Обычно ЛБВМ имеют цилиндрическую конструкцию, реже - линейную. Физические процессы удобнее рассматривать с по мощью линейной ЛБВМ, устройство которой представлено на
система (3С); 3 - холодный катод (ХК); 4 - коллектор; U 0 - напряжение на последнем ускоряющем электроде ЭП; U хк -
напряжение на ХК; Изе - напряжение на коллекторе и 3С.
ЭП формирует электронный поток с заданными параметрами.
3С и ХК образуют пространство взаимодействия, где электроны взаимодействуют с СВЧ-полем 3С в скрещенных постоянных
электрическом S0 и магнитном В0 полях. Электронный поток
вводится в пространство взаимодействия таким образом, чтобы
электрическая составляющая силы Fe = -eS0 ,действующая на
электроны в направлении ЗС, была уравновешена магнитной со
ставляющей Fм = -e[vх В0]. В результате в отсутствие СВЧ-по
лей траектория электронов будет прямолинейной, т. е. цикло
ида выр~ждается в прямую линию. Скорость электронного пото
ка в пространстве взаимодействия в этом случае будет ve = f,0 /B0 • В каждый момент времени все пространство взаимодействия,
как и в магнетроне, можно разбить на ряд участков, где соседние участки имеют продольные составляющие СВЧ-поля, направлен ные противоположно. В результате на одних участках электро
ны будут замедляться, и электрическая составляющая силы Fe будет преобладать над магнитной. Электроны на этих участках будут подниматься в направлении 3С, на других, наоборот, элект
роны ускоряются, тогда преобладает сила Fм· Электроны при этом
двигаются в сторону холодного катода. Если иФ = ие' то одни элект роны будут подниматься, приближаясь к 3С, а другие падать на катод, т. е. процессы взаимодействия здесь во многом аналогичны
Глава 14. Электронные приборы СВЧ с динамическим управлением
413
рвых
к
Рис. 14.12
Рис. 14.13
процессам, протекающим в магнетроне. В электронном потоке об разуются уплотнения (сгустки) и разрежения. В ЛБВМ потенци альная энергия преобразуется в энергию СВЧ-поля, и по мере при ближения к 3С потенциальная энергия электронов уменьшается, а энергия СВЧ-поля увеличивается. Поперечная составляющая СВЧ-поля, нормальная к поверхнqсти Х:К (иначе - отрицатель ного электрода), играет такую же роль, что и в магнетроне, т.,е.
она способствует лучшей группировке внутри сгустка.
Примеры основных характеристик ЛБВМ цриведены на
рис. 14.12 и 14.13. На рис. 14.12 изображена амплитудная Х8;~
рактеристика. С увеличением входной мощности выходная Рвых
возрастет из-за того, что напряженность СВЧ-поля становится
больше и электроны более интенсивно поднимаютс:Я к 3С, отда
вая все более значительную часть своей энергии. На пологом
участке электроны при Рвх > Рвхl начинают достигать 3С, пере
дав всю свою энергию СВЧ-полю. Незначительное увеличение Рвых в этой части кривой вызвано тем, что по мере роста Рвх все большее число электронов достигают 3С.
Зависимости коэффициента усиления К от напряжения хо лодного катода Ихк и частоты f (см. рис. 14.13) подобны соответ
ственно характеристике взаимодействия и частотной характерис
тике ЛЕВО.
Лампа обратной
волны типа М
(ЛОВМ). Наряду с ЛБВМ в СВЧ-технике
достаточно широко применяются прибо
ры, работающие на обратной простран
ственной гармонике -
различные виды
ЛОВМ, которые могут использоваться в
качестве как усилителей, так и генера
торов. Устройство генераторов на ЛОВМ
(рис. 14.14) сходно с устройством маг·
Рис. 14.14
414
Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
нетронного усилителя типа ЛБВМ. Замедляющая система (3С) 4 обычно свернута в незамкнутое кольцо. Выходная мощность
отводится в нагрузку по СВЧ-тракту 7, подключаемому вблизи
катода 1, у ЛБВМ в этом месте находится вход прибора. У кол лекторного конца 3С ЛОВМ монтируется поглотитель 6, кото рый поглощает электромагнитную волну, отраженную от вы ходной СВЧ-линии и катодного конца системы. В ЛБВМ у кол
лекторного конца располагается выход прибора. Пространство
взаимодействия в ЛОВМ, как и в ЛБВМ, формируется холодным
катодом 3 и 3С 4. На рис. 14.14 показаны также анод электрон
ной пушки 2 и коллектор 5; ЗС конструируется таким образом,
чтобы в ней преобладающую роль играла первая обратная гармо
ника, вектор фазовой скорости vФ(-l) которой совпадает с направ
лением движения электронов. Групповая скорость СВЧ-волны (скорость переноса энергии игр на рис. 14.14) направлена навстре
чу движению потока.
