)

где

X —• медленно меняющаяся, а \ — быстро меняющаяся функция

t, и подчиняя £ уравнению

 

 

 

 

| = F(X,/) = Re{4(X,0e - ' f f

l '}, '

(10.54)

при решении которого можно считать величину А (X, t) постоянной, будем иметь частное решение

g = _ _ F £ i 0 _ f

( 1 ( К 5 5 )

соответствующее быстрым колебаниям с малой амплитудой (пропор­ циональной 1/со2). Такие слагаемые при исследовании движения частиц мы раньше отбрасывали, теперь же посмотрим, что они дают. По­ скольку

1 = о, ! 2 ^ о ,

где чертой обозначено усреднение по t (в пределах периода 2я/со), оказывается, что влияние быстрого движения на медленное пропор­ ционально квадрату амплитуды быстрых колебаний.

Действительно, вернемся к исходному уравнению (10.51). Считая величину \ достаточно малой, можно переписать его в виде

X + £ = f(XJ)+Z^-(X,t)

+ ...+F(X,t)

+ t^(X,t)+...,

(10.56)

 

ОЛ.

 

ОЛ.

 

 

где

многоточием обозначены

члены порядка g2 и

выше.

Поскольку

X

есть, по исходному предположению,

медленно

меняющаяся функ­

ция, быстро осциллирующая

функция

\ должна

удовлетворять урав­

нению

 

 

 

 

 

 

..F{X,f)+\jL

(X, t) + l

~ (X, t)~l

f-(X,

t), (10.57)

а функция

X—уравнению

 

 

 

 

 

* = = f ( X , 0 + g - g - <*,/),

 

(10.58)

причем членами порядка £2 и выше мы пренебрегли. Если в уравнении (10.57) пренебречь и членами порядка \ (что естественно в силу мало­ сти | ) , то оно превратится в уравнение (10.54) и будет иметь решение (10.55). Усредненное движение в этом случае будет подчиняться урав­ нению

 

Х = / ( Х , 0 — | *

(10.59)

где потенциальная

функция

 

Ф = Ф

(х, t) = ^ Щх7її= ~ I л (х, о|2

(Ю.60)

определяет квадратичную силу, действующую на электрон в быстро осциллирующем (несинхронном) поле.

Этот простой результат получен П. Л . Капицей в 1951 г. и приме­ нен к расчету маятника с вибрирующим подвесом. Как мы видим, при действии быстро осциллирующих сил также применим метод усредне­ ния, который приводит к квадратичной силе, в то время как в теории магнетрона (см. 4-ю лекцию) мы квадратичных сил вообще не учиты-/ вали.

В дальнейшем соотношения (10.59) и (10.60) были обобщены на случай трехмерного движения в переменных электромагнитных полях, причем было предложено использовать движение электронов в слабо

8 Зак. 1)23

225

t

неоднородных переменных полях для отбора кинетической энергии от них и построения генератора на этом принципе. Однако экспери­ ментального развития это предложение не получило, и движение электронов в таких полях было применено лишь для абсолютного измерения напряженности сверхвысокочастотного поля.

Если перейти к системе координат, движущейся с синхронной волной в магнетроне, то все несинхронные пространственные гармони­ ки сверхвысокочастотного и электростатического поля будут давать быстро осциллирующие силы, возмущающие движение электронов (пространственные гармоники статического поля возникают из-за периодичности пространства взаимодействия). В лампе с бегущей волной такие же силы возникают при наличии отраженной волны или других распространяющихся на той же частоте волн, не удовлетворяю­ щих условию синхронизма. Действие всех таких полей можно в прин­ ципе учесть с помощью квадратичной силы, полученной выше.

Поскольку синхронная сила пропорциональна амплитуде поля, ясно, что в слабых полях квадратичные силы пренебрежимо малы по сравнению с синхронными. Однако при этом надо сравнить квадрати­ чную силу с синхронной и выяснить, какие поля следует считать сла­ быми, а какие — сильными.

Рассмотрим следующий пример: пусть в плоском магнетроне рас­ пространяется медленная волна, которая имеет потенциальную функ­

цию (4.15), а именно

 

 

 

%=

-Ё sm h{x~ut)shhy,

h= — .

