Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
Контрольная работа №3
по дисциплине
«Электронные приборы и устройства»
Студента 2 курса ФЗВиДО
специальности МСТК
группы
Вариант №26
Минск 2010
Содержание
1. Модуляция электронного потока по скорости и по плотности; параметр группировки, конвекционный ток, максимальная и оптимальная группировка в пролетных клистронах…...…3
2. Рабочий режим магнетрона. Основные характеристики и параметры магнетрона. Области применения…………………………………………………………………………………..8
3. Лавинно-пролетные диоды (ЛПД): устройство, принцип работы, режимы работы и их характеристика, схема включения, параметры и характеристики, области применения. .……..11
4. Устройство, принцип работы и основные параметры и характеристики газовых лазеров…………………………………………………………………………………………………13
Литература
1. Модуляция электронного потока по скорости и по плотности; параметр группировки, конвекционный ток, максимальная и оптимальная группировка в пролетных клистронах.
Под действием входной СВЧ мощности между сетками входного резонатора появляется СВЧ напряжение u(t) = U1sin(wt), которое создает в зазоре резонатора напряженность поля:
Е = -(U1/d1)*sinwt
где d1 – расстояние между сетками входного резонатора, U1–амплитуда СВЧ напряжения, прикладываемого к зазору входного резонатора.
В результате взаимодействия электронов, проходящих через зазор входного резонатора с переменным полем резонатора, их скорость на выходе резонатора становится периодической функцией времени:
V =V0(1+0,5sin(wt) U1/ U0)
Данное выражение справедливо, если время пролета электронов зазора резонатора значительно меньше периода колебаний СВЧ поля, т.е. τ1<< T. В этом случае можно считать, что движение электронов между сетками резонатора происходит при постоянном значении переменного поля, и значение скорости электрона на выходе резонатора определяется моментом t (фазой, wt) влета электрона в резонатор. Однако время пролета электронов реального зазора всегда сравнимо с периодом колебаний СВЧ поля, т.е. τ1≈ T, и СВЧ поле за время пролета электрона успевает измениться.
Скорость электронов после пролета зазора резонатора состоит из постоянной величины V0 и переменной oсоставляющей, меняющейся во времени по закону синуса в зависимости от момента времени t1 пролета электроном середины зазора резонатора: V1 =V0 М1U1/(2 U0). Где М1 – коэффициент взаимодействия электронов с полем резонатора.
Коэффициент взаимодействия M1 сложным образом зависит от угла пролета θ (θ = wd1/ V0 –угол пролета электронами зазора резонатора). Коэффициент взаимодействия M1 увеличивается при уменьшении угла пролета. При угле пролета θ = 2π, значение М1 = 0, в этом случае время пролета электронов τ1 равно периоду СВЧ напряжения на зазоре, поэтому действие ускоряющего полупериода на электроны компенсируется действием тормозящего полупериода, т.е. для электронов СВЧ напряжение как бы отсутствует. Коэффициент взаимодействия увеличивается при уменьшении угла пролета θ. Получить небольшой угол пролета трудно, так как для этого необходимо увеличивать скорость электронов V0 (увеличивать напряжение U0) или уменьшать величину зазора d1, что приводит к снижению добротности резонатора. В реальных резонаторах клистронов угол пролета θ равен 90..180º . Для таких углов пролета коэффициент взаимодействия М1 = 0,6..0,9.
Группирование электронов
Процесс группирования электронного потока в пролетном клистроне можно наглядно иллюстрировать пространственно-временной диаграммой (ПВД) - семейством кривых, изображающих изменение координат электронов во времени (рис.1.1).
Рисунок 1.1
Координата Z=0 соответствует середине зазора входного резонатора. Синусоида изображает переменное напряжение U1, между сетками этого резонатора.
Ограничимся рассмотрением движения нескольких характерных электронов 1, 2, 3 и т.д., которые подходят к резонатору с одинаковой скоростью V0, определяемой ускоряющим напряжением в различные моменты времени. Электроны 1, 5, 9, 13, 17 не изменяют своих скоростей и двигаются в пространстве дрейфа со скоростью V0. Эти электроны называются невозмущенными электронами. Изменение координаты Z этих электронов во времени изображено прямыми, наклон которых связан со скоростью V = dZ/dt. Угол наклона прямой к оси времени всегда меньше 90º, т.к. скорость электронов не может достигать бесконечно большой величины.