Под воздействием флуктуаций плотности электронного пото ка в 3С возникают слабые электромагнитные колебания. Даль нейший механизм взаимодействия электронного потока с СВЧ полем - формирование сгустков, отбор рабочих электронов, пере
дача энергии полю волны - подобен механизму взаимодействия
в ЛБВМ, за исключением того, что взаимодействие осуществля
ется не с прямой волной, а с обратной гармоникой. Однако фазо
вая скорость этой волны, как и в ЛБВМ, направлена в ту же сто
рону, что и направление движения электронного потока.
Одним из достоинств генератора на ЛОВМ является возмож ность (за счет изменения напряжения источников пит,ания) элек тронного смещения частоты генерируемых колебаний в пределах нескольких процентов. Генераторы на ЛОВМ являются доста точно мощными приборами, у которых мощность в непрерыв ном режиме достигает нескольких кВт, :КПД - 30%. Они работа ют вплоть до миллиметрового диапазона. ЛОВМ может работать
как усилитель, в котором вход располагается около коллектора.
:Коэффициент усиления таких приборов 20...30 ДБ.
Ампилитроны. Это разновидность усилительных ЛОВМ, уст ройство которых сходно с устройством магнетронов. Отме тим некоторые отличительные особенности устройства ампи литрона (рис. 14.15, стрелками показаны направления дви
жения СВЧ-энергии). Поскольку это усилительный прибор, то
для устранения возбуждения на колебаниях вида 1t, ампилитрон,
Глава 14. Электронные приборы СВЧ с динамическим управлением
415
в отличие от магнетрона, имеет нечетное
1 2
число резонаторов. В магнетроне 3С об разована замкнутой цепочкой резонато ров, а в ампилитроне 3С 2 разомкнута за счет разрыва системы связок 3. Магнит
ное поле 4 формируется постоянным маг
нитом. Входной сигнал Рвх возбуждает че
рез связки поле в резонаторах. Электро
ны, эмитированные катодом 1, поступают
впространство взаимодействия и дви-
жутся по таким же траекториям, что и в
магнетроне. Если скорость перемещения
Рис. 14.15
электронов равна фазовой скорости од ной из пространственных гармоник СВЧ-поля, то в результате
процессов группировки образуются спицы, в которых электро
ны передают свою потенциальную энергию СВЧ-полю. Амплиту
да волны, бегущей вдоль связок, возрастает за счет потенциальной энергии электронов. В ампилитроне взаимодействие осуществля
ется с обратной гармоникой, так же как и в ЛОВМ, т. е. ампилит
рон объединяет в себе свойства магнетрона и ЛОВМ. Ампилитрон
является очень мощным прибором, его мощность в непрерывном режиме достигает сотен кВт, а в импульсном - десятков и более
МВт, усиление -
до 20... 30 дБ, рабочий диапазон частот - обыч
но единицы ГГц, КПД до 70".80%.
---0-------
il Контрольные вопросы1 - I--------
1.Общие сведения о приборах типа «М», достоинства и недос
татки. Области применения.
2.Каково устройство магнетрона? Движение электронов в скрещенных полях. Парабола критического режима.
З. Особенности колебательной системы магнетрона: виды коле баний, колебания 7t-вида, разделение видов колебаний.
4.Каковы рабочие характеристики и параметры магнетронов и амплитронов?
5.Каковы особенности, устройство, параметры и характеристики ЛБВМ, митронов, ЛОВМ?
РАЗДЕЛ 4
ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ
ИНФОРМАЦИИ.