(10.61)

 

m

и

 

Если эта волна синхронна с электронами, то она определяет составляю­ щие ускорения

dU

р(!)

dU

/ 1 П й 9 \

F ' = ^ Г '

р '

— •

( 1 0 - 6 2 )

Если же она несинхронна, то составляющие квадратичного ускорения

по

предыдущему

(см.

также

задачу

3)

равны

 

 

 

 

 

 

^ >

=

_

i

*

, yf> =

,

(10.63)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дх

 

 

ду

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*

-

-

^2

£

)

'

+

( ? г Л - ( ї £ Г * 2 * » -

00.64)

 

 

 

 

2со

 

дх

j

 

V ду

*

 

 

 

Мы

видим,

что

при г/->0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l ^

h

^

'

L

x .

е с л и £ = £ с ,

(10.65)

Ес

— критическая

 

напряженность

сверхвысокочастотного

электри­

ческого

поля — определяется формулой

 

 

 

 

 

 

Ес

= к-^=2л-И-^-,

с

\e\V

(10.66)

 

 

 

 

 

 

 

 

\е\

 

К

где А, = 2яс/со есть длина волны в свободном пространстве, соответ­ ствующая частоте генерации. Иначе можно написать

 

 

 

 

 

 

3 L

) =

^ J

L ,

(10.67)

 

 

 

 

 

 

см

,

"к(см)

с

 

 

так

что, например,

при X = 10 см и и/с = 0,1 мы получаем

Ес =

=

30 кв/см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(^

Если

сравнивать Fy2)

с

амплитудными значениями F{J') или

при

некотором

г/ ( г / > 0 ) ,

то в правых частях (10.66) и (10.67)

появятся

множители

l/ch/гг/ или l/shhy,

которые при

1 не изме­

няют порядка

величины

Ес.

 

 

 

 

 

 

При

напряженности Ес квадратичные силы сравниваются с синх­

ронными, так что квадратичными силами можно пренебрегать

лишь

при Е < Ес.

Это

условие

показывает,

что синхронное

взаимодейст­

вие эффективнее

несинхронного

лишь в сравнительно слабых

полях,

а в наиболее мощных приборах несинхронные взаимодействия весьма существенны.

Надо иметь в виду, что в переменном поле с амплитудой Ес амп­ литуда а осциллирующего движения согласно формуле (10.55) полу­

чается равной

 

а= | е | £ с ,

(10.68)

т с о 2

 

и согласно формуле (10.66) мы имеем

 

ha=l,

(10.69)

т. е. амплитуда колебаний сравнима с теми расстояниями, на которых поле меняется существенно. При выводе уравнений (10.59) и (10.60)

мы неявно

предполагали

(см. задачу

1), что

ha<^\.

Таким

образом,

при

Е^ЕС

разбиение

поля на синхронное и

несинхронное вообще

теряет смысл

и нельзя

пользоваться методом

усреднения ни в какой форме; в частности, полученная выше квадра­ тичная сила может давать лишь грубые оценки. Единственный путь, который остается при Е^>ЕС, — это путь точного решения уравнений движения в полном поле. При и ~ с эти уравнения должны быть реля­ тивистскими, поскольку по формуле (10.69) получаем соа = и.

Несинхронные взаимодействия могут быть причиной многих явлений, которые с традиционной точки зрения, не учитывающей влия­ ния несинхронных полей, непонятны. Например, выше мы рассмат­

ривали магнетрон, у которого согласно формулам

(10.63) и (10.64)

F < 2 ) < 0 ,

(10.70)

т. е. квадратичная сила препятствует вступлению электронов из катода в пространство взаимодействия; у ниготрона же (см. задачу 4) вблизи катода эта сила имеет противоположный знак, т. е. как бы выталкивает электрон в пространство взаимодействия. Точно так же действуют (в движущейся системе координат) пространственные гар-

8*

227

моники электростатического поля. Таким образом, в ниготроне не­ синхронные поля помогают синхронной волне формировать язычки.

Взаимодействие электронов с волновыми полями несинхронных колебаний может быть причиной побочного излучения генератора.

Мы надеемся, что задачи, приложенные к данной лекции, помогут читателю освоиться с несинхронными взаимодействиями и дать оценку их влияния в тех случаях, которые его заинтересуют.

