PFE / ПФЭ / Глава6-1

6. ПРИБОРЫ С ВЫНУЖДЕННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

Во всех рассмотренных выше приборах, в которых использовалось взаимодействие электронных потоков как с сосредоточенными электромагнитными полями, так и с бегущими волнами, обязательным элементом являются электродинамические устройства (резонаторы или ЗС), размеры или поперечная структура которых всегда меньше длины волны. Это оказывается удобным в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, но затрудняет и даже делает невозможным их применение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Чтобы обойтись без ЗС и резонаторов, можно воспользоваться излучением ускоренно движущегося заряда, например электрона, колеблющегося в специально созданном статическом электрическом или магнитном полях. Такой электрон является как бы элементарным осциллятором, излучающим электромагнитные волны с частотой своих колебаний. Однако чтобы это излучение было достаточно мощным, следует выполнить два условия:

1. Мощность излучения колеблющегося заряда намного возрастает, если он будет совершать колебания в поле достаточно сильной электромагнитной волны, частота и направление электрического поля которой совпадают с колебаниями заряда, а фаза обеспечивает его торможение. Энергия заряда будет передаваться электромагнитной волне и увеличивать ее амплитуду. Таким образом, движение заряда должно осуществляться во внешнем электромагнитном поле. Подобное излучение носит название вынужденного или индуцированного.

2. В реальных устройствах имеет место излучение не одиночного заряда, а совокупности большого их числа. Но и в этом случае фаза их колебаний должна быть такова, чтобы все они испытывали торможение, двигаясь против силы, действующей на них со стороны электрического поля электромагнитной волны. Колебания зарядов должны быть согласованы друг с другом и с полем волны, т. е. быть когерентными.

Устройства, в которых выполняются эти условия, называют часто мазерами или лазерами на свободных электронах.

6.1. Гиротрон

Вращательное движение, которое электроны приобретают в постоянном магнитном поле, является движением ускоренным и может быть использовано для получения электромагнитного излучения. Один из способов реализации этой возможности схематически изображен на рис. 6.1. Пусть в постоянное магнитное поле В₀ под углом a к его силовым линиям влетает поток электронов. Траектории электронов будут иметь вид спиралей, вытянутых вдоль силовых линий магнитного поля. Продольная и поперечная скорости электронов соответственно равны

v_ = v₀cos, v_ = v₀sin , (6.1)

где – полная скорость электронов.

Рис. 6.1. Взаимодействие электрона, вращающегося в постоянном магнитном поле, с высокочастотным электрическим полем

Частота вращения электронов в магнитном поле (циклотронная частота) равна

. (6.2)

Перпендикулярно к магнитному полю приложено высокочастотное электрическое поле

, (6.3)

направленное вдоль оси х. Соответствующая этому компонента скорости вращающегося электрона

, (6.4)

где ₀ – начальная фаза вращения, с которой электрон входит в электрическое поле.

Мгновенная мощность взаимодействия электрона с полем, являющаяся ничем иным, как мощностью вынужденного излучения, равна

, (6.5)

где под следует понимать разность фаз между фазой электрического поля и фазой колебательного движения электрона вдоль оси х.

Будем в дальнейшем считать, что  = _H, т. е. имеет место резонанс между частотой поля и частотой вращения электронов. Если электронный поток равномерен во времени, то все фазы ₀ равновероятны, и средняя мощность взаимодействия окажется равной нулю. Чтобы добиться преимущественной передачи энергии от электронов полю, необходимо перестроить движение электронов так, чтобы у большинства их скорость движения вдоль оси х была направлена против силы электрического поля. Для получения такого группирования было бы достаточно неизохронности вращения электронов в магнитном поле, т. е. зависимости периода вращения электронов от их скорости. Такая неизохронность действительно существует, и ее причиной является релятивистская зависимость массы электрона от его скорости. Это должно сказаться и на частоте вращения электрона в магнитном поле

, (6.6)

где m₀ – масса покоя электрона; – релятивистский параметр.