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Глава 15
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ И ИНДИКАТОРЫ
15.1. Общие сведения
Газовый разряд. Элекrрическим разрядом называют совокуп
ность процессов, связанных с прохождением электрического то
ка через газовую среду. Ионные или газоразрядные приборы (ГРП) -
это приборы, использующие свойства электрического разряда в
газе или парах металлов при давлении от 10-1Па и выше.
Существует множество видов разрядов в газах, которые ис
пользуются в приборах, Их можно разделить на две большие группы: стационарные и импульсные. Стационарные разряды ха рактеризуются установлением равновесных значений всех па раметров газовых разрядов. В импульсных разрядах ток протекает
толь;ко в короткие интервалы времени, когда в разряде не успе
вают установиться равновесные процессы возбуждения, иони
зации, рекомбинации, излучения и т. д. В' интервалах между
импульсами происходит установление равновесных распреде
лений энергетических состояний атомов и молекул газа.
Наиболее распространенными параметрами газовых разря
дов, используемых в приборах, являются следующие: плот
ность разрядного тока, напряженность электрического поля {5 в
разряде, давление газа р, диаметр канала разряда d, произведе ние давления на диаметр pd, отношение {5/р. Свойства разрядов
Глава 15. Газоразрядные приборы и индикаторы
417
сильно зависят от граничных условий, рода газа, характера из
менения напряжения, давления газа и т. д.
Приборы, построенные на основе газового разряда, в настоя щее время находят применение в мощной силовой электротех
нической и радиотехнической аппаратуре, в энергетических ус
тановках, в технологии, в том числе и в области микроэлектро
ники, в лазерной технике, в различных радиотехнических и
электронных устройствах и т. д. Кроме того, ГРП широко при меняются в индикаторной технике.
Индикаторные приборы. В гл. 12 уже были рассмотрены неко
торые типы приборов, используемых как индикаторы - это
электронно-лучевые приборы (трубки). В этой главе будут сум
мированы сведения об индикаторах и рассмотрены основные типы электронных приборов, используемых в качестве средств отображения информации.
Индикатором называется электронный прибор, предназначен
ный Для преобразования электрических сигналов в изображе
ние с определенным пространственным распределением яркос
ти или контраста.
Все типы индикаторов могут быть разбиты на две группы: ак
тивные и пассивные. В активных индикаторах происходит преобра зование электрической энергии' в световую за счет использова
ния следующих физических эффектов: свечения накаленных тел
в вакууме, низковольтной катодолюминесценции (возбуждение твер дого тела потоком быстрых частиц), свечения газового разряда, элек
тролюминесценции. На основе этих явлений разработаны следую
ристики среды, что позволяет изменять в пространстве и времени
амплитуду, фазу, длину световой волны, плоскость поляризации
и направление распространения волн. Наибольшее применение
в пассивных индикаторах получила модуляция интенсивности
света. Для модуляции светового потока широко используются
электрооптические эффекты в жидких кристаллах, электрохромный
эффект (изменение цвета вещества под действием электрическо
го поля), электрофорез (перемещение заряженных цветовых час тиц под действием электрического поля).
14 -6779
418
Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Различные типы индикаторов могут быть разбиты на сле дующие группы: знакомодулирующие, в которых световой или
электронный пучок профилируется по форме знака; знакогенери
рующие, в которых знаки синтезируются по принципу фигур Лис сажу; знакосинтезирующие, в которых изображение формируется с
помощью мозаики независимо управляемых элементов-преобра зователей «сигнал-код». По характеру отображений информа
ции индикаторы всех типов делятся на единичные (точечные),
шкальные, цифровые и буквенно-цифровые (одно- и многоразряд
ные), матричные и мнемонические (мнемосхема - это условное изо бражение объектов, их состояния, процессов, явлений).
15.2. Элементарные процессы в газовых разрядах
Движение электронов и ионов в разрядном промежутке, фор мируемом двумя электродами (один из которых - анод, а дру гой - катод (рис. 15.1)), определяется как действием электриче ского поля, так и беспорядочнь1м перемещением, обусловленным их взаимодействием с частицами газовой среды. Под взаимодействи ем двух частиц понимается любое вынужденное изменение харак теристик их движения или внутреннего состояния при сближе нии. Все процессы взаимодействия между частицами в газовом разряде делятся на упругие и неупругие. При упругих взаимодействи ях (столкновениях) суммарная кинетическая энергия взаимодей
ствующих частиц остается постоянной. Для неупругих взаимодей
ствий характерно изменение суммарной кинетической энергии частиц, которое обусловлено изменением их внутренней энер
гии. Если суммарная кинетическая энергия взаимодействую· щих частиц убывает, то внутренняя энергия по крайней мере
одной из частиц возрастает (неупругие столкновения первого рода)
и, наоборот, если кинетическая энергия растет, то внутренняя энергия хотя бы одной из частиц уменьшается (неупругие столк
новения второго рода).
Упругое взаимодействие, или рассеяние, приводит к превра·
щению направленного потока частиц в беспорядочное, хаотичес·
1
1
кое движение. В газоразрядных
Разрядный промежуток
приборах наиболее существенны три типа упругих взаимодейст
Lвий: 1) электрон-электронные;
2) атом•атомные, ион-атомные,
ион-ионные; 3) электрон-атом-
Рис. 15.1
ные и электрон-ионные.
Глава 15. Газоразрядные приборы и индикаторы
419
В газовых разрядах, как и в твердом теле, вероятность столк
новения частиц характеризуется эффективным и полным сече
нием взаимодействия. Под эффективным сечением взаимодейст
вия понимают суммарную площадь, в пределах которой реализу ется столкновение. Полное сечение процесса равно произведению эффективного сечения на концентрацию взаимодействующих
частиц.
Сечения взаимодействий сильно зависят от относительных скоростей частиц. При малой степени ионизации газа, когда
число ионов составляет 10-5••• 10-4от числа атомов, наиболь
шую роль играют электрон-электронные взаимодействия, за счет которых функция распределения частиц по энергиям ста
новится функцией ·максвелла. При распределении Максвелла
средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц
определяется их температурой, которая для отдельного сорта
частиц, особенно электронов и ионов, сильно отличаете.я от ок
ружающей температуры. Это связано с тем, что в условиях раз р.яда заряженные частицы приобретают энергию, ускоряясь в электрическом поле. Из-за упругих столкновений энергия от заряженных частиц передаете.я нейтральным, вследствие чего
направленное вдоль пол.я перемещение заряженных частиц
(дрейф) превращается в хаотическое движение. Увеличение сред ней энергии хаотического движения различно для разных час
тиц. Наиболее интенсивно обмениваются энергией частицы с
близкими массами, т. е. ионы с атомами и электроны между со
бой. При упругом соударении электрона с атомом практически
не происходит обмена энергией из-за большой разницы их масс.
Температура атомов Та приближаете.я к температуре ионов Ti только в дуговых разрядах очень большой плотности из-за высо кой степени ионизации и большой частоты соударений. В разр.я дах, которые используются в приборах, температуры частиц сильно различаются (Те - температура электронов): Те» Ti >Та. Температура частиц зависит от произведения pd, рода газа, на
личия магнитных полей и т. д.
К неупругим столкновениям 1-го рода, играющим опреде
ляющую роль в приборах, относятся следующие процессы:
1) возбуждение атомов электронным ударом - ё +А= е +А*
(е, е - соответственно быстрый и медленный электроны,
А, А* - соответственно невозбужденный и возбужденный
атомы);
14"
420 Раздел 4. ПРИБОРЫ ОТQБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
2) ступенчатое электронное возбуждение - е + А* = е + А**
(А** - атом, перешедший на более высокий энергетиче ский уровень с уровня, соответствующего А*);
В результате этих неупругих взаимодействий часть кинети ческой энергии электронов переходит в энергию возбужде
ния или ионизации.
При взаимодействии медленного электрона е с возбужден
ным атомом А* возможно столкновение 2-го рода е +А*= е +А.
Этот процесс называется электронным девозбуждением и явля ется основным при разрушении возбужденных состояний.
Обобщая сказанное, отметим, что упругие столкновения приводят к установлению определенной температуры частиц в газовом разряде. Электронная температура Те определяет веро ятность большинства неупругих взаимодействий (возбуждение,
Разность потенциалов в разрядном промежутке, при которой электроны приобретают энергию, достаточную для возбужде ния (ионизации) нейтральных атомов, называют напряжением