Скорость электронов 2, 3, 4 после прохождения тормозящего высокочастотного поля зазора станет меньше, чем невозмущенных. Поэтому равномерное движение этих электронов после прохождения резонатора изображается прямыми линиями с меньшим углом наклона. Электроны 6, 7, 8,пролетевшие резонатор в ускоряющем полупериоде, свою начальную скорость увеличат, что приведет к увеличению наклона прямых на ПВД. Очевидно, что электроны 6, 7, 8, вылетевшие позднее невозмущенного электрона 5, но получившие прибавку скорости, догоняют этот электрон. Замедленные электроны 2, 3, 4, вылетевшие раньше электрона 5, могут сблизиться с ним в некоторый момент времени. Таким образом, в результате модуляции по скорости, появившейся после прохождения резонатора, происходит группирование электронов 3, 4 и 6, 7 около невозмущенного электрона 5, соответствующего моменту перехода от тормозящего к ускоряющему полупериоду.
Аналогичную картину движения электронов можно наблюдать для любого периода высокочастотного напряжения. В каждом периоде часть потока электронов группируется около невозмущенного электрона, пролетающего резонатор в момент нулевого электрического поля, соответствующего переходу от тормозящего полупериода к ускоряющему (например, около электронов 5 и 13, точки А и Б.).
Таким образом, через плоскость пространства дрейфа, лежащей на расстоянии Z = ℓ от середины зазора входного резонатора, будет проходить периодическая (с частотой входного сигнала w0) последовательность сгустков со средней скоростью электронов V0. При дальнейшем движении происходит перегруппировка сгустка, ускоренные, позднее вылетевшие электроны (например электрон 6) проходят вперед, обгоняя невозмущенный электрон (электрон 5), образуя передний фронт сгустка (точка A'), а замедленные, ранее вылетевшие, - задний фронт (точка A''), сгусток начинает раздваиваться. Как видно из ПВД, через плоскость Z = a, находящуюся вблизи к плоскости, проходящей через середину зазора резонатора, электроны проходят почти равномерно, т.е. слабосгруппированными. Это означает, что для образования сгустков принципиально необходима конечная протяженность пространства группировки. Возникновение сгустков электронов в пространстве группирования является причиной появления здесь конвекционного тока: Iк (Z,t) = ρ(Z,t)V(Z,t)S? Величина которого зависит от времени и расстояния.
Чтобы найти закон изменения конвекционного тока во времени, определим время пролета электрона до плоскости, проходящей через середину зазора выходного резонатора клистрона. Очевидно, что t2 = t1+ ℓ/V. Преобразуя данное выражение получим:
wt2 = wt1 + wℓ/V0 – (wℓ/V0)М1(U1/2U0)sin(wt1).
Введем обозначение X = (wℓ/V0)М1(U1/2U0)=M1(U1/2U0) θ0
Тогда можно записать wt1 = wt2 + θ0– Xsin(wt1).
Полученное соотношение называется уравнением группирования электронов, а величина X – параметром группировки. Уравнение wt1 = wt2 + θ0– Xsin(wt1) определяет фазу прибытия wt2 электрона во второй резонатор.
Определим конвекционный ток в сечении выходного резонатора, при этом будем полагать, что оседанием электронов на сетках и на стенках трубы дрейфа можно пренебречь, т.е. будем считать, что средний конвекционный ток пучка одинаков в любом его сечении. На основании закона сохранения заряда можно записать: i1dt1 = i2dt2 = dq => i2 = i1(dt1/dt2), где i1иi2 –мгновенные значения конвекционного тока пучка в центре входного резонатора и в сечении выходного резонатора соответственно.
Из уравнения группирования:
dt1/dt2 = 1-Xsin(wt1)
i1 в сечении входного резонатора равен постоянному току I0 , т.к. во входном резонаторе еще не происходит группирования электронов.
i2 = I0 /[1+Xsin(wt1)]
При Х=0, i2= I0 , если Х<<1, то i2 изменяется во времени почти по синусоидальному закону с частотой входного сигнала w, подведенного к первому резонатору.
При увеличении Х форма волны становится несинусоидальной, но периодичной с периодом Т=2π/w.
Конвекционный ток клистрона i2 является периодической несинусоидальной функцией времени и может быть представлен рядом Фурье:
I2(t2)=I0 +
где амплитуда гармоники с номером m
Im=2I0 Jm(mX), а Jm(mX) – функция Бесселя первого рода m-го порядка от аргумента mX.
Рисунок 1.2
На рисунке 1.2 приведены графики зависимости Jm от параметра группирования X при различных номерах гармоник m. Функция J (X) достигает максимального значения 0,58 при X = 1,84. Этому параметру группирования соответствует максимальное значение амплитуды первой гармоники тока, равное I макс = 2x0,58I0 = 1,16I0 .
Величина X =1,84 называется оптимальным параметром группирования. Так как в клистроне длина пространства дрейфа фиксирована, а величина напряжения питания U0 обычно задана, то параметр группирования можно регулировать изменением амплитуды напряжения на сетках входного резонатора U, меняя значения входной мощности.