З А Д А Ч И К 10-й ЛЕКЦИИ

1. Вывести условие применимости уравнения (10.59) при / = 0. Р е ш е н и е . Будем считать, что

дА 1_ дх L

где L — характерная длина, на которой заметно изменяется осциллирующее по­ ле. Тогда в разложении (10.56) можно ограничиться выписанными членами, если

 

 

5 max < L

ИЛИ — — С L .

 

 

 

 

 

СО*

 

2. Считая (см. предыдущую задачу), что

 

 

 

 

df_ _

J _

 

 

 

 

дх

 

L

 

показать, что учет члена

£

 

в уравнении (10.56) приводит к уравнению

(10.59) с поправочным членом, которым можно пренебречь»

Р е ш е н и е .

Этот

поправочный

член

равен

1

» d2fl_

\A(X,t)\*

 

d*f

I A I2

2 5

 

4co"

 

UX2 (

4co4 L2

и согласно предыдущей задаче

он мал по сравнению с первым членом правой

части (10.59).

 

 

 

 

 

 

3. Обобщить уравнение (10.60) на случай трехмерного движения в перемен­

ном электрическом

поле, исходя

из уравнения

движения

 

 

г==

Re{E(co,

г)е~ш}.

 

 

т

 

 

 

 

Р е ш е н и е . Полагая

r = R + P,

мы подчиняем р уравнению

р = — R e { E ( c o ,

R)(Tiat}

т

 

 

и находим р в виде

 

 

е

Re{E(co,

R) е ~ ш \ .

 

mco2

К этому выражению для р можно было бы приписать линейную функцию t, но это — медленно меняющаяся функция, которую естественно включить в R. Для R получается уравнение

R = — grad0 , Ф={——

) | E ( c o , R ) | 2 .

\ 2mco

/

4. Рассмотреть

квадратичную

силу,

возникающую в

поле несинхронной

волны с потенциалом

(3.73), и сравнить ее с силой, соответствующей волне с по­

тенциалом (10.61).

 

 

 

 

 

 

Р е ш е н и е .

Квадратичная

сила

определяется формулами (10.63), где

 

, еЕ

\ 2

ch2h

/

D

 

 

Ф=

I

\ а

у——

 

 

2та

 

2

 

Поэтому

 

 

 

 

 

 

i f > > 0 при У<~у,

 

F<2> < 0 п р и ( / >

- у

в то время как для волны, рассмотренной в лекции, выполняется условие (10.70).

5. Вычислить

потенциал квадратичных

сил Ф, обусловленный простран­

ственными гармониками

электростатического

поля

с потенциалом

 

 

~

 

 

Ф

=

2j

Ф п s i n h n (x + ut) sh hnу,

h n =

или

 

 

 

/

D

Ф =

0 0

 

2

Фп sin й„ (* + "*) ch/i„

ty——

в системе координат, движущейся со скоростью и относительно периодической структуры.

Р е ш е н и е . Поскольку каждая пространственная гармоника имеет свою частоту hnu, при усреднении произведения разных гармоник исчезают и мы полу­ чаем в первом случае

Г/ дФ \ 2 ( дФ \Ц

( е \ 2 ~ 2

2 V тсо

 

а во втором

 

 

Ф=(^-У

У A S o i c h 2 A f „ _ A

 

 

\2rnw)

л= і

V

2

 

Характер

квадратичных сил такой же, как от несинхронных пространственных

гармоник

сверхвысокочастотных

полей.

 

 

 

6. В тексте лекции не учитывалось влияние постоянного магнитного

поля

на движение частиц. Применить уравнение

движения в комплексном

виде

(см. 4-ю лекцию)

 

 

 

 

 

г > І Й г = / ( г , г*, t) + F(z,

г*, г)

(Q>0),

 

где / — медленно меняющаяся функция, а

 

 

 

 

F (г, г*, t) = S {Ft

(г, г*)

' + FJ (г, г*) е ' и / }

 

 

і

 

 

 

 

— быстро меняющаяся вследствие того, что частоты a>j велики и среди комбина­

ционных частот со^ ±

cofe нет малых, а функции

— медленно меняющиеся.

Исследовать влияние

быстро осциллирующих

сил на усредненное движение.

Считать разности

| со;-1 — Q также большими

(циклотронный резонанс отсут­

ствует). Дать качественный анализ медленного движения.

Р е ш е н и е .

Положим

 

 

z = Z + £

и подчиним £ уравнению

't+iai=F(Z,

z*, о ,

(а)

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