Из выражения (6.6) следует, что с возрастанием полной скорости электрона частота его вращения должна уменьшаться и набег фазы может оказаться достаточным, чтобы привести к скоплению электронов в тормозящей фазе электрического поля.

Реальный прибор, в котором используется указанный принцип, был предложен и разработан группой советских ученых под руководством А.В. Гапонова [3]. Схема такого прибора, называемого гиротроном, представлена на рис. 6.2. Электронный пучок формируется специальной пушкой 1, катод которой имеет форму усеченного конуса. В такой пушке электроны приобретают импульс как в продольном, так и в поперечном направлениях, и попав в однородное магнитное поле B₀, создаваемое соленоидом 2, движутся по винтовым траекториям. Сформированный электронный поток попадает в резонатор 3, где электроны взаимодействуют с одним из его ТЕ-типов собственных колебаний, обладающим поперечной компонентой электрического поля. По прохождению

Рис. 6.2. Схема гиротрона (МЦР): 1 – электронная пушка; 2 – соленоид; 3 – резонатор; 4 – коллектор; 5 – электронный пучок; 6 – герметизирующая перегородка; 7 – запредельный волновод

резонатора использованный электронный пучок, следуя вдоль магнитных силовых линий, уводится на коллектор 4. Энергия СВЧ колебаний выводится наружу через волновод, в котором стоит герметизирующая перегородка 6. В волновод колебания просачиваются из резонатора 3 через сужение 7, являющееся коротким запредельным волноводом. Диаметр и длина этого участка определяют величину связи резонатора с выходным волноводом.

По принципу действия гиротрон является как бы обращенным циклотроном, в котором энергия вращательного движения зарядов преобразовывается в энергию ВЧ поля.

Основное преимущество гиротрона по сравнению с рассмотренными ранее электронными приборами состоит в том, что в нем не нужно концентрировать ВЧ поле в объемах с размерами, меньшими длины волны. Работа гиротрона может осуществляться на одном из высших типов колебаний резонатора, так что его размеры могут быть довольно значительными.

Частота генерируемых колебаний определяется величиной магнитного поля. Так, при В = 34 Тл удается получить колебания с длиной волны 3–4 мм. Для дальнейшего повышения частоты требуется применение сверхпроводящих магнитных систем.

Сравнительно большие размеры резонатора позволяют получать в гиротроне довольно высокие мощности. Преимущества гиротронов особенно проявляются в миллиметровом диапазоне длин волн, где в настоящее время с их помощью удается получить в непрерывном режиме мощности в десятки киловатт.

Проблематика создания подобных приборов в первую очередь связана с созданием электронно-оптической системы. В качестве источника винтового электронного потока обычно используется диодная магнетронная пушка с металлопористым катодом. Плотность тока эмиссии с катода около 5А/см², рабочее напряжение 70-80 кВ, рабочий ток 25-40 А. Средний диаметр эмиссионной полоски на катоде - 83 мм. Для достижения необходимых параметров прибора требуется, чтобы разброс поперечных скоростей электронов в пучке не превышал 30 %.

Для уменьшения нагрева стенок и вероятности пробоя по поверхности поперечное сечение резонатора намного превышает диаметр электронного пучка в нем.

Резонатор представляет собой отрезок цилиндрического волновода. Он изготавливается из дисперсно-упрочненной меди, обладающей, по сравнению с обычно применяемой медью, более высокими прочностными характеристиками, высокой температурой рекристаллизации и малой скоростью ползучести. Система охлаждения резонатора рассчитана на плотность теплового потока 4-5 кВт/см², что дает возможность поддерживать на внутренней поверхности резонатора температуру не более 250 °С. Избирательность возбуждения рабочего вида колебаний обеспечивается заданием диаметра трубчатого электронного потока, который должен совпадать с максимумом распределения ВЧ-компоненты электрического поля рабочего вида колебаний.

Магнитная система чаще всего состоит из основного соленоида и двух корректирующих катушек (катодной и коллекторной), последние должны создавать относительно небольшие магнитные поля (порядка 200 Гс), в то время как рабочее магнитное поле достигает 4-7Тл в зависимости от частоты генерации.

На коллекторе гиротрона в зависимости от КПД и режима работы выделяется мощность до 1-2 МВт. Для размазывания пучка по поверхности коллектора на корректирующую катушку подаются пилообразные импульсы тока, позволяющие сканировать поверхность коллектора и более равномерно распределить выделяющуюся мощность по его поверхности. Коллектор позволяет рассеивать удельные мощности до 1 кВт/см². Существенным средством уменьшения тепловых нагрузок на катод может явиться рекуперация энергии на коллекторе гиротрона.

6.2. Генераторы дифракционного излучения

Излучение свободно движущегося заряда необязательно связано с его колебательным (или вращательным) движением. Это может быть также дифракционное излучение, возникающее при пролете заряда вблизи поверхности какого-либо проводящего или непроводящего тела и обусловленное перестройкой в этот момент электрического поля заряда. При этом возникают как поверхностные волны, распространяющиеся вдоль поверхности тела, так и объемные волны, которые ответственны за излучение. Такого рода эффект лежит в основе действия нового вида генераторов СВЧ – генераторов дифракционного излучения (ГДИ), разработанных группой советских ученых под руководством В.П. Шестопалова.

Для иллюстрации описанного принципа рассмотрим движение электрона над дифракционной решеткой, представляющей собой проводящую поверхность, покрытую рядом параллельных канавок, обладающих периодом h и глубиной d (рис. 6.3). Пусть вдоль поверхности решетки на расстоянии b пролетает электрон со скоростью v₀. При этом он индуцирует в металле решетки положительный заряд зеркального изображения, образуя с ним диполь, электрический момент которого пульсирует при движении электрона с амплитудой порядка 2d, что и является причиной излучения. С учетом эффекта Допплера частота излучения

, (6.7)

где  – угол между направлением излучения и скоростью электрона.

Рис. 6.3. Излучение электрона, пролетающего над дифракционной решеткой

Если электронный пучок однороден, то отдельные заряды его излучают независимо друг от друга, и суммарная энергия подобного некогерентного излучения весьма невелика. Однако ее можно существенно увеличить, если соответствующим образом промодулировать пучок так, чтобы сгруппированные заряды давали когерентное излучение. Необходимую для этого обратную связь можно осуществить, расположив на некотором расстоянии над дифракционной решеткой другую проводящую поверхность, которая отражала бы обратно излучение электронов. Возвращающееся излучение возбуждает в решетке поверхностные волны, которые своими полями (как в ЛБВ или ЛОВ) способны группировать электроны. Система, образованная поверхностями дифракционной решетки и отражателя, представляет собой не что иное, как открытый резонатор (ОР), поэтому такого рода устройства назвали оротронами.

Дальнейшее совершенствование оротрона привело к созданию ГДИ, устройство которого представлено на рис. 6.4. На одно из зеркал 1 нанесена отражательная дифракционная решетка 2, вдоль которой на малом расстоянии от нее пропускается ленточный электронный пучок 3, удерживаемый сильным продольным магнитным полем В₀. Скорость электронов пучка выбирается близкой к фазовой скорости одной из медленных волн периодической структуры решетки. Второе зеркало 4 выполнено вогнутым, что способствует лучшей концентрации отраженного им излучения на поверхность решетки. Через отверстие в вогнутом

Рис. 6.4. Схема генератора дифракционного излучения

зеркале осуществляется связь с выходным волноводом 5. Комбинированная перестройка ГДИ достигается согласованным изменением расстояния между зеркалами и соответствующим изменением ускоряющего напряжения.

Различные образцы ГДИ успешно работают в миллиметровом диапазоне длин волн  = 8…0,96 мм. В этих приборах применяются отражательные решетки с шагом h = 0,8…0,1 мм. Комбинированная перестройка по частоте может достигать одной октавы. Ускоряющее напряжение при этом изменяется в пределах 1…5 кВ, выходная мощность – от сотен милливатт до десятков ватт при КПД порядка десятых долей процента. ГДИ обладают высокой стабильностью частоты и чистотой спектра генерируемых колебаний, что обеспечивается большой добротностью применяемого в них открытого резонатора.