Лекция 11. СВЧ

11. Электронные потоки для свч устройств.

11.1. Важнейшие требования, предъявляемые к электронным потокам.

На данном этапе нашего курса хотелось бы сначала определиться с требованиями, которые должны предъявляться к электронным потокам, используемым при построении электронно-пучковых СВЧ устройств, а затем познакомиться со способами создания таких потоков.

Определить необходимые токи электронных потоков можно, зная выходную мощность прибора и достижимый его коэффициент полезного действия . Для нерелятивистских СВЧ приборов и гиротронов характерны КПД 20-90%. Релятивистские аналоги нерелятивистских имеют, обычно, существенно меньшие КПД порядка 10%, а КПД лазеров на свободных электронах меньше 1%. Учитывая такие цифры, можно оценить величину мощности Р_п , которую должен переносить электронный поток. Эта величина определяется соотношением

, (11.1)

где Р_о - выходная мощность прибора, U_o- ускоряющее электроны напряжение, а I_п - ток электронного пучка.

Воспользовавшись этим соотношением (11.1), мы получаем, что, например, для клистрона средней мощности 150 кВт и со средним КПД 50% необходим пучок мощностью 300 кВт. Если принять, что ускоряющее электроны напряжение U_o=20 кВ, то для реализации такого прибора ток в пучке должен иметь величину 15 А. Для приборов такого типа при работе их в сантиметровом диапазоне длин волн мы должны использовать электронные пучки малого сечения. Диаметр пучка, обычно, измеряется единицами миллиметров. Пусть для примера мы используем пучок, площадь сечения которого S_п=10^-1 см². Тогда плотность тока в пучке должна быть j_п=150 А/см².

Учитывая, что катоды СВЧ устройств эксплуатируются, как правило, в жестких условиях технического вакуума (10^-7-10^-8 Торр), подвергаются довольно интенсивной ионной (а в некоторых случаях и электронной) бомбардировке, токи такого масштаба получать с существующих катодов не удается. Обычно, достижимые плотности токов с более-менее стойких катодов не превышают 10 А/см². Для получения существенно больших плотностей токов необходимо производить компрессию электронных потоков, собираемых первоначально с достаточно большой поверхности.

Высокие требования предъявляются, обычно, к однородности электронных потоков. Учитывая это требование, катоды электронных пушек, используемых при построении СВЧ устройств, как правило, работают в режиме ограничения тока пространственным зарядом. В этом случае распределение плотности тока эмиссии не зависит от распределения работы выхода по поверхности катода. В связи с этим малые неоднородности работы выхода, существующие у катодов, не ведут к возникновению неоднородностей плотности тока в пучке. Наиболее известным исключением из указанного правила являются катоды гиротронных пушек. Такие катоды приходится эксплуатировать в режиме температурного ограничения тока с катода, чтобы обеспечить достаточно большой питч - фактор пучка (отношение поперечной составляющей скорости электронов в пучке V_ к продольной их скорости V_) перед входом его в резонатор. Именно по этой причине катоды гиротронных пушек обязаны иметь повышенную однородность работы выхода по поверхности и это создает большие проблемы при создании и эксплуатации устройств такого типа. Особенности создания винтовых электроннных пучков для устройств гиротронного типа мы проанализируем позже.

Электронные потоки СВЧ устройств отличаются, как правило, не только высокой плотностью. Обычно, эти потоки имеют большую по сравнению с диаметром протяженность. В связи с этим при формировании электронных потоков для СВЧ устройств часто приходится использовать их удержание, так как в противном случае произойдет сильная их расфокусировка.

Наконец, последнее, что хотелось бы оговорить, формулируя требования к электронным потокам СВЧ устройств, - требование по высокой степени монохроматичености таких потоков. Это требование вытекает из уже прочитанного курса лекций и не требует, видимо, дополнительного пояснения. В связи с этим обратим внимание на то, что малый разброс электронов по скоростям трудно обеспечить в электронных потоках высокой плотности. Препятствуют этому поля пространственного заряда пучков и развивающиеся в них колебания. Влияние полей пространственного заряда пучка мы проанализируем в этой же лекции.