5.8. Приборы с циклотронным резонансом

Недостатком приборов типов О и М, использующих взаимодействие электронов с замедленными волнами, является сложность конструкции замедляю­щих систем. Размеры замедляющих систем и пространство взаимодействия ста- поиятся особенно малыми при переходе к миллиметровому и субмиллиметровом диапазонам волн. Последнее затрудняет не только изготовление этих си, но и рассеяние мощности, которое ограничивает выходную мощность при­морий. Поэтому были предложены электронные приборы СВЧ, в которых электроны взаимодействуют с иезамедленньши (быстрыми) волнами. Приборы, использующие взаимодействие винтового электронного потока с незамедленной полной в волноводе или резонаторах, получили название мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) или гиротронов. В разработку этих приборов боль­шой вклад внесли советские ученые А. В. Талонов и другие. Для получения ионого электронного потока используется однородное магнитное поле.

Схема генератора с циклотронным резонансом показана на рис. 5.21. Катод нригнира имеет коническую форму, а его эмитирующая часть выполнена в виде мми.ца. Магнитное поле В направлено вдоль оси катода и прибора. Электроны, ІН.І метающие с поверхности кольца, двигаются по спиральным траекториям в результате совместного действия поля ускоряющего электрода 2 и продольногомагнитного поля В, проходят резонатор (линию передачи) 3 и попадают на коллоктор 4.

Для пояснения возможности длительного взаимодействия электронов и бегущей волны воспользуемся рис. 5.22, на котором показана картина электриче- сого поля волны типа H₁₀ в сечении прямоугольного волновода и проекция интовой траектории электрона в продольном магнитном поле. Пусть ω_ц угловая частота вращения электрона (циклотронная частота), а v₀ — продольная корость электрона в направлении оси винтовой траектории. Электрон, оказавшийся в точке А (рис. 5.22а), испытывает тормозящее воздействие СВЧ поля.

На рис. 5.22б показано положение В электрона через половину оборота, т. е. через время Тц/2. Если за это время направление напряженности электрического поля изменится на противоположное, как показано на рис. 5.22в, то электрон окажется снова в тормозящем СВЧ поле. Путь, проходимый электроном вдоль оси за время Тц/2, l_e=v₀Т_а/2, а волной — l_e=v_фТ_а/2, где v_ф — фазовая ско­рость волны, большая скорости света (v_ф>с). Очевидно, это условие появления электрона в точке В с максимальным значением тормозящего поля при одина­ковом направлении движения волны и электрона можно представить в виде

(5.27)

где λв — длина волны в волноводе:

(5.28)

Подставляя (5.28) в (5.27) и используя значения, и и циклотронную частоту, получим

(5.29)

В случае, когда v_o/v_ф<<1, длительное нахождение электрона в тормозящем поле волны, а следовательно, и передача энергии от электронов волне возможна из (5.29) при ω<<nω_ц. При п— 1 частота ω должна быть близка к циклотронной частоте. При данной частоте волны со рост номера п означает возможность вы­полнения (5.29) при меньшем значении циклотронной частоты v_ц, т. е. при меньшей индукции В продольного магнитного поля, так как из (5.4)

ω_ц = еВ/m. Длительный синхронизм электронов и волны может быть осуществлен и ,на вол­нах другого типа.

Приборы с циклотронным резонансом еще не нашли широкого применения, так как для их создания требуются большие магнитные поля, особенно в диа­пазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн. В сантиметровом и милли­метровом диапазонах волн удается получать в непрерывном режиме мощность в несколько киловатт с КПД около 30%. Ожидается, что на частоте 100 ГГц удастся получить мощность 10 кВт и КПД не менее 30%